“华龙一号”核电机组应对全厂断电时间能力分析与评价

2021-03-05覃红玉尹小丽

核科学与工程 2021年1期

盛龙，覃红玉，尹小丽

（中国核电工程有限公司，北京 100840）

核电厂全厂断电（SBO）是指电厂失去所有厂外电源同时汽轮机脱扣，且厂内应急交流电源不可用。SBO作为一种设计扩展工况可能会发展为堆芯熔化、安全壳超压失效等严重事故[1]。目前，国内大部分文献主要是定性的分析核电厂应对 SBO的处理策略[2-9]，对于核电厂可接受的最小SBO时间能力少有量化的分析与研究。然而针对厂外电源较为脆弱，气候较为恶劣的厂址，应量化计算出该时间能力，用作评价核电厂应对SBO能力的重要依据和准则。本文根据NB/T 20066—2012，通过建立核电厂可接受的最小SBO时间能力的数学计算模型，实现对核电厂应对SBO时间能力的定量分析与评价。该数学模型适用于轻水堆核电厂，同样可用于“华龙一号”等压水堆核电厂借鉴与参考。

1 可接受的最小全厂断电时间能力的计算模型

核电厂可接受的最小SBO时间能力是指核电厂能承受规定最小时间T0的全厂断电，并从SBO中恢复的能力。在规定最小时间内，核电厂在没有交流电源的情况下也能排出余热和保持安全壳完整性。如果该电厂应对SBO的实际能力明显小于可接受的最小时间，则需要采取必要的变更措施以加强电厂应对 SBO的能力[10]。根据NB/T 20066—2012，核电厂可接受的最小 SBO时间T0的计算是基于电厂的以下特性：

（1）应急交流电源（EAC）的配置；

（2）单元机组应急柴油发电机（EDG）可靠度指标；

（3）厂外电源设计特性。

综合以上特性参数，搭建计算T0的数学模型，其计算流程图如图1所示。

图1 核电厂可接受的最小SBO时间能力计算流程图Fig.1 Flow chart for calculating the minimum acceptable SBO duration capability

其中EAC配置由厂内应急交流电源系统的冗余度水平决定，其组别GI可以分为A、B、C、D四组；单元机组EDG可靠度指标由核电厂每台EDG的可靠度大小决定，其组别GⅡ可分为0.95和 0.975两组；厂外电源设计特性由厂址气象条件和厂外电源特性决定，其组别GⅢ可分为P1、P2、P3三组。以上特性参数的不同组合决定T0的大小，T0的分类树如图2所示。

图2 核电厂可接受的SBO时间能力分类树Fig.2 Classification tree of the minimum acceptable SBO duration capability

以下为特性参数的计算及判别方法。

1.1 EAC配置组别

EAC配置组别GI由应急交流电源数目m1及余热排出系统运行所需应急交流电源数目n1共同决定。GI的判定分类树如图3所示。

图3 EAC配置组别分类树图Fig.3 Classification tree of the EAC configuration group

1.2 机组EDG可靠度指标

核电机组EDG可靠度指标R，需结合EAC的配置组别，将单元机组EDG对应最后20次、50次、100次指令的可靠度平均值与给定的指标进行比较判定得出，R的判定树如图4所示。

图4 EDG可靠度指标分类树Fig.4 Classification tree of the EDG reliability level

每台EDG可靠度r的大小取决于EDG的启动可靠性rs和带载运行可靠性ro，具体计算方法如下：

其中：

1.3 厂外电源设计特性组别

核电厂厂外电源设计特性组别GⅢ的影响因素包括：厂址的恶劣天气GⅢ-1、极端恶劣天气GⅢ-2、厂外电源独立性GⅢ-3、恶劣天气恢复性GⅢ-4。其中GⅢ-1、GⅢ-2由厂址气象条件决定，可划分为1～5组；GⅢ-3、GⅢ-4由厂外电源特性决定，可分别划分为 1～3组和 1～2组。以上因素的不同组合决定厂外电源设计特性组GⅢ。GⅢ的分类树如图5所示。

GⅢ各个影响因素分组的判别方法如下。

（1）恶劣天气分组

恶劣天气组别 GⅢ-1由恶劣天气导致厂外电源丧失的预计频度f（单位：年每厂址）的大小来确定。影响f的要素包括厂址的气象条件；厂址输电线路的设计通路；开关站的盐雾侵蚀程度。

图5 厂外电源设计特性组别分类树Fig.5 Classification tree of the off-site power design characteristics

