核电站增加厂用移动电源的探讨与实践

2015-03-23于永强

电力安全技术 2015年1期

于永强

(中核核电运行管理有限公司，浙江海盐 314300)

1 概述

核电站厂用电源由正常电源和应急电源构成。正常电源是由主变压器、辅助变压器提供的电源；应急电源是当主、辅电源失电时，对安全系统和设备供电，以提供反应堆安全停堆设备、安注系统、重要监视仪表和应急照明用电。在特殊情况下，当正常电源失去后，应急电源成为厂用电源的主体。

核电站应急电源发挥应急供电功能，需具有独立性强、机动性好的特点。独立性强，即仅依靠自身即能正常运转供电；机动性好，即启动快并能在短时间内输出额定负荷。

2 福岛核事故厂用电源失电

2011-03-11T14:46，日本本州岛东北海岸发生9.0级地震。当检测到地震时，日本福岛第一核电站1，2，3号机组执行了自动停机程序，反应堆安全停堆。此时，正常情况下核电厂可利用厂外电源驱动冷却和控制系统，但地震对电网造成了大规模破坏，因此只好依赖区内13台应急柴油发电机组驱动冷却系统。该核电厂应急柴油发电机组在地震发生后2 s内启动，但随后的15 m大海啸越过厂区5.7 m海堤，淹没了地势较低处的柴油发电机组。15:41，共有12台应急柴油发电机中止运转，供给反应堆的动力电源即告失效。在柴油发电机组失效后，供电给控制系统的蓄电池因无法充电只能维持8 h，不能保证持久供电。福岛第一核电站没有配置移动式应急电源，从外部运来的移动应急电源因路况不佳而严重耽搁；运抵因地下配电间已被海啸淹没，无法连接使用，导致所有的厂用电源失去，最终造成福岛核事故的逐步升级。

3 秦山第二核电厂应急供电系统构成

3.1 6 kV应急配电系统

正常状态下，秦山第二核电厂1，2号机组6 kV中压系统由500 kV主变压器、220 kV辅助变压器供电。每台机组有正常厂用母线4段(LGA，LGB，LGC，LGD)、应急母线2段(LHA，LHB)、循泵房母线2段(LGEA，LGEB)、2台机组共用母线2段(LGIA，LGIB)、备用电源母线2段(LGR001，LGR002)、附加柴油机母线段(LHT)。

应急厂用设备是核安全和电厂主要设备的保护所必需的。正常情况下，应急厂用设备由LGC，LGD分别通过LHA和LHB配电装置供电。当外部电源失去时，则由应急柴油机组进行供电。

LHA，LHB负荷有：水冷泵电机、消防泵电机、高压安注泵电机、安全厂用水泵电机、喷淋泵电机、余热排出泵电机、电动辅助给水泵电机、核岛制冷机电机、低压安注泵电机以及LLA，LLB，LLC，LLD，LLE，LLI，LLJ，LLO，LLN等核岛干式变。

3.2 380 V应急配电系统

380 V低压系统(核岛)为核岛的380 V负荷供电，分为交流应急配电系统(LL*)和交流正常配电系统(LK*)。

交流应急配电系统(LL*)又分为A，B 2列，A列包括：LLA001TB，LLC001TB，LLE001TB，LLI001TB，LLN001TB，LLG001TB等配电装置；B列包括：LLB001TB，LLD001TB，LLJ001TB，LLO001TB，LLW001TB等配电装置。2个系列在电气上和实体上都是隔离开的，其功能如下：

(1)由6 kV应急配电装置(LHA，LHB)向380 V应急配电装置母线供电；

(2)对380 V应急配电装置的母线电压进行监测和控制；

(3)向每个配电装置小室提供110 V和48 V直流仪表和控制电源。

交流应急配电系统(LL*)的安全功能是：向与安全有关的低压(380 V)负荷，如电动机、电动阀、断路器、整流器等，以及部分与安全设备相关的直流系统供电。

3.3 应急柴油发电机系统

3.3.1 应急柴油发电机组

秦山第二核电厂1，2机组所采用的柴油发电机是法国生产的四冲程、中速、大功率柴油机，容量为6 300 kW，共4台，每个堆2台，分LHP和LHQ 2个系列，分别向6 kV应急母线LHA和LHB供电。

