陳 望

(中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300)

隨著電力技術(shù)的進步和經(jīng)驗的積累，我國電力系統(tǒng)運行的安全性在逐年提高，基本杜絕了電力系統(tǒng)穩(wěn)定性破壞和大面積停電事故。但極端自然災害等各類不確定性因素，仍在嚴重威脅電力系統(tǒng)安全。外部電力系統(tǒng)的穩(wěn)定對核電廠的安全至關重要，2011年的日本福島核事故即是例證。為應對可能發(fā)生的電力系統(tǒng)大規(guī)模故障，制定切實可行的方案，采取有效措施實現(xiàn)局部孤立系統(tǒng)的黑啟動，對系統(tǒng)的快速恢復和減少事故造成的損失具有重要意義。為此，國標《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導則(GB 755—2019)》明確要求各電力系統(tǒng)必須編制電力系統(tǒng)全停后的恢復方案(包括黑啟動方案)[1]。作為電力系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，核電廠也應預先制定可行的黑啟動應急方案，以縮短事故處理時間。

黑啟動是指某區(qū)域電力系統(tǒng)因故障全部停電后，利用本系統(tǒng)內(nèi)的動力(柴油機、水力資源等)或外部電源，帶動無自啟動能力的發(fā)電機組完成啟動，達到額定轉(zhuǎn)速并建立正常電壓，并有步驟地恢復部分系統(tǒng)運行和用戶供電，最終實現(xiàn)整個系統(tǒng)恢復運行的過程[2]?？傮w上，實現(xiàn)黑啟動主要包括準備、電力系統(tǒng)恢復和電力負荷恢復等三個階段[3]。

(1)準備階段

1)電力系統(tǒng)調(diào)度根據(jù)所掌握的信息，判斷系統(tǒng)已發(fā)生大面積停電，并完成停電范圍確認。

2)電力系統(tǒng)內(nèi)各發(fā)電廠、電站自行啟動事故備用電源(柴油機或蓄電池)，確保主發(fā)電機、主設備安全，保證直流操作電源及通信、監(jiān)控系統(tǒng)電源。

3)在確定本系統(tǒng)須進行黑啟動時，各發(fā)電廠、電站按照調(diào)度指令及應急預案，將相關開關、刀閘置于可控狀態(tài)，以保證系統(tǒng)迅速、可靠恢復。

(2)電力系統(tǒng)恢復階段

1)電力系統(tǒng)各分區(qū)中具備黑啟動能力的機組實現(xiàn)自啟動；

2)由黑啟動機組通過輸電線路建立小系統(tǒng)；

3)小系統(tǒng)建立后擴大、合并為大系統(tǒng)。

(3)電力負荷恢復階段

1)部分電力系統(tǒng)重新建立后，盡快向臨近發(fā)電廠、電站供電，幫助其實現(xiàn)重新啟動；

2)按次序恢復有關線路，不斷增加黑啟動分區(qū)內(nèi)的負荷，實現(xiàn)黑啟動分區(qū)之間的互聯(lián)；

3)逐步恢復整個電力系統(tǒng)的供電。

本文根據(jù)浙江電網(wǎng)實際配置，以及秦山核電廠1號機組(簡稱“秦山一期”)技術(shù)規(guī)格書、相關法規(guī)及管理規(guī)定，對發(fā)生全網(wǎng)斷電事故期間秦山一期實現(xiàn)黑啟動的方案進行探討，為確保廠用電，加快事故處理，實現(xiàn)反應堆和發(fā)電機組重新啟動、并網(wǎng)提供指導，以提高電廠的應急響應能力，降低核安全風險。

1 秦山核電廠交流電源配置情況介紹

1.1 廠外交流電源

秦山一期共配置三條220 kV線路：秦塘2P59 線、秦躍2428 線和秦立2424 線。三條線路分別通過兩條分列運行的220 kV母線(Ⅰ母、Ⅱ母)與浙江電網(wǎng)相聯(lián)：秦塘2P59 線與海塘變聯(lián)絡，秦躍2428 線與躍新變聯(lián)絡，秦立2424 線與立峰變聯(lián)絡。秦塘 2P59線、秦躍 2428線接于Ⅰ母，秦立 2424 線接于Ⅱ母，兩條220 kV母線的聯(lián)絡開關保持斷開。秦山核電廠220 kV系統(tǒng)配置情況見圖1。

圖1 秦山核電廠220 kV系統(tǒng)一次主接線圖Fig.1 Main wiring of the 220 kV system of the primary circuit of Qinshan nuclear power plant

