李 明,王 吉吉

(東北電力設(shè)計(jì)院,長(zhǎng)春 130021)

作為 AP1000堆型核電廠機(jī)組縱深防御支持系統(tǒng)之一的 220 kV備用電源系統(tǒng),在保障機(jī)組運(yùn)行的安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性、靈活性方面有著十分重要作用。雖然 AP1000采用了非能動(dòng)的安全設(shè)計(jì)理念,降低了堆芯熔化事故的概率,但為保證機(jī)組安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行,特別是事故 72 h后廠外交流電源的恢復(fù)供電,為核反應(yīng)堆安全停閉提供充足的備用電源支持仍然是十分必要的。因此,合理確定備用電源容量是核電廠前期設(shè)計(jì)工作的重要內(nèi)容之一。

1 核電機(jī)組備用電源功能[1]

按照 AP1000堆型核電廠的用戶要求文件(URD)和設(shè)計(jì)控制文件(DCD),AP1000堆型核電機(jī)組需要設(shè)置 2路外部電源,其中一路為優(yōu)先電源(PPS),來(lái)自電廠送出系統(tǒng)的 500 kV電網(wǎng);另一路為備用電源,來(lái)自廠址附近的 220 kV地區(qū)電網(wǎng)。

核電廠正常交流廠用電源來(lái)自發(fā)電機(jī)母線,一般由 2臺(tái)額定容量相同的高壓廠用變壓器(以下簡(jiǎn)稱高廠變)供給。當(dāng)主發(fā)電機(jī)不可用時(shí),則由優(yōu)先電源通過(guò)主變壓器和高廠變從開關(guān)站倒送,同時(shí)作為機(jī)組啟動(dòng)、正常停堆及緊急停堆的主電源。

當(dāng)主發(fā)電機(jī)及 500 kV優(yōu)先電源均不可用時(shí),則由 220 kV備用電源通過(guò)備用變壓器為機(jī)組正常停堆及緊急停堆的非安全級(jí)負(fù)荷提供電源,也可為機(jī)組啟動(dòng)、帶廠用負(fù)荷運(yùn)行提供電源。

由于 AP1000核反應(yīng)堆的相關(guān)安全設(shè)施采用非能動(dòng)技術(shù),故 500 kV優(yōu)先電源和 220 kV備用電源均無(wú)核安全相關(guān)功能的要求。

2 備用電源主要設(shè)計(jì)原則

根據(jù) GB/T 13177— 2008《核電廠優(yōu)先電源》及AP1000核反應(yīng)堆的相關(guān)設(shè)計(jì)控制文件對(duì)備用電源的要求,廠外備用電源設(shè)計(jì)應(yīng)遵循如下主要原則。

a．廠外主電源與備用電源應(yīng)由 2個(gè)實(shí)體獨(dú)立的系統(tǒng)(但路徑不一定分開)來(lái)保證,以盡量減少同時(shí)發(fā)生故障的可能性,所引接的系統(tǒng)應(yīng)有高度的可靠性,并具有足夠的容量。

b．廠外主電源與備用電源中的每一個(gè)電源均應(yīng)能使所有由其供電的廠用設(shè)備從一個(gè)電源切換到另一個(gè)電源時(shí)再加速或啟動(dòng)。

c．如果廠外主電源發(fā)生故障,備用電源應(yīng)能自動(dòng)投入運(yùn)行。

d．在多機(jī)組核電廠里,2臺(tái)或 2臺(tái)以上的機(jī)組可以共用優(yōu)先電源。共用電源應(yīng)能同時(shí)向共用該電源的每一機(jī)組所同時(shí)需要的負(fù)荷供電。

3 備用電源容量分析

3．1 AP1000交流廠用電系統(tǒng)

AP1000堆型核電廠交流廠用電系統(tǒng)(ECS)由10 kV中壓交流配電系統(tǒng)、380 V低壓負(fù)荷中心、380 V低壓電動(dòng)機(jī)控制中心、備用柴油發(fā)電機(jī)電源系統(tǒng)組成。ECS為非 1E系統(tǒng),不執(zhí)行任何與安全相關(guān)的功能。

10 kV交流配電系統(tǒng)共有 6段配電裝置(ES1、ES2、ES3、ES4、ES5、ES6)。其中 ES1、ES2段布置在核島附屬建筑物內(nèi),主要為反應(yīng)堆永久性非安全級(jí)重要負(fù)荷供電,每段都有 3個(gè)電源,正常電源來(lái)自每臺(tái)機(jī)組的高廠變。當(dāng)高廠變不可用時(shí),由備用變壓器供電。當(dāng) 2個(gè)電源都不可用時(shí),則由備用柴油發(fā)電機(jī)組供電。 ES3、ES4、ES5、ES6段布置在常規(guī)島汽機(jī)房?jī)?nèi),主要為機(jī)組的單元負(fù)荷及 BOP負(fù)荷供電,每段都有 2個(gè)電源,正常電源來(lái)自每臺(tái)機(jī)組的高廠變,當(dāng)高廠變不可用時(shí),由備用變壓器供電。