(1)电气配置。该核电厂1，2号机组的4台柴油发电机组分为A列和B列，LHP上游电源来自LLI181JA，供给LLG001TB配电盘；LHQ上游电源来自LLJ181JA，供给LLW001TB配电盘。事故情况下，柴油发电机经6 kV应急配电装置(LHA，LHB)向380 V应急配电装置母线供电。

(2)启动方式如下。

① 系统启动(应急启动)：系统启动是指柴油机从备用状态一直到柴油发电机组程序带载结束整个过程的一种启动方式，属于应急启动方式。系统的启动信号包括安注信号、安全壳压力高高信号及母线失压信号。

② 主控室的手动启动(应急启动)：在主控室的手动启动是应急启动的方式之一，主要是考虑在应急工况下主控操纵员能够迅速启动柴油机，同时部分运行定期试验也采用该种启动方式。

③ 应急停堆盘的手动启动(应急启动)：在电气厂房的应急停堆盘上也可以启动柴油机，这种启动方式只有在主控室不可用的状况下才使用。

④ 就地启动(正常启动)：就地启动的柴油机启动方式主要是在柴油机调试和试验时使用。

3.3.2 附加应急柴油发电机组

按照核安全要求，核电站应配备自己独立的附加电源，以保证在全厂失电情况下，提供1组独立的应急电源。秦山第二核电厂于2002年确定建设附加柴油发电机组(0LHT)，它与1，2号机组4台柴油机组在容量和性能方面完全一致。因此，附加柴油机在抗震等级等方面达到了完全的1E级，能满足其在4台柴油发电机组的任意一台不能正常投运状况下的备用要求。

3.4 水压试验泵发电机组

水压试验泵发电机组系统(LLS)主要用于在机组2列应急配电母线LHA和LHB都不能供电的情况下，通过由一回路加热产生的蒸汽驱动一个输出功率为70 kW的小汽轮发电机组，向水压试验泵及其辅助装置提供电源，以保证主泵的密封供水，避免一次侧冷却剂的泄漏。根据需要可由该系统向1/2LNE360CR和1/2ASG系统的汽动泵就地控制箱提供电源，以保证机组重要仪表可以运行监视，以及保证可通过二回路蒸汽将堆芯的温度导出并维持恒定温度。

在正常运行工况时，该系统总是处于备用状态。由于该系统还可以通过电网向下游负荷供电，因此在9LKI系统向本系统的380 V母线供电时，可实现主回路水压试验和向安全注入系统(RIS)的中压安注箱充水的功能。

在事故(1号或2号机组LHA与LHB均失电)情况下，该机组可用的电源只有来自蓄电池组供电的直流系统。LLS系统故障监测回路会在15 s后发出打开气动蒸汽隔离阀(LLS001VV)的信号，从而启动小汽轮发电机。该机组启动后，整个系统(LLS)的运行就不再依赖来自蓄电池组供电的直流系统。

由于1号或2号机组LHA与LHB均失电，因此相关机组的一回路的循环冷却系统失去功能。即使反应堆已经停堆，堆中的放射性物质依然有少量在继续衰变，其衰变能量约占其输出核功率的1 %，1号或2号机组输出的核功率约为2 000 MW，因此20 MW功率的衰变能量会使失去循环冷却的堆芯产生大量的热能。这些热能经过自然循环传输到蒸汽发生器，其余热足以使蒸汽发生器产生的蒸汽驱动小汽轮发电机组。由于放射性物质的衰变时间非常漫长，其产生的衰变能量在相当长的时间内基本上保持不变，除非人为干涉，否则启动后的小汽轮发电机组不会停止运行；所以本系统所提供的380 V母线电源是全厂唯一可以长时间供给的电源。因此，从设计上考虑，它在事故工况下的启动、运行、停运、就地/远方控制和信息传递均不需要外在电源(指主变压器、辅助变压器与柴油发电机组提供的电源，不包括蓄电池组供电的直流系统)。

LLS 380 V母线的进线方面配置包括3路进线和1个电阻负载箱(9LLS001RS)。3路进线分别是由1号或2号机组取自ASG系统汽动泵供汽母管上的蒸汽驱动小汽轮发电机组供电和由电网提供的9LKI001TB供电。电阻负载箱的功率为24 kW，为1，2号机组共用，为小汽轮发电机组刚启动时提供一定负荷，以避免小汽轮机机械超速，并可以根据需求负荷的大小自动投切，维持小汽轮机的稳定运行。