1.2 廠內(nèi)交流電源

除廠外交流電源和秦山一期350 MW發(fā)電機組自身的供電能力外，秦山一期廠內(nèi)交流電源共配置3臺安全級的應急柴油發(fā)電機(EDG)，可在電廠發(fā)生失去廠外交流電源且發(fā)電機失效的事故工況下，分別通過A、B通道向廠內(nèi)安全級的6 kV安全母線供電。其中，1號和3號EDG分別對應6 kV安全Ⅰ段和安全Ⅱ段母線。2號EDG可根據(jù)工況，通過切換柴油發(fā)電機出口開關，替換不可用的1號或3號EDG，向6 kV安全Ⅰ段或安全Ⅱ段供電。

此外，在福島事故發(fā)生后，為應對假想的極限事故，秦山一期還新增了非安全級的輔助交流柴油發(fā)電機(AAC)，可在事故工況下代替EDG向6 kV安全母線供電。并新增了數(shù)臺柴油機驅(qū)動的6 kV和380 V電壓等級的中、低壓移動電源車，必要時可向?qū)妇€供電。

1.3 技術(shù)規(guī)格書及管理程序?qū)涣麟娫磁渲玫囊?guī)定

相對火電廠，為確保核安全，核電機組對電廠交流電源的配置及可運行性的要求非常嚴格。秦山一期技術(shù)規(guī)格書規(guī)定的運行限制條件，以及反應堆啟動相關管理程序?qū)﹄姀S交流電源的配置及可運行性規(guī)定如下：

1)功率運行期間，在廠外輸電網(wǎng)(即浙江電網(wǎng))與廠內(nèi)1E級配電系統(tǒng)(即6 kV安全母線)之間有兩條相互獨立的線路(即220 kV Ⅰ母、Ⅱ母)。

2)發(fā)生廠外交流電源喪失故障時，如24 h內(nèi)不能恢復至少一路獨立廠外電源(或72 h內(nèi)不能恢復二路獨立廠外電源)運行，需在6 h內(nèi)后撤至中間停堆A階段(即技術(shù)規(guī)格書中規(guī)定的4A模式，此時冷卻劑系統(tǒng)溫度應維持在280～180 ℃，壓力維持在15.2～2.94 MPa)，并在隨后的30 h內(nèi)后撤至冷停堆模式。

3)在不具備兩條獨立廠外電源時，不能進行反應堆臨界和機組并網(wǎng)操作。

此外，根據(jù)電廠核應急相關管理程序，發(fā)生失去廠外交流電源事故后，需根據(jù)故障情況判斷應急狀態(tài)等級，及時采取相應行動。若廠外交流電源較長時間內(nèi)不能恢復，須根據(jù)恢復時間提升應急響應等級，最高可至廠外應急。

2 發(fā)生全網(wǎng)停電故障后的初始響應

浙江電網(wǎng)一旦發(fā)生全網(wǎng)停電事故，秦山一期三條220 kV輸電線路將全部跳閘，保護裝置隨之動作，電廠將甩去全部外部負荷進入孤島運行狀態(tài)(發(fā)電機組與外電網(wǎng)脫開連接，僅帶電廠自身負荷運行)。如機組能維持孤島運行狀態(tài)，則反應堆及發(fā)電機組均保持運行，保障自身負荷，等待電網(wǎng)恢復。如因保護裝置動作失效或機組狀態(tài)控制等原因?qū)е滤ω摵墒。蛞蛲怆娫撮L期無法恢復而被迫進行模式后撤，發(fā)電機自動或被迫手動停機，反應堆將隨之停堆。

針對上述情況，在發(fā)生電網(wǎng)全部停電事故時，當班運行人員應立即根據(jù)實際工況選擇執(zhí)行以下兩個步驟，以確保廠用電。

2.1 機組甩負荷到孤島運行狀態(tài)

1)立即執(zhí)行電廠應對甩負荷事故的專門規(guī)程，并確認主變高壓側(cè)開關2001M已跳閘。若2001M開關未跳閘，則手動斷開之，使機組導向孤島運行模式。

2)密切聯(lián)系浙江省調(diào)，確認事故情況。

3)執(zhí)行技術(shù)規(guī)格書運行限制條件要求，確認EDG可用。

4)維持機組在孤島運行狀態(tài)，此時應注意盡量減少設備啟停引起的負荷波動。

若外電源長時間無法恢復，根據(jù)技術(shù)規(guī)格書要求，反應堆需在規(guī)定時限內(nèi)后撤至4A模式，直至冷停堆模式。如確定需執(zhí)行后撤模式操作，則執(zhí)行以下步驟：