3．2 典型廠用負(fù)荷統(tǒng)計(jì)分析

通過(guò)分析 AP1000堆型的典型設(shè)計(jì)資料,并參考國(guó)內(nèi) AP1000堆型核電廠前期設(shè)計(jì)的相關(guān)資料,對(duì) AP1000堆型核電機(jī)組中壓交流廠用負(fù)荷的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果見表1。

表1 典型 10kV母線各段交流廠用負(fù)荷

3．3 AP1000堆型機(jī)組標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)運(yùn)行模式

AP1000堆型機(jī)組有 6種標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)運(yùn)行模式,即功率運(yùn)行 (模式 1)、啟動(dòng) (模式 2)、熱備用(模式3)、熱停堆 (模式 4)、冷停堆 (模式 5)、換料 (模式6)。這 6種標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)運(yùn)行模式根據(jù)機(jī)組的運(yùn)行環(huán)境、運(yùn)行中可能發(fā)生的事件大小、對(duì)核島安全危害的程度,可以按照預(yù)定的程序相互轉(zhuǎn)換。

4 單臺(tái)及多臺(tái)機(jī)組備用電源容量需求

4．1 單臺(tái)機(jī)組

單臺(tái)機(jī)組在不同的設(shè)計(jì)運(yùn)行模式下,廠用負(fù)荷的消耗容量相同。按照 AP1000堆型機(jī)組的 6種標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行模式,單臺(tái)機(jī)組廠用負(fù)荷初步估算見表2。

表2 單臺(tái)機(jī)組廠用負(fù)荷初步估算 MV A

4．2 多臺(tái)機(jī)組

核電廠一般都規(guī)劃多臺(tái)機(jī)組。通常情況下一期建設(shè) 2臺(tái)機(jī)組,后期擴(kuò)建至 4臺(tái)。為提高建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性,多臺(tái)機(jī)組往往采取共用廠外備用電源的模式建設(shè),因此,應(yīng)合理提出多臺(tái)機(jī)組的備用電源容量。

4．2．1 2臺(tái)機(jī)組備用電源容量估算

2臺(tái)機(jī)組運(yùn)行時(shí)往往是共用 1路廠外 220 kV備用電源,備用電源的容量應(yīng)能滿足 2臺(tái)機(jī)組各種組合運(yùn)行方式下的最大需要。按照 AP1000堆型單臺(tái)機(jī)組的 6種標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)運(yùn)行模式,2臺(tái)機(jī)組運(yùn)行時(shí)的各種組合模式需要的最大備用電源容量估算

a．組合 1：假設(shè) 2臺(tái)機(jī)組均處于運(yùn)行模式 1,其中 1臺(tái)機(jī)組廠用負(fù)荷由備用變提供;此時(shí)另一臺(tái)機(jī)組由于某種事件導(dǎo)致高廠變負(fù)荷快速切換至備用變運(yùn)行,則最大可能需要的備用電源容量為260 MVA。

b．組合 2：假設(shè) 1臺(tái)機(jī)組處于運(yùn)行模式 1,廠用負(fù)荷由備用變提供;另一臺(tái)機(jī)組處于運(yùn)行模式 2,廠用負(fù)荷由備用變提供,則可能需要的備用電源容量為169 MVA。

c．組合 3：假設(shè) 1臺(tái)機(jī)組處于運(yùn)行模式 1,廠用負(fù)荷由備用變提供;另一臺(tái)機(jī)組處于運(yùn)行模式 3,則需要的輔助電源容量為 194 MV A。

d．組合 4：假設(shè) 1臺(tái)機(jī)組處于運(yùn)行模式 1,廠用負(fù)荷由備用變提供;另一臺(tái)機(jī)組處于運(yùn)行模式 4,則需要的輔助電源容量為 169 MV A。

e．組合 5：假設(shè) 1臺(tái)機(jī)組處于運(yùn)行模式 1,廠用負(fù)荷由備用變提供;另一臺(tái)機(jī)組處于運(yùn)行模式 5,則需要的輔助電源容量為 152 MVA。

f．組合 6：假設(shè) 1臺(tái)機(jī)組處于運(yùn)行模式 1,廠用負(fù)荷由備用變提供;另一臺(tái)機(jī)組處于運(yùn)行模式 6,則需要的輔助電源容量為 142 MVA。

從目前已投運(yùn)的核電廠運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來(lái)看,組合 1、2的運(yùn)行方式僅存在理論上的可能,其他 4種組合運(yùn)行方式則比較常見。按照 2臺(tái)機(jī)組運(yùn)行時(shí)備用電源的容量需滿足各種運(yùn)行方式的最大需求的原則,組合 3的運(yùn)行方式需求最大,故 2臺(tái)機(jī)組運(yùn)行時(shí),220 kV備用電源最大需求容量可按照組合 3的運(yùn)行方式考慮。

