AP1000 反应堆冷却剂泵“3s 供电”问题分析

2014-11-18严兆君宋光耀

机电工程 2014年11期

严兆君，吴军，宋光耀

(1.中国电能成套设备有限公司，北京 100080;2.山东核电有限公司，山东海阳 265116)

0 引言

在核电站一回路系统中，通过反应堆冷却剂泵的运行，建立强迫循环带出堆芯的热量。一旦反应堆冷却剂泵停转，意味着冷却剂强迫循环的失去，一回路只能靠自然循环的方式冷却堆芯，所以一般在设计中为了延长强迫循环的时间，泵往往带有较重的飞轮以增加转动惯量。

AP1000 核电技术中反应堆冷却剂泵采用屏蔽泵，相对而言其飞轮较小，亦即其转动惯量小，泵的惰走时间短，所以为了增加冷却剂强迫循环的时间，设计中要求在发生跳机事故时，仍有3s 时间持续给泵供电以延长泵转动时间，帮助建立充分的自然循环条件。

根据文献［1］的内容，“3s 供电”问题具体要求为:

在电网稳定性分析中，当电力系统无故障时，在汽轮机跳机后至少3s 内，反应堆冷却剂泵的母线电压仍可维持在要求的定值之上，从而保证冷却剂泵的流量不小于设计基准事故分析中假设的流量。

汽轮发电机组有足够的转动惯量，以保证当机组未与电网并列、仅带厂用电运行时，若发生汽轮机跳机，则其惰转持续到发电机出口断路器断开的时间至少为3s。

如何保证反应堆冷却剂泵“3s 供电”同时也为国家主管部门在PSAR 审查中重点关注的问题。

本研究结合AP1000 核电电气系统设计特点、设备参数及各种事故工况特性，进行分析如何满足冷却剂泵“3s 供电”要求，实现安全停堆。

1 AP1000 反应堆冷却剂泵电气系统简介

AP1000 核电厂电气系统与一般压水堆核电厂相比，供电方式和系统结构不尽相同，具有其自身的特点，AP1000 反应堆冷却剂泵电气系统图如图1 所示。

图1 AP1000 反应堆冷却剂泵电气系统图

(1)辅助电源来自厂外220 kV 系统，厂内500 kV和220 kV 系统的没有任何电气连接，不设置联络变。

(2)发电机出口设置断路器(GCB)，能够满足在厂内和厂外电力系统在短路事故下，正确动作、保护发电机;在电厂启动时，断开GCB，厂用电采用500 kV 的厂外优先电源。

(3)厂用电系统按照单堆设置，堆间没有任何电气连接，中压母线和低压母线均无公用段，每台机组配置两台辅助变和高厂变，辅助变容量和高厂变容量相同都为88 MVA，100%备用方式，能够满足核岛和常规岛中压母线同时快切到不同变压器的要求。

(4)4 台反应堆冷却剂泵的电源引接分别来自常规岛4 段中压母线。

(5)反应堆冷却剂泵通过变频器供电，变频器的一次侧输入电压为10.5 kV，二次侧输出电压为6.9 kV，变频器和反应堆冷却剂泵之间设置两个串联的断路器。

2 主要工况分析

针对AP1000 核电厂的固有特点，下面重点分析运行中几种典型或极端的工况情况，其他运行工况可介于这类工况之间进行考虑。

2.1 “孤岛运行”工况

2.1.1 工况特点

(1)发电机和外电网没有任何电气联系，包括优先电源和辅助电源回路均断开。

(2)发电机带厂用运行，汽轮发电机组电功率等于厂用电功率，额定功率约为5%～6%。(3)发电机输出电压、频率随厂用负荷的变化波动大。(4)堆功率通常维持稳定在30%左右(不能超过旁路的容量)。

(5)蒸汽大部通过旁路排放到凝汽器。

(6)由于末级叶片在一定的低蒸汽流量下颤振、应力水平高，通常不允许汽轮机在该低负荷工况下长期运行。

此时，汽轮机跳机后将全厂停电、旁路闭锁，然后大气释放阀开启，一回路会在短时间处于绝热加热之下，该瞬态下要求反应堆冷却剂泵维持足够的冷却剂流量，确保堆芯最小的偏离核态沸腾比(DNBR)不超标［2］。

2.1.2 工况分析

发电机不与厂外系统相连并带厂用电运行时，在保护配置上，汽轮机跳机不直接引起发电机出口断路器跳闸，而是由发电机低电压或励磁过流保护跳开发电机出口断路器。

汽轮机跳机后，转子惯性惰走，转速降低引起发电机机端电压降低。某AP1000 核电项目汽轮机惰转曲线如图2 所示。可以看出，跳机3s 后，转速降为约额定转速的98%。同时按照现有发电机自动电压励磁调节器性能，电源电压在自动励磁调节器的控制下很容易保持在85%额定电压以上［3］。

根据电机学原理，在发电机磁极对数不变的条件下，电机转速和电能频率成正比关系:

发电机转速下降2%时，电能频率同样下降2%，频率波动在厂用负荷正常工作的范围内，不会引起厂用电保护的动作。再者在该频率波动范围内，变频器会根据电源频率的波动，自动调整反应堆冷却剂泵输入电源的频率，使其维持在电机额定频率值不变。