4 增加移动电源的合理性和必要性分析

按照秦山第二核电厂原设计要求，当电厂500 kV主电源、220 kV备用电源以及主发电机失电时，应急柴油机能够立刻启动；在10 s内使机组达到额定电压和额定频率，开始执行程序带载；并在40 s内分8次带上LHA/LHB应急母线上的负荷，为专设安全设施和系统供电，以提供应急照明和为保证反应堆安全停堆所需的设备用电，使其继续安全运行。如果柴油机不能正常启动，则由LLS系统的小汽轮发电机为应急设备供电。

福岛核电站与秦山第二核电厂应急配电系统对比分析如下。

(1)秦山核电基地的海堤高度约为9.5 m(未来将加固提高到9.9 m)，秦山核电基地所在的杭州湾水文情况与福岛所面对的深海有所不同，极端条件下的海啸高度最高不会超过10.1 m。福岛核电站的所有柴油发电机组都安装在地势较低的地带，而秦山第二核电厂的柴油发电机组则安装在整个厂区基准面+0 m(厂区标高为5 m)左右的地方。若发生海啸高度超过海堤高度的情况，则秦山第二核电厂所有柴油发电机组，包括附加柴油发电机组也都有可能被淹没。

(2)秦山第二核电厂应急配电系统(6 kV与380 V)与直流系统(包含向LLS控制回路供电的部分)均安装在厂区基准面+8.0 m左右的地方，小汽轮发电机组配电间在厂区基准面+6.0 m左右的地方，小汽轮发电机组在厂区基准面+11.5 m左右的地方；分别距杭州湾海平面高度为+13.0 m, +11.0 m和+16.5 m。因此，即使发生超出海堤高度的海啸，也不会出现类似福岛核电站整个应急配电系统被淹的情况。

(3)秦山第二核电厂LLS系统是福岛核电站所没有的系统。该系统可以看作是核安全的最后一道屏障，且该系统所在厂房位于厂区基准面+11.5 m的地方，也不会发生被淹的情况。该系统的动力来自一回路加热产生的蒸汽，因此只要堆芯有热量，发电机就能运转。但此系统的动力不是自身产生，与柴油发电机相比，欠缺独立性。

(4)核电站的重要设备一般都有冗余配置，即这些重要设备运行时有备用设备。1，2号机组LLS系统各自只有1台小汽轮发电机组，虽使用同一段母线供电，但是由于其动力来源不同，故不能真正做到互为备用。在每年1次的机组换料大修过程中，至少有1个月的时间里，1号或2号机组处于冷停堆状态，此时相应机组的小汽轮发电机组就处于不可用状态。

综上所述，该系统不符合冗余配置要求，特别在福岛核事故之后，增加1台备用应急电源成为必须。2012年7月国家核安全局编制的《福岛核事故核电厂改进行动通用技术要求》中包括了增加移动电源的要求。移动供电系统具有良好的机动灵活性等固定式应急供电系统所不具备的优点，因此成为备用应急电源最合适的选择。

5 LLS外部移动电源供电系统方案实施

外部移动电源系统主要由低压移动柴油发电机和外部移动电源接口构成。额定功率为656 kW的低压移动柴油发电机组从外部订购，其他工作包括外部移动电源接口的确定和安装。

2012年，秦山第二核电厂确定在1LLS001AP附近墙上安装一个双切电源端接箱，用于与移动式柴油发电机组和LLS系统之间的连接，包括双切电源端接箱(9LLS701AR)的安装、1LLS001AP至9LLS701AR之间电缆桥架的安装、电缆的缚设及端接。

现场核实，1号机组连接厂房W532(距厂区基准面+11.5 m)具有足够的空间安装9LLS701AR。在同时失去厂外、厂内电源且1号和2号机组LLS电源可均失去的工况下，移动柴油机电源通过自带电缆接入9LLS701AR，再将汽轮发电机组上原为1LLS001AR供电的电缆端接至9LLS701AR，闭合隔离开关，启动移动柴油发电机为LLS配电装置供电。

目前，LLS系统外部移动电源接口已安装完成，移动电源车也已到位。在紧急状态下，移动电源车可以在15 min内赶到现场，现场工作人员可在1 h内将移动电源车自带电缆由移动电源车位置处敷设至W532房间内的9LLS701AR上，从而有效保证对核电厂重要设备的供电。