1)手動啟動A、B通道的兩臺EDG，切除6 kV安全段母線上不必要的負荷后，將6 kV安全段母線由發(fā)電機組供電改為由EDG供電。

2)手動將380 V保安段電源切至由380 V安全段供電，確保二回路直流及汽輪機潤滑油相關設備供電正常，確保汽輪機停機安全。

3)停止不必要的電廠負荷后，執(zhí)行手動停堆操作。

4)停堆后，機組聯(lián)鎖停機，主泵失電停運，且廠內(nèi)除6 kV安全段由EDG供電外均失電。立即執(zhí)行電廠停堆響應等事故處理規(guī)程，并進行機組的降模式操作。

5)等待浙江省調(diào)指示，執(zhí)行后續(xù)黑啟動相關步驟。

2.2 機組甩負荷失敗

1)機組甩負荷失敗后，發(fā)電機停機，反應堆聯(lián)鎖停堆，立即執(zhí)行事故處理規(guī)程穩(wěn)定電狀態(tài)。

2)此時電廠交流電源僅剩余后備交流電源EDG或AAC，應及時確認EDG自動啟動向安全段供電正常，否則手動啟動EDG或AAC向安全段供電。

3)執(zhí)行技術(shù)規(guī)格書相關要求，將機組后撤至相應模式。

4)密切聯(lián)系浙江省調(diào)，確認事故情況，并根據(jù)省調(diào)指令，執(zhí)行后續(xù)黑啟動相關步驟。

3 黑啟動準備階段工作步驟及注意事項

3.1 工作步驟

浙江電網(wǎng)調(diào)度判明已發(fā)生大面積停電及停電范圍，開始啟動黑啟動流程后，電廠根據(jù)調(diào)度指令，執(zhí)行以下黑啟動準備階段工作步驟：

1)確保6 kV安全段母線由EDG或AAC供電正常。

2)確認380 V安全段由6 kV安全段母線供電正常。

3)確認一回路220 V直流系統(tǒng)、24 V直流系統(tǒng)由對應安全電源供電正常。

4)確認二回路220 V直流系統(tǒng)由380 V保安段供電正常。

5)根據(jù)省調(diào)指令，將電廠黑啟動路徑上的秦塘2P59、秦立2424、秦躍2428等相應線路開關和閘刀置于相應狀態(tài)。

6)若執(zhí)行過程中，發(fā)生EDG或AAC跳閘，導致6 kV安全電源失去，造成全廠失電，則立即申請使用中、低壓移動電源車，向6 kV AAC段、380 V安全段供電。

3.2 注意事項

1)發(fā)生電網(wǎng)全部停電時，電廠應根據(jù)省調(diào)指令，保留部分開關、閘刀在合閘位置，使其不需要操作即可受電。

2)事故處理期間，當班值應加強對直流系統(tǒng)的監(jiān)視和維護，切除不必要的直流負荷，盡量延長直流電源的供電時間，保證電力通信、自動化、繼電保護、安全自動裝置和控制操作等基本負荷的供電。

3)孤島運行期間，必須嚴密監(jiān)視220 kV母線電壓、頻率，頻率控制在(50±0.2)Hz以內(nèi)，電壓控制在225～235 kV。出現(xiàn)異常時應依據(jù)浙江省電力系統(tǒng)調(diào)度控制管理規(guī)程及時處理。

4)孤島運行期間，原則上不考慮孤島運行對汽輪機的損害，以技術(shù)規(guī)格書允許的最長時間維持孤島運行。

4 廠外交流電源恢復路徑及實現(xiàn)黑啟動流程

4.1 廠外交流電源恢復路徑

浙江天荒坪抽水蓄能電廠4 號機組是秦山核電廠所處系統(tǒng)內(nèi)，經(jīng)驗證并經(jīng)主管單位確認具備黑啟動能力的機組。根據(jù)《華東電力系統(tǒng)黑啟動方案(2019年版)》和華東電網(wǎng)主網(wǎng)黑啟動恢復路徑圖(見圖2)，秦山核電廠的廠外電源共有兩路恢復路徑，分別如下：

