秦山核电厂黑启动方案探析

陈 望

(中核核电运行管理有限公司，浙江 海盐 314300)

随着电力技术的进步和经验的积累，我国电力系统运行的安全性在逐年提高，基本杜绝了电力系统稳定性破坏和大面积停电事故。但极端自然灾害等各类不确定性因素，仍在严重威胁电力系统安全。外部电力系统的稳定对核电厂的安全至关重要，2011年的日本福岛核事故即是例证。为应对可能发生的电力系统大规模故障，制定切实可行的方案，采取有效措施实现局部孤立系统的黑启动，对系统的快速恢复和减少事故造成的损失具有重要意义。为此，国标《电力系统安全稳定导则(GB 755—2019)》明确要求各电力系统必须编制电力系统全停后的恢复方案(包括黑启动方案)[1]。作为电力系统的重要环节，核电厂也应预先制定可行的黑启动应急方案，以缩短事故处理时间。

黑启动是指某区域电力系统因故障全部停电后，利用本系统内的动力(柴油机、水力资源等)或外部电源，带动无自启动能力的发电机组完成启动，达到额定转速并建立正常电压，并有步骤地恢复部分系统运行和用户供电，最终实现整个系统恢复运行的过程[2]。总体上，实现黑启动主要包括准备、电力系统恢复和电力负荷恢复等三个阶段[3]。

(1)准备阶段

1)电力系统调度根据所掌握的信息，判断系统已发生大面积停电，并完成停电范围确认。

2)电力系统内各发电厂、电站自行启动事故备用电源(柴油机或蓄电池)，确保主发电机、主设备安全，保证直流操作电源及通信、监控系统电源。

3)在确定本系统须进行黑启动时，各发电厂、电站按照调度指令及应急预案，将相关开关、刀闸置于可控状态，以保证系统迅速、可靠恢复。

(2)电力系统恢复阶段

1)电力系统各分区中具备黑启动能力的机组实现自启动；

2)由黑启动机组通过输电线路建立小系统；

3)小系统建立后扩大、合并为大系统。

(3)电力负荷恢复阶段

1)部分电力系统重新建立后，尽快向临近发电厂、电站供电，帮助其实现重新启动；

2)按次序恢复有关线路，不断增加黑启动分区内的负荷，实现黑启动分区之间的互联；

3)逐步恢复整个电力系统的供电。

本文根据浙江电网实际配置，以及秦山核电厂1号机组(简称“秦山一期”)技术规格书、相关法规及管理规定，对发生全网断电事故期间秦山一期实现黑启动的方案进行探讨，为确保厂用电，加快事故处理，实现反应堆和发电机组重新启动、并网提供指导，以提高电厂的应急响应能力，降低核安全风险。

1 秦山核电厂交流电源配置情况介绍

1.1 厂外交流电源

秦山一期共配置三条220 kV线路：秦塘2P59 线、秦跃2428 线和秦立2424 线。三条线路分别通过两条分列运行的220 kV母线(Ⅰ母、Ⅱ母)与浙江电网相联：秦塘2P59 线与海塘变联络，秦跃2428 线与跃新变联络，秦立2424 线与立峰变联络。秦塘 2P59线、秦跃 2428线接于Ⅰ母，秦立 2424 线接于Ⅱ母，两条220 kV母线的联络开关保持断开。秦山核电厂220 kV系统配置情况见图1。

图1 秦山核电厂220 kV系统一次主接线图Fig.1 Main wiring of the 220 kV system of the primary circuit of Qinshan nuclear power plant

1.2 厂内交流电源

除厂外交流电源和秦山一期350 MW发电机组自身的供电能力外，秦山一期厂内交流电源共配置3台安全级的应急柴油发电机(EDG)，可在电厂发生失去厂外交流电源且发电机失效的事故工况下，分别通过A、B通道向厂内安全级的6 kV安全母线供电。其中，1号和3号EDG分别对应6 kV安全Ⅰ段和安全Ⅱ段母线。2号EDG可根据工况，通过切换柴油发电机出口开关，替换不可用的1号或3号EDG，向6 kV安全Ⅰ段或安全Ⅱ段供电。

此外，在福岛事故发生后，为应对假想的极限事故，秦山一期还新增了非安全级的辅助交流柴油发电机(AAC)，可在事故工况下代替EDG向6 kV安全母线供电。并新增了数台柴油机驱动的6 kV和380 V电压等级的中、低压移动电源车，必要时可向对应母线供电。

1.3 技术规格书及管理程序对交流电源配置的规定

相对火电厂，为确保核安全，核电机组对电厂交流电源的配置及可运行性的要求非常严格。秦山一期技术规格书规定的运行限制条件，以及反应堆启动相关管理程序对电厂交流电源的配置及可运行性规定如下：