4．2．2 4臺(tái)機(jī)組備用電源容量估算

4臺(tái)機(jī)組運(yùn)行時(shí)理論上存在更多種組合模式,對(duì)備用電源容量的需求也相應(yīng)增大。為簡(jiǎn)化分析,僅對(duì) 4臺(tái)機(jī)組運(yùn)行時(shí)可能出現(xiàn)的最大備用電源容量組合方式進(jìn)行分析,同時(shí)考慮外部 220 kV電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)供電的能力。目前國(guó)內(nèi)、國(guó)外并無(wú)多堆核電廠運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn),以下組合也只能對(duì)各種組合方式進(jìn)行理論分析,分析中不考慮同時(shí)有 2臺(tái)機(jī)組由備用變帶廠用電滿功率運(yùn)行模式。

a．組合 1：假設(shè) 4臺(tái)機(jī)組均處于運(yùn)行模式 1,其中 1臺(tái)機(jī)組廠用負(fù)荷由備用變提供;此時(shí)另三臺(tái)機(jī)組由于某種事件導(dǎo)致 1臺(tái)機(jī)組的高廠變負(fù)荷快速切換至備用變運(yùn)行,則需要的備用電源容量為260 MVA。

b．組合 2：假設(shè) 4臺(tái)機(jī)組均處于運(yùn)行模式 1,其中 1臺(tái)機(jī)組廠用負(fù)荷由備用變提供;此時(shí)另三臺(tái)機(jī)組由于某種事件導(dǎo)致 3臺(tái)機(jī)組全部后撤到模式 3運(yùn)行,則需要的備用電源容量為 322 MV A。

c．組合 3：假設(shè) 4臺(tái)機(jī)組均處于運(yùn)行模式 1,由于某種事件導(dǎo)致 4臺(tái)機(jī)組全部后撤到模式 3運(yùn)行,則需要的備用電源容量為 256 MV A。

d．組合 4：假設(shè) 4臺(tái)機(jī)組中 2臺(tái)處于運(yùn)行模式1,且 1臺(tái)機(jī)組的廠用負(fù)荷由備用變提供;另二臺(tái)機(jī)組處于模式 4,則需要的備用電源容量為208 MVA。

e．組合 5：假設(shè) 4臺(tái)機(jī)組中 2臺(tái)處于運(yùn)行模式1,且 1臺(tái)機(jī)組的廠用負(fù)荷由備用變提供;另二臺(tái)機(jī)組處于模式 5,則需要的備用電源容量為174 MVA。

從上述 4臺(tái)機(jī)組的可能的運(yùn)行方式來(lái)看,組合2需要的備用電源容量最大,故 4臺(tái)機(jī)組運(yùn)行時(shí)備用電源最大需求容量可按照 322 MVA考慮。

5 在建 AP1000核電廠備用電源容量估算

目前國(guó)內(nèi)在建的 AP1000堆型核電機(jī)組共有 4臺(tái),即浙江三門核電廠 1、2號(hào)機(jī)組和山東海洋核電廠 1、2號(hào)機(jī)組,2個(gè)廠址規(guī)劃裝機(jī)總?cè)萘烤鶠?6×1407 MW。備用電源容量由美國(guó)西屋公司設(shè)計(jì)提出,根據(jù)調(diào)研收集的資料,3到 4臺(tái)機(jī)組時(shí),從廠外220 kV系統(tǒng)引接 1路備用電源,5到 6臺(tái)機(jī)組時(shí),考慮到機(jī)組的安全,再引接 1路 220 kV備用電源。首期 2臺(tái)機(jī)組時(shí),220 kV備用電源容量是按照 1臺(tái)機(jī)組備用變帶廠用負(fù)荷為機(jī)組容量的 7%,另 1臺(tái)機(jī)組冷停堆,備用容量為單臺(tái)機(jī)組容量的 2%估算,即2臺(tái)機(jī)組需要的備用電源容量為 126．6 MV A;4臺(tái)機(jī)組時(shí),220 kV備用電源容量按照 1臺(tái)機(jī)組廠用負(fù)荷由備用變提供,即 2×88 MVA;另三臺(tái)機(jī)組中 1臺(tái)機(jī)組正常運(yùn)行,1臺(tái)機(jī)組計(jì)劃停堆,1臺(tái)機(jī)組非計(jì)劃停堆。4臺(tái)機(jī)組需要的備用電源容量為232 MVA。由此可見,美國(guó)西屋公司對(duì) AP1000機(jī)組需要的備用電源容量估算方法較為簡(jiǎn)單,但是否能滿足機(jī)組縱深防御的需要有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù) AP1000核電廠的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)運(yùn)行模式,針對(duì)反應(yīng)堆不同的運(yùn)行工況分別估算最大廠用負(fù)荷,從而確定在失去主電源情況下由備用電源帶非安全相關(guān)的、重要的停堆廠用電負(fù)荷運(yùn)行時(shí)備用電源容量的最大需求。與美國(guó)西屋公司的估算方法相比,采用這一方法確定的備用電源的容量更切合核電廠的實(shí)際運(yùn)行。

[1]林誠(chéng)格．非能動(dòng)安全先進(jìn)核電廠 AP1000[M]．北京：原子能出版社,2008．