秦山二期扩建核电厂全厂断电（SBO）事故下蓄电池可用性研究

游 洲 韩 勇 刘文静 李 朋

（中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术重点实验室，四川 成都 610041）

0 引言

2011 年3 月福岛核事故之后，我国国家核安全局（NNSA）对在役、在建电厂提出了一系列安全整改要求，其中，针对全厂断电（SBO）的具体要求是：进一步提高应对SBO 的能力，增强超设计基准工况下实现堆芯冷却的应急补水能力，增设移动泵、移动电源、注水管线及相匹配的接口，并完善厂区内各种水源在事故工况下的使用程序。

全厂断电是指核电厂完全丧失应急以及非应急母线上的交流电源（即，丧失厂外电源系统，汽轮机跳闸，并且厂内应急交流电源系统不可用）。这不包括由蓄电池逆变器供电的不间断交流电源以及替代交流电源（AAC）的丧失。SBO 属于超设计基准事故，如果没有适当的应对措施，可能导致核电厂堆芯损坏并威胁公众健康和安全。

根据丧失厂外电的原因以及电厂恢复交流电的能力不同，SBO 事故进程有所差别。如果可以在事故后短期内（如1 个小时内）恢复交流电源，通常不会对电厂造成严重影响。一旦交流电源长时间无法恢复，则可能造成严重的后果。电厂可应对SBO 的时间称为SBO 应对时间，根据10 CFR 50.63（2007 版）的定义，应对时间是指电厂在没有交流电源的情况下可保证堆芯不裸露和保持适当的安全壳完整性的时间。

蓄电池作为全厂断电后至交流电源回复时间段内的最后电源（AAC 无法启动时），其可用性及满足负荷需求的时间长短对整个核电厂全厂断电事故序列的发展以及电厂是否具有足够应对SBO 的时间起着举足轻重的作用。本文针对在SBO 工况下，秦山二期扩建核电厂现有蓄电池的可用性进行了分析和研究。

1 SBO 事故下蓄电池的投用

SBO 事故一般由丧失厂外电（LOOP）事故开始，LOOP 事故发生后，应急柴油发电机组（EDG）自动启动，向应急母线供电。若应急柴油发电机组（一列或两列）供电成功，电厂至少有一列专设安全设施可以启动应对事故。一旦应急柴油发电机组供电失败，电厂丧失了所有交流电源，交流电驱动的设备（如主泵、主给水泵等）停运，所有依靠交流电源运行的前沿系统和支持系统无法启动或继续运行。全厂断电后的典型的事故发展见图1。

全厂断电后，控制棒断电依靠重力下落，反应堆停堆，汽轮机停机。由于丧失供电，主给水丧失，主泵停运，汽动辅助给水泵自动启动向SG 供水，一回路热量通过自然循环排出。因为主泵同时丧失正常轴封水注入和密封冷却，SBO 后存在着主泵轴封破口的风险。SBO 后电厂仪控用电由蓄电池供给，以提供全厂断电事故后所需仪控机柜的电源。

在秦山二期目前的设计中，48V 直流电源系统（LC*）、110V 直流电源系统(LB*)及220V 交流不间断电源系统(LN*)分别设有蓄电池组，在SBO 后，各蓄电池组具有向各自的全部直流负荷供电1 小时的能力。

根据《全厂断电事故运行规则（RRA 未连接）》H3.1 的描述，发生SBO 时，应立即切除LCA 和LNE 中功能不重要的负荷，使相应的蓄电池组执行经济运行程序，这样做的目的是使LCA 和LNE 系统对功能重要的所有馈出线尽可能长时间的保持带电。图2、图3 分别是LNE和LCA 系统的单线图。在正常运行状态下，由充电器给相应的直流负荷供电，同时给LNE 和LCA 的供电蓄电池浮充电，在SBO 发生时，其蓄电池组能不间断地向各自的全部直流负荷提供直流电源。

2 蓄电池可用性分析与评价

2.1 重要负荷计算

2.1.1 LNE 母线

LNE 母线上所带功能重要负荷统计见表1。从表1 中可以看出，负荷LNE360CR 在其他机组交流电源可用的情况下，可直接切换至其他机组供电，这样就可以避免消耗本机组的蓄电池容量，延长本机组负荷供电时间。因此，在考虑给LNE 系统供电的蓄电池可用时间时，需分为两种情况考虑：蓄电池给本机组的所有LNE 系统负荷供电，和只给LNE 系统下除了LNE360CR 的负荷供电。这时，LNE360CR 的电源必须切换至其他机组供电。

表1 LNE 母线负荷统计表Tab.1 Load of LNE

根据逆变器计算电流的计算公式：

式中：Ij——逆变器进线侧的计算电流；

Ii——逆变器出线侧的负荷计算电流；

α——同时系数，取1；

γ——逆变器逆变效率，秦山二期采用瑞士固特（GUTOR）逆变器，其满负荷条件下的效率大于91%；

Ui——逆变器进线侧电压，220V；

Uo——逆变器出线侧电压，220V。

代入参数计算可得，在SBO 工况下，另一机组的交流电源不可用时，逆变器直流侧的计算电流为229.3A；当另一机组的交流电源可用时，逆变器直流侧的计算电流为121.6A。