1)功率运行期间，在厂外输电网(即浙江电网)与厂内1E级配电系统(即6 kV安全母线)之间有两条相互独立的线路(即220 kV Ⅰ母、Ⅱ母)。

2)发生厂外交流电源丧失故障时，如24 h内不能恢复至少一路独立厂外电源(或72 h内不能恢复二路独立厂外电源)运行，需在6 h内后撤至中间停堆A阶段(即技术规格书中规定的4A模式，此时冷却剂系统温度应维持在280～180 ℃，压力维持在15.2～2.94 MPa)，并在随后的30 h内后撤至冷停堆模式。

3)在不具备两条独立厂外电源时，不能进行反应堆临界和机组并网操作。

此外，根据电厂核应急相关管理程序，发生失去厂外交流电源事故后，需根据故障情况判断应急状态等级，及时采取相应行动。若厂外交流电源较长时间内不能恢复，须根据恢复时间提升应急响应等级，最高可至厂外应急。

2 发生全网停电故障后的初始响应

浙江电网一旦发生全网停电事故，秦山一期三条220 kV输电线路将全部跳闸，保护装置随之动作，电厂将甩去全部外部负荷进入孤岛运行状态(发电机组与外电网脱开连接，仅带电厂自身负荷运行)。如机组能维持孤岛运行状态，则反应堆及发电机组均保持运行，保障自身负荷，等待电网恢复。如因保护装置动作失效或机组状态控制等原因导致甩负荷失败，或因外电源长期无法恢复而被迫进行模式后撤，发电机自动或被迫手动停机，反应堆将随之停堆。

针对上述情况，在发生电网全部停电事故时，当班运行人员应立即根据实际工况选择执行以下两个步骤，以确保厂用电。

2.1 机组甩负荷到孤岛运行状态

1)立即执行电厂应对甩负荷事故的专门规程，并确认主变高压侧开关2001M已跳闸。若2001M开关未跳闸，则手动断开之，使机组导向孤岛运行模式。

2)密切联系浙江省调，确认事故情况。

3)执行技术规格书运行限制条件要求，确认EDG可用。

4)维持机组在孤岛运行状态，此时应注意尽量减少设备启停引起的负荷波动。

若外电源长时间无法恢复，根据技术规格书要求，反应堆需在规定时限内后撤至4A模式，直至冷停堆模式。如确定需执行后撤模式操作，则执行以下步骤：

1)手动启动A、B通道的两台EDG，切除6 kV安全段母线上不必要的负荷后，将6 kV安全段母线由发电机组供电改为由EDG供电。

2)手动将380 V保安段电源切至由380 V安全段供电，确保二回路直流及汽轮机润滑油相关设备供电正常，确保汽轮机停机安全。

3)停止不必要的电厂负荷后，执行手动停堆操作。

4)停堆后，机组联锁停机，主泵失电停运，且厂内除6 kV安全段由EDG供电外均失电。立即执行电厂停堆响应等事故处理规程，并进行机组的降模式操作。

5)等待浙江省调指示，执行后续黑启动相关步骤。

2.2 机组甩负荷失败

1)机组甩负荷失败后，发电机停机，反应堆联锁停堆，立即执行事故处理规程稳定电状态。

2)此时电厂交流电源仅剩余后备交流电源EDG或AAC，应及时确认EDG自动启动向安全段供电正常，否则手动启动EDG或AAC向安全段供电。

3)执行技术规格书相关要求，将机组后撤至相应模式。

4)密切联系浙江省调，确认事故情况，并根据省调指令，执行后续黑启动相关步骤。

3 黑启动准备阶段工作步骤及注意事项

3.1 工作步骤

浙江电网调度判明已发生大面积停电及停电范围，开始启动黑启动流程后，电厂根据调度指令，执行以下黑启动准备阶段工作步骤：

1)确保6 kV安全段母线由EDG或AAC供电正常。

2)确认380 V安全段由6 kV安全段母线供电正常。

3)确认一回路220 V直流系统、24 V直流系统由对应安全电源供电正常。

4)确认二回路220 V直流系统由380 V保安段供电正常。

5)根据省调指令，将电厂黑启动路径上的秦塘2P59、秦立2424、秦跃2428等相应线路开关和闸刀置于相应状态。

6)若执行过程中，发生EDG或AAC跳闸，导致6 kV安全电源失去，造成全厂失电，则立即申请使用中、低压移动电源车，向6 kV AAC段、380 V安全段供电。

3.2 注意事项

1)发生电网全部停电时，电厂应根据省调指令，保留部分开关、闸刀在合闸位置，使其不需要操作即可受电。

2)事故处理期间，当班值应加强对直流系统的监视和维护，切除不必要的直流负荷，尽量延长直流电源的供电时间，保证电力通信、自动化、继电保护、安全自动装置和控制操作等基本负荷的供电。