具体计算公式如下：

对于输电线从开关站沿 2条或多条通路向不同方向延伸时，系数b取12.5；对于输电线沿一条通路延伸的厂址，系数b取72.3。对于开关站不易被盐雾侵蚀的厂址，c取 0；对于开关站易被盐雾侵蚀，系数c取0.78。GⅢ-1分类树如图6所示。

图6 恶劣天气组别分类树Fig.6 Classification tree of the severe weather group

（2）极端恶劣天气分组

极端恶劣天气组别GⅢ-2由风速大于201 km/h的厂址风暴年期望值e的大小来确定。GⅡ-4分类树如图7所示。

图7 极端恶劣天气组别分类树Fig.7 Classification tree of the extremely severe weather group

（3）厂外电源独立性分组

厂外电源独立性分组GⅢ-3由厂外独立交流电源回路数n2、厂外电源电气独立性以及IE级母线电源切换模式共同决定。其中厂外电源独立性是指通过两条或多条线路与电厂连接的厂外电源，至少存在一个交流电源与其他交流电源在电气上是独立的。IE级母线电源切换模式是指在LOOP工况下，安全停堆母线是以自动或手动方式切换为替代电源或优先电源供电。GⅡ-3的判定分类树如图8所示。

图8 厂外电源独立性分组的分类图Fig.8 Classification tree of the off-site power dependence

（4）恶劣天气恢复性分组

恶劣天气恢复性分组GⅢ-4由恶劣天气导致厂外电源失去后的恢复时间tre决定。如果厂址在恶劣天气导致厂外电源失去后，具有 2 h之内恢复厂外交流电源的能力和程序时，则判定为恢复性强的厂址，GⅢ-4组别定义为1，否则GⅢ-4定义为2。

2 实例计算

本文选取国内某“华龙一号”堆型核电机组用作实例计算。由于该核电厂的地理位置易遭受台风袭击，且当地电网较国内其他电网可靠性偏低，有必要对核电厂可接受的最小SBO时间能力进行分析与计算。本文根据“华龙一号”堆型应急电源配置方案，并收集特定厂址气象参数及厂外电源信息，完成该核电厂可接受的最小SBO时间能力的计算，具体参数信息如表1所示。

表1 可接受的最小SBO时间能力计算的相关参数Table 1 Parameters for calculating the minimum acceptable SBO duration capability

续表

综合表1的相关数据进行分析计算，可得该核电厂应急交流电源配置组别GⅠ为C组，机组EDG可靠度指标GⅡ为0.975，厂外电源设计特性组别GⅢ为P3组（其中恶劣天气组别GⅢ-1为5，极端恶劣天气GⅢ-2组别为3，厂外电源独立性GⅢ-3的类别为1，恶劣天气恢复性GⅢ-4组别为2）。根据图2给出的核电厂可接受的全厂断电时间能力的相应标准，最终确定特定核电厂可接受的SBO时限能力T0为8 h。

3 特定核电厂应对全厂断电能力的评价

SBO事故后核电机组运行的目标是，进行堆芯冷却，控制一回路水装量，进行事故后监测，并尽快恢复厂内应急电源。为实现上述目标，以下针对应对SBO所必需的系统和部件，对该核电厂应对SBO事故的能力进行评价，如表2所示。

表2 选定“华龙一号”核电厂应对SBO能力Table 2 SBO coping capability of the selected HPR1000 NPP

续表

根据表2的分析，“华龙一号”堆型核电机组在SBO工况下，通过辅助给水系统可向蒸发器提供大于10 h的冷却水，至少可以承受10 h的全厂断电。而且“华龙一号”核电厂为辅助给水箱增加了应急补水通道，为蒸汽发生器增设了直接补水通道，可实现在长期失电情况下对蒸汽发生器的持续供水。从而可以继续以此方式运行持续排出堆芯余热72 h直至低压SBO电源燃油耗尽。另外，低压SBO电源设有两台柴油发电机组，若其中一台未能启动成功，还有另一台可用。在低压SBO电源柴油发电机组燃料用完之前，可通过应急燃料补给或通过厂区低压移动电源为水压试验泵继续供电，保证持续的轴封注入，进一步保证了核电厂在接入AAC电源前的堆芯冷却能力。此外，“华龙一号”必要时可投运非能动余热排出系统、非能动堆腔注水冷却系统、非能动安全壳热量导出系统。非能动系统所需的蓄电池，能够在事故后72 h内向非能动系统运行提供电源。同时，选定核电厂为应对SBO而制定的事故规程，可以指导操纵员采取正确的缓解措施，缓解事故后果，并及时恢复供电。

因此该核电厂应对 SBO时间能力远大于8 h，具有对可接受的SBO时间T0（8 h）的承受能力和恢复能力。