2.1.2 LCA 母线

LCA 母线上所带功能重要负荷统计见表2：

表2 LCA 母线负荷统计表Tab.2 Load of LCA

在交流电源丧失的情况下，蓄电池组直接给各机柜提供48VDC电源，以应对SBO 事故。考虑到极限情况下，各机柜需同时用电，因此同时系数取1。蓄电池的放电电流为LCA 系统各负荷的计算电流之和，即为299.15A。

2.2 蓄电池带载时间分析

为LNE、LCA 系统供电的蓄电池均为沈阳蓄电池厂生产的GFD-2000 阀控型铅酸蓄电池，特性参数见表3、表4。

表3 为LNE 系统供电的蓄电池特性参数Tab.3 Batteries’ Parameters for LNE

表4 为LCA 系统供电的蓄电池特性参数Tab.4 Batteries’ Parameters for LCA

蓄电池可用时间的计算，实际上就是其剩余电量的计算。充满后的蓄电池的放电容量主要受钝化机理的影响，与电池的储存时间、电池温度（见图4）、电池劣化模式、劣化程度、放电倍率等众多因素密切相关，容量的准确估计难度较大，国内外的专家对此做过大量的研究。

秦山二期核电厂对电池存储间的温度控制严格，通风系统完善。在对LNE 系统和LCA 系统的蓄电池组进行剩余电量估算的时候可以不用考虑温度变化对蓄电池组会产生破坏性的影响。同时，如果蓄电池组经过较长时间的存储后，通过监控蓄电池的浮充电压，如果达不到运行的要求，则会马上进行维护和更换。在蓄电池组最不利的情况下，也能保持原蓄电池组容量的80%，即1600Ah。假设SBO 发生后，蓄电池一直保持同样的最大放电电流。根据GFD 蓄电池不同小时放电电流表5（终电压1.87V/只），采用插值法对LNE 和LCA 系统的蓄电池组进行放电时间计算。同时考虑到蓄电池组在寿期末最不利的情况下也能达到1600Ah，因此，LNE 和LCA 系统的蓄电池组可以达到表6 所示的负荷需求的放电时间。

表5 GFD 蓄电池终电压1.87V/只，不同小时放电电流Tab.5 Discharge Current at Different Time of GFD Batteries(Ending voltage=1.87V)

表6 LNE 和LCA 系统的蓄电池组满足负荷需求的放电时间Tab.6 Discharge Periods of batteries to meet load requirements

3 应对SBO 的建议

福岛核事故发生后，美国核管会（NRC）建议所有运行和新建反应堆：（1）建立SBO 后最小8 小时的应对能力；（2）建立“长期SBO”的72小时的应对时间的设备、规程和培训，要求保证堆芯和乏燃料池冷却以及反应堆冷却剂系统和安全壳的完整性。

从以上要求来看，秦山二期扩建工程的蓄电池组满足不了最新的要求，建议采取如下措施：

（1）提高蓄电池容量。蓄电池满足负荷需求的放电时间与电池容量成正比，提高蓄电池的电池容量可以直接延长蓄电池满足负荷需求的放电时间的要求。

（2）使用移动式电源对蓄电池充电。在发生SBO 时，接入移动式柴油发电机对正在放电的蓄电池进行充电，只要柴油发电机具备足够的容量，且油料足够，则可以大幅度的提高蓄电池组满足负荷需求的放电时间。

（3）提高替代交流电源的能力。秦山二期扩建工程设置有附加柴油发电机组（第五台柴油发电机组）。但是在投用时，需要接入的时间过长。如果能够将附加柴油发电机组的接入修改为自动，或者采用技术改进措施，进一步缩短需要接入的时间，那么对蓄电池的要求将会降低很多。

（4）提高电厂恢复交流电源能力。核电厂在SBO 事故后要恢复到正常状态，仍然需要交流电源供电，这是不可避免的。交流电源恢复越快，越能降低对蓄电池的要求。因此，可通过改善交流电源系统的冗余配置，加强操作员的规程培训，提高事故处理人员的专业技能等方面来提高核电厂恢复交流电源的能力。

4 结束语

核电厂安全是整个核电产业的重中之重，特别是在福岛事件以后，各国都将一定范围内的超设计基准事故纳入考虑的范围。福岛事件之前，我国建设的大部分核电厂都没有考虑如何应对诸如SBO 这种超设计基准事故。如何在运行核电厂现有条件的基础上，提高应对超设计基准事故的能力，是一项长期而艰巨的工作。对秦山二期扩建工程开展的蓄电池可用性分析和研究，希望能为现有核电厂的安全建设和后期核电厂的设计建造提供借鉴。

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