变频技术在华龙一号CAV系统中的应用研究

张任妍,武海博

(中国核电工程有限公司,北京 100840)

0 引言

核电厂发生严重事故后，安全壳作为阻止放射性物质向环境排放的最后一道实体屏障，对缓解或降低事故的放射性后果起着至关重要的作用。为实现对放射性物质的密封包容，华龙一号采用双层安全壳结构，由一个带密封钢衬里的预应力钢筋混凝土内壳和一个普通钢筋混凝土的外壳构成。内层安全壳是一个承压的密封壳体，可容纳一回路压力下反应堆冷却剂系统的所有部件，承受事故工况的高温高压并包容放射性物质。外层安全壳能够单独或与内层安全壳一起承受外部载荷，不仅能够抵御商用大飞机的撞击，抵抗龙卷风、飞射物及外部爆炸等外部事件，而且对放射性物质还起到一定的包容作用[1]。

双层安全壳两壳之间的空间被称为安全壳环形空间。该空间保持负压，用于收集并包容来自内壳泄漏的放射性物质。安全壳环形空间通风(containment annulus ventilation,CAV)系统是反应堆第三道密封屏障的支持系统。在核电站安全壳内部事故工况下，裂变产物由内层安全壳泄漏到环形空间后，经CAV系统的事故过滤系列过滤后排放到外部环境中，以有效控制事故向外部环境的放射性释放，使电站厂区范围内各种放射性物质的释放限制在允许范围[2]。

本文在分析华龙一号首堆福清5、6项目CAV系统工艺流程特点的基础上，首次提出了在安全级通风系统中引入变频技术控制的解决方案，重点分析了控制方案制定过程中遇到的关键问题，给出了有效解决方法，并详细分析了控制方案多重冗余、多样化设计的特点。本控制系统不仅实现了精准控制环形空间压力，有效控制了事故工况下放射性物质向环境释放的功能，而且在保证机组运行安全的基础上提高了电厂经济性，为变频器技术在核电厂安全级系统的推广应用起到了良好的示范作用。

1 变频技术

变频技术是指交流用电设备的供电频率发生变化时，与频率成正比的功率将随之发生变化。频率高，则功率大；频率低，则功率小。所以变频调速装置(即变频器)就是将固定频率的交流电变换为频率连续可调的交流电。其根据负荷的变化，通过调整风机等有电设备的输入频率，来调整风机的转速，使被控风机出口流量随负荷的变化而变化，从而在满足不同负荷需要的情况下，减少用电量的损耗，提高用电率。但是大多数风机在使用过程中常出现大马拉小车的现象，且因生产、工艺等方面的变化，需要经常调节气体的流量、压力、温度等。以前，主要采用调节挡风板或阀门开启度的方式进行调节。但这是以人为增加阻力的方式，并以浪费电能和金钱为代价来满足工艺和工况对气体流量调节的要求。这种调节方式不仅浪费能源，而且调节精度差，难以满足现代化工业生产及服务等方面的要求，负面效应严重。变频器的出现为交流调速方式带来了革命。变频调速已被广泛应用于不同领域的交流调速，为企业带来了可观的经济效益，推动了工业生产的自动化进程[3]。

风机变频器根据测量传感器(如压力、液位、流量、温度等)信号变化调节控制回路电源频率，进而改变负载电机的运行功率，使执行机构满足控制需求。变频器主回路常采用典型的“交-直-交”模式。该模式是目前应用广泛和可靠的低压变频模型。交流异步电动机转速公式为：

(1)

式中：n为电机转速；f为电源频率；S为电机转差率；p为电机极对数[4]。

由式(1)可知，电机转速n与电源频率f成正比，通过改变电动机工作电源频率达到改变电机转速的目的。“交-直-交”变频模式通过将交流电压整理成直流，再通过逆变器逆变成所需要频率的交流电来控制电机。假设风机流量为Q，风压为H，转矩为T，轴功率为P。根据流体力学原理，可知流量Q∝n，H、T∝n2,P∝n3。即风机的流量与转速的一次方成正比，压力和转矩与转速的二次方成正比，风机轴功率与转速的三次方成正比。如果电机速度下降到原来的70%，风量下降到原来的70%，则轴功率下降到了原来的34.3%[5-6]。相对于通过在风机出口设置挡风板或回流阀的控制方案，通过降低转速的方法来调节风量，可以极大地降低消耗，发挥节能效果。

变频技术在民用电厂等各个领域中得到广泛应用。核电厂中变频技术的应用还处于起步阶段，主要应用在外围辅助支持系统中，如各个核电厂电站配套设施(balance of plant,BOP)子项目中对某些非安全级风机或泵改造成变频控制[7]；AP1000机组中的主泵采用了6.9 kV、60 Hz高压变频器，同时核岛非放射性通风系统的非安全级风机采用了变频控制；田湾核电厂中部分核岛通风系统中非安全级风机也采用了变频控制等技术。