图2 汽轮发电机组惰转曲线

所以3s 内不会出现发电机出口断路器跳闸，发电机至少能为反应堆冷却剂泵供电3s 时间。

为了验证停堆过程中DNBR 不超标，本研究需对DNBR 进行瞬态分析。由于反应堆满功率时比低功率的瞬态事故更为严重，可根据西屋公司VIPRE-01 程序计算“满功率运行+外电网失去+汽轮机跳机”工况下的DNBR，该DNBR 可包络孤岛运行工况下汽轮机跳机引起的停堆。

在保证汽轮机跳机后能利用汽轮机组惰转再继续供电3s 中:

(1)厂用电要保持稳定，该点对继电保护提出了高要求，必须杜绝保护或开关不动作、故障越级扩大事故的发生。

(2)汽轮发电机组的转动惯量足够大，惰转3s 时的转动频率仍保持在所要求的反应堆冷却剂泵供电频率之上。

(3)为始终保证反应堆冷却剂泵在失电惰转前就有所要求的转速，在汽轮机跳机前，要使发电机发出适当的无功功率以维持厂用母线电压。

2.2 “机组满功率运行”工况

2.2.1 工况特点

(1)GCB和主变高压侧断路器均闭合，扣除厂用电外，发电机以满功率并网运行。

(2)发电机提供厂用电，厂内6 段中压母线进线电源均引自两台高厂变，备用电源引自两台辅助变，且处于热备用状态。

(3)堆功率稳定在100%，反应堆出口的蒸汽全部送汽轮机做功。

2.2.2 工况分析若汽轮机跳机，发电机变为同步电动机挂网运行，发变组保护探测到逆功率信号后，延时15 s 跳开GCB，反应堆冷却剂泵电源通过500 kV 电力系统经主变倒送厂用电实现，不存在“3s 供电”要求。

目前，核电厂址所在沿海各省的电力系统都相当庞大，个别省份装机容量达到近1 亿千瓦，整个电网结构紧密，抵御故障能力较强。相关文献［4-6］已对类似项目进行过分析研究。以山东某AP1000 核电项目为例，对500 kV 电网失去一台百万机进行仿真，电压波动曲线如图3 所示。从仿真曲线来看，失去一台百万机后，厂内500 kV 母线电压仍能保持稳定。

图3 切百万机后厂内母线电压波动曲线

按照故障叠加原则分析，若GCB 拒动，失灵继电器动作，启动失灵保护，主变高压侧断路器、GCB、厂内6 段中压母线进线开关同时跳开，辅助电源快速切换。鉴于辅助变的设置为100%明备用，反应堆冷却剂泵电源能够快速过渡到稳定工况。保护配置中快切时间为6个周波(120 ms)，母线失电时间大约在40 ms～60 ms，反应堆冷却剂泵的电源能够得到快速切换，同样不存在“3s 供电”的问题。

2.3 “机组满功率运行+500 kV 外电网失去”工况

2.3.1 工况特点

该工况基本特点和2.2.1 节相同，仅故障类型不同。此时，失去500 kV 外电网，机组进入孤岛运行，但220 kV辅助电源可用。

2.3.2 工况分析

厂外500 kV 电网故障(例如短路)，由于保护动作的选择性，主变高压侧断路器跳开，汽轮机和发电机快速甩负荷至厂用电，维持反应堆冷却剂泵正常供电。发电机组甩负荷瞬间，机端电压和频率是先陡然升高后逐步降低。即使在汽机跳闸后3s，厂用母线电压和频率也不会较额定值下降很多［7］。

如果主变高压侧断路器拒动，则失灵保护动作，联跳发电机出口断路器(GCB)，自动装置检测到失电信号后，启动母线快切至220 kV 辅助电源来满足冷却剂泵“3s 供电”。

2.4 “机组满功率运行+外电网失去”工况

2.4.1 工况特点

(1)堆芯和发电机均以满功率运行，发电机提供厂用电，厂内6 段中压母线进线电源均引自两台高厂变。

(2)考虑失去外电网电源是由于汽轮机跳机导致电网崩溃这一连串事故引发的厂内电气系统(例如高厂变相间短路)和厂外电力系统同时故障。

(3)从汽机停机到失去厂外电源之间，假定一个合适的延迟时间为3s，该延迟时间的假定是基于厂外电网的固有稳定性。

(4)GCB和500 kV 高压侧断路器跳开后，220 kV辅助电源快切失败，发生全厂断电。

2.4.2 工况分析

该种工况属于极限事故，发生的概率极低。一旦发生，反应堆冷却剂泵电机在全厂失电后将会得不到工作电源，进入惰转。此时反应堆处在高功率状态下，一回路冷热段温差大，4 台反应堆冷却剂泵惰转后容易过渡到自然循环。反应堆冷却剂泵惰转过程中，反应堆冷却剂流量下降，同时冷却剂泵低转速信号将直接触发反应堆停堆。在该瞬态下，反应堆冷却剂泵维持的冷却剂流量要确保堆芯最小的DNBR 不超标。

根据西屋公司VIPRE-01 程序计算，4 台反应堆冷却剂泵惰转下，DNBR 瞬态分析最小大概为2.7 左右，四泵惰转下DNBR 分析如图4 所示。偏离核态沸腾(DNB)设计基准能够得到满足(最小DNBR 为1.21)。