3)孤岛运行期间，必须严密监视220 kV母线电压、频率，频率控制在(50±0.2)Hz以内，电压控制在225～235 kV。出现异常时应依据浙江省电力系统调度控制管理规程及时处理。

4)孤岛运行期间，原则上不考虑孤岛运行对汽轮机的损害，以技术规格书允许的最长时间维持孤岛运行。

4 厂外交流电源恢复路径及实现黑启动流程

4.1 厂外交流电源恢复路径

浙江天荒坪抽水蓄能电厂4 号机组是秦山核电厂所处系统内，经验证并经主管单位确认具备黑启动能力的机组。根据《华东电力系统黑启动方案(2019年版)》和华东电网主网黑启动恢复路径图(见图2)，秦山核电厂的厂外电源共有两路恢复路径，分别如下：

1)天荒坪4号机经500 kV Ⅰ段母线、天瓶5405线至瓶窑500 kV Ⅰ段母线，再经瓶王5431 线至王店500 kV Ⅱ段母线(带王店2号主变及其2组低抗)，然后由王店2号主变送220 kV母线至跃新变，再经秦跃2428线送至秦山一期。

2)天荒坪4号机经500 kV Ⅰ段母线、天瓶5405 线至瓶窑500 kV Ⅰ段母线，经瓶王5431 线，再经王由5442线至由拳500 kV Ⅱ段母线(带由拳3号主变)，经拳双4R30线至双山变(带主变)，再经双立2405线至立峰变(带主变)，再经秦立2424线送至秦山一期。

4.2 厂外交流电源恢复步骤

浙江电网利用天荒坪电厂4号机组执行黑启动后，电厂恢复厂外电流程如下：

1)浙江省调确认王店220 kV、跃新、秦山核电厂、由拳220 kV、双山、立峰等线路及各相关发电厂、电站相关开关状态负荷要求。

2)天荒坪柴油发电机已启动，4号机为备用状态，具备零负荷启动升压的条件。

3)天荒坪用4 号机对局域电网进行零负荷启动升压。

4)天荒坪4 号机出力达到250 MW 以上，且上述发电厂、电站构成的小系统频率及各点电压均合格后，浙江省调许可秦山一期恢复部分必要的负荷。

4.3 秦山一期实现黑启动步骤

在黑启动恢复阶段，结合秦山一期事故规程体系，可根据实际工况采取以下恢复步骤：

(1)孤岛运行状态下的黑启动步骤

1)秦跃2428、秦塘2P59、秦立2424等三条220 kV线路，任一线路具备恢复条件时，经浙江省调许可后及时恢复运行。

2)220 kVⅠ母和220 kV Ⅱ母均恢复运行，满足技术规格书对于交流电源的配置要求后，经浙江省调许可，可进行汽轮发电机组经主变高压侧开关2001M同电网并网操作。并网后应严密监视发电机及220 kV母线电压、频率等重要参数，控制机组状态，防止由于系统不稳造成发电机跳闸或反应堆停堆，出现二次事故。

3)经省调许可，机组逐步进行升负荷，增加所在电力系统内的电源处理，帮助系统内的负荷逐级恢复。

(2)停机停堆状态下的黑启动步骤

如机组已停机停堆，则按以下步骤恢复220 kV厂外电源，并逐级将厂内电源恢复由厂外电源供电，实现机组启动：

1)具备恢复一条220 kV厂外线路条件时，经省调许可，经220 kV Ⅰ母将高压厂变由冷备用改充电状态。

2)通过高压厂变逐级恢复厂内负荷至正常供电，使得厂内重要负荷可以根据需要启动运行，如主泵、主给水泵、凝泵、凝升泵、工业水泵等。

3)将6 kV安全段母线由EDG或AAC供电恢复至正常供电。

4)具备恢复另一条220 kV厂外线路条件时，经省调许可恢复至220 kV Ⅱ母运行。

5)核实已满足技术规格书要求确认机组已满足启动条件，进行机组升模式至热停堆。

6)经批准后，进行反应堆达临界操作。

7)执行汽轮机冲转。

8)经省调许可，执行发电机并网及升负荷操作。

5 结束语

秦山一期自1991年投运以来，仅进行过甩负荷带厂用电运行和短时间失去全部厂外电源的调试试验，未经历过外部电力长时间全部丧失后进行黑启动的验证，缺少相关经验。电厂现有的规程体系也没有针对此工况的明确指导。因此应加强对运行人员对相关技术资料和经验反馈的培训，利用全范围模拟机等技术手段，模拟事故场景，加强突发瞬态下机组状态控制的练习，掌握电厂黑启动的操作要点，以便故障真实发生时能更从容地应对。