2 CAV系统设计

2.1 CAV系统功能

双层安全壳作为放射性物质向外排放的最后一道实体屏障，通过外层安全壳和内层安全壳组成的双重屏障及CAV的过滤排放功能来保证安全壳的密封性，从而缓解或降低事故后的放射性后果。CAV系统的主要功能是通过维持环形空间的负压(-300～-100 Pa)，保证来自内层安全壳内部的空气在排放前经过过滤，避免被污染的空气直接流向环境，从而限制在安全壳内部事故的情况下的厂外放射性。通过双层安全壳环形空间的滞留包容以及CAV通风系统的高效过滤作用，有效降低了事故向环境的释放量以及场外公众所接受的剂量，从而减轻了事故后果，符合社会大众对核电更高安全性能的期待。

2.2 CAV系统构成

安全壳环形空间通风系统由三个并联列——安全系列1(001ZV)、安全系列2(002ZV)、正常系列(003ZV)组成。正常运行系列在机组正常运行工况下运行；另两个安全系列在事故工况下运行，两个安全系列为冗余设计。正常运行系列除了维持安全壳环形空间的负压外，还可以监测外层安全壳的密封性能。在反应堆厂房事故工况下，正常运行系列被隔离，安全系列启动。CAT系统简化流程如图1所示。三个系列在布置上实现实体隔离。每个系列由排风机、电加热器、过滤器及相应阀门组成。

图1 CAV系统简化流程图

2.3 CAV安全分级要求

CAV系统的两个安全系列在事故工况下能将放射性废物的排放或释放限制在规定限制内，且为非承压设备，故其机械设备定义为安全有关级(LS)。这两个系列中包含的机械设备均为LS级。相应的电气仪控设备具有安全壳隔离作用，在事故工况下参与保护公众安全，相应定义为安全级(1E)。正常运行系列不执行安全功能，故定义为非安全级(NC*)(*为抗震要求)。

3 变频技术在CAV系统的应用

3.1 CAV系统控制方案

CAV系统的主要受控设备是排风机、加热器、隔离阀、放火阀。这些设备都是集中在核电厂DCS中进行逻辑控制，在主控制室实现监测和控制。主要监测仪表如下：差压变送器是为风机变频模式服务的，差压仪表是为保护相应风机设置的，温度仪表用于监测控制电加热器，差压表用于监测过滤器压力。为保证不同系列，可以在各种事故工况下顺利进行自动切换，控制系统被设计为在变频模式下按照正常系列→安全系列2→安全系列1的单向顺序自动切换。除冷停堆期间，正常工况下，在主控室手动启动正常系列风机变频模式，并保持连续运行。当风机正常运行时出现事故工况，系统立即由正常列切换到安全列。通过设置不同优先级的启、停指令，来保证自动切换逻辑的准确性和有效性。常见的事故工况分为如下四种情况，分别对应不同的控制逻辑[8]。事故工况下控制逻辑如图2所示。

图2 事故工况下控制逻辑示意图

3.1.1 辐射事故

当环形空间放射性水平超出阈值时，控制系统接收到辐射剂量高信号(1E级)。此时，控制系统立即切换到安全系列2，紧急启动(1E级)002ZV，同时辐射剂量高联锁关闭正常列隔离阀。即使紧急启动002ZV未有效，隔离阀关闭迫使003ZV停运，保护启动(NC*级)002ZV(NC*级命令)。假设002ZV仍然未能启动，还可以通过辐射剂量高信号延时4 s后紧急启动(1E级)或保护启动(NC*)两种方式启动001ZV。如果上述自动命令均无效，操作员可以在主控室直接手动启动002ZV或001ZV工频运行模式，禁止切换到003ZV工频模式。

环形空间辐射剂量超标是核电站运行期间假设出现的最严重事故。该控制方案涵盖了设计基准事故、设计扩展工况下系统的切换逻辑。即使切换到安全列风机的某一命令未能有效执行，通过多路冗余设计的补偿纠正，使控制系统可以顺利地执行相关安全命令。该控制逻辑体现了设计多样化及纵深防御的原则。

3.1.2 失电事故

CAV系统正常系列003ZV和安全系列A 001ZV由低压交流应急电源380 V系统系列A供电，安全系列B 002ZV由低压交流应急电源380 V系统系列B供电。当供电列A列失电时，正常列003ZV和安全列1均失电，003ZV停运后自动保护启动002ZV变频模式。如果保护启动未能生效，需要操作员手动启动002ZV工频模式。反之，当供电列B列失电时，002ZV停运，系统自动保护启动001ZV变频模式。如果保护启动未能生效，需要操作员手动启动001ZV工频模式。当两列供电都失去时，由应急柴油发电机加载提供后备应急电源。

3.1.3 火灾情况

按照单一故障准则的设计要求，不同系列的风机布置在不同的防火空间。当火灾探测系统发出报警信号时，相应防火分区的防火阀自动关闭以切断火源。任一防火阀关闭的同时，联锁停运相同列的风机。

3.1.4 正常列故障

正常列设备故障，造成003ZV停运，系统自动保护启动002ZV变频模式。若002ZV未能启动，将保护启动001ZV变频模式，同时操作员应及时检查003ZV和002ZV故障原因。当003ZV故障排除，且无其他异常工况，操作员可在主控室手动重新启动003ZV变频模式，停运002ZV或001ZV，将风机复位至正常系列。

3.2 风机的变频控制

CAV系统的风机需要常年连续运行，且需要时时调整环形空间负压状态。为避免造成电能损耗和频繁开停机带来的电流冲击，CAV系统的离心风机采用了变频控制，根据环形空间压力变化，采用变频器实时调节风机运行速度，以实现精准控制环形空间负压的目的。由于CAV属于安全级系统，但是目前国内外市场上没有满足核级标准的变频器和相应的变频柜，而非安全级的变频柜又不能满足事故工况下的设计要求。为解决此问题，经过详尽的分析与讨论，采用了满足抗震要求(NC*)的变频控制柜和核级(1E)工频控制旁路柜联合控制的方法来实现控制要求。

3.2.1 变频和工频联合控制方案

变频器是数字化控制设备，内置数字PID控制器，可实现恒压力、恒流量控制。变频模块部分采用标准化设计，结构紧凑，通用性和互换性较强。电机工频控制的实质是一个旁路系统。当变频器出现故障、负载电机失去变频器调速控制时，可手动断开变频单元并切换到工频控制模式，实现按照负载满功率运行，保证执行系统安全功能。风机变频与工频联合控制简图如图3所示。风机的变频模式和工频模式既相互独立，又相互联系。主电源接线端子、继电器、断路器等均安装在旁路柜中，保证1E级供电电源的可靠性。变频器、PLC控制器和一些控制端子布置在变频柜内。

图3 风机变频与工频联合控制简图

图3中，虚线框代表布置在旁路柜内，接触器3KM和4KM互为连锁，且分别独立控制风机运行。当接触器3KM闭合时，接触器4KM断开，风机处于变频模式；当接触器4KM闭合时，接触器3KM断开，风机处于工频模式。CAV的每台风机对应一个变频器柜和一个旁路柜。CAV就地柜分级情况如表1所示[9]。DCS控制柜将开关命令送至就地变频柜和旁路柜，控制逻辑在就地柜内完成。两个就地控制柜通过不同的方式实现对风机的控制，满足不同工况下风机的控制要求。

表1 CAV就地柜分级表

注：*仅对硬件部分有此要求，对软件无要求

3.2.2 变频柜和旁路柜功能描述

变频器柜内的变频器根据压力信号调节控制风机电机的转速，设置变频器参数来控制风机的运行频率。变频器柜体上布置显示和操作设备，如按钮、仪表、指示灯或者操作面板和显示设备等，直观显示变频器和负载运行状态和参数，实现对变频器柜工作状态的实时监测，方便操作人员就地控制。CAV变频控制系统如图4所示。

图4 CAV变频控制系统图

旁路柜(包括标准的开关配电盘)完成风机电源供电功能，同时在变频器故障时可以手动由变频切换到工频。旁路柜设置就地/远程切换开关。为保证安全性，在主控室和后备盘上设置从变频柜切换至旁路柜的切换命令。

3.2.3 变频柜和旁路柜的切换控制

CAV三个系列的控制逻辑流程是一样的。以正常列为例，其控制逻辑流程如图5所示。

图5 控制逻辑流程简图

在正常工况下，在主控室手动启动正常系列003ZV风机变频模式，环形空间与外界大气的差压003MP信号被采集至DCS，经DCS转送至003ZV变频柜。在变频柜内，差压值信号被转换为不同频率，驱动风机以不同的转速运转，并同时将风机状态信息从变频柜传输至DCS。当发生异常工况(如环形空间辐射超标、003ZV变频模式失效等)时，控制系统设置为：在变频模式下按照正常系列(003ZV)→安全系列2(002ZV)→安全系列1(001ZV)的单向顺序自动切换。在切换过程中，如果设备故障或者自动切换不成功，系统将发出报警信息提示主控室操纵员及时排除故障。

在三个系列变频器驱动风机模式都失效的情况下，操作人员在主控室或后备盘将风机手动切换至002ZV或001ZV工频运行模式。只有在002ZV或001ZV工频模式都损坏，且确认环形空间没有发生放射性污染的情况下，才可以将风机切换至003ZV工频运行模式。操作员发出的命令由DCS发送至旁路柜，风机在工频模式下满功率运行，同时风机的状态信息由旁路柜传送至DCS显示。

4 结束语

双层安全壳是华龙一号设计的一大亮点，而CAV系统是保证这个特色功能设计的重要系统。CAV系统在任何工况下维持环形空间内的负压状态，而且当发生辐射泄漏事故时执行安全功能，因此安全理念贯穿整个控制系统的每一处细节设计中。根据环形空间内压力变化，采用变频器连续调节风机运行速度，是一种行之有效的解决方式。

针对目前国内核电站未将变频器技术应用于安全级通风系统的现状，在深入研究工艺流程特点基础上，大胆尝试在安全级通风系统中引入变频器控制方式，同时设计两种工作模式，使风机通过两种不同的驱动方式运转。振动方式既实现了工艺系统的设计要求，又达到了节能降耗的目的。CAV系统设计工作已完成，有待于进一步现场调试和实际运行。