1)天荒坪4號機經(jīng)500 kV Ⅰ段母線、天瓶5405線至瓶窯500 kV Ⅰ段母線，再經(jīng)瓶王5431 線至王店500 kV Ⅱ段母線(帶王店2號主變及其2組低抗)，然后由王店2號主變送220 kV母線至躍新變，再經(jīng)秦躍2428線送至秦山一期。

2)天荒坪4號機經(jīng)500 kV Ⅰ段母線、天瓶5405 線至瓶窯500 kV Ⅰ段母線，經(jīng)瓶王5431 線，再經(jīng)王由5442線至由拳500 kV Ⅱ段母線(帶由拳3號主變)，經(jīng)拳雙4R30線至雙山變(帶主變)，再經(jīng)雙立2405線至立峰變(帶主變)，再經(jīng)秦立2424線送至秦山一期。

4.2 廠外交流電源恢復步驟

浙江電網(wǎng)利用天荒坪電廠4號機組執(zhí)行黑啟動后，電廠恢復廠外電流程如下：

1)浙江省調(diào)確認王店220 kV、躍新、秦山核電廠、由拳220 kV、雙山、立峰等線路及各相關發(fā)電廠、電站相關開關狀態(tài)負荷要求。

2)天荒坪柴油發(fā)電機已啟動，4號機為備用狀態(tài)，具備零負荷啟動升壓的條件。

3)天荒坪用4 號機對局域電網(wǎng)進行零負荷啟動升壓。

4)天荒坪4 號機出力達到250 MW 以上，且上述發(fā)電廠、電站構(gòu)成的小系統(tǒng)頻率及各點電壓均合格后，浙江省調(diào)許可秦山一期恢復部分必要的負荷。

4.3 秦山一期實現(xiàn)黑啟動步驟

在黑啟動恢復階段，結(jié)合秦山一期事故規(guī)程體系，可根據(jù)實際工況采取以下恢復步驟：

(1)孤島運行狀態(tài)下的黑啟動步驟

1)秦躍2428、秦塘2P59、秦立2424等三條220 kV線路，任一線路具備恢復條件時，經(jīng)浙江省調(diào)許可后及時恢復運行。

2)220 kVⅠ母和220 kV Ⅱ母均恢復運行，滿足技術(shù)規(guī)格書對于交流電源的配置要求后，經(jīng)浙江省調(diào)許可，可進行汽輪發(fā)電機組經(jīng)主變高壓側(cè)開關2001M同電網(wǎng)并網(wǎng)操作。并網(wǎng)后應嚴密監(jiān)視發(fā)電機及220 kV母線電壓、頻率等重要參數(shù)，控制機組狀態(tài)，防止由于系統(tǒng)不穩(wěn)造成發(fā)電機跳閘或反應堆停堆，出現(xiàn)二次事故。

3)經(jīng)省調(diào)許可，機組逐步進行升負荷，增加所在電力系統(tǒng)內(nèi)的電源處理，幫助系統(tǒng)內(nèi)的負荷逐級恢復。

(2)停機停堆狀態(tài)下的黑啟動步驟

如機組已停機停堆，則按以下步驟恢復220 kV廠外電源，并逐級將廠內(nèi)電源恢復由廠外電源供電，實現(xiàn)機組啟動：

1)具備恢復一條220 kV廠外線路條件時，經(jīng)省調(diào)許可，經(jīng)220 kV Ⅰ母將高壓廠變由冷備用改充電狀態(tài)。

2)通過高壓廠變逐級恢復廠內(nèi)負荷至正常供電，使得廠內(nèi)重要負荷可以根據(jù)需要啟動運行，如主泵、主給水泵、凝泵、凝升泵、工業(yè)水泵等。

3)將6 kV安全段母線由EDG或AAC供電恢復至正常供電。

4)具備恢復另一條220 kV廠外線路條件時，經(jīng)省調(diào)許可恢復至220 kV Ⅱ母運行。

5)核實已滿足技術(shù)規(guī)格書要求確認機組已滿足啟動條件，進行機組升模式至熱停堆。

6)經(jīng)批準后，進行反應堆達臨界操作。

7)執(zhí)行汽輪機沖轉(zhuǎn)。

8)經(jīng)省調(diào)許可，執(zhí)行發(fā)電機并網(wǎng)及升負荷操作。

5 結(jié)束語

秦山一期自1991年投運以來，僅進行過甩負荷帶廠用電運行和短時間失去全部廠外電源的調(diào)試試驗，未經(jīng)歷過外部電力長時間全部喪失后進行黑啟動的驗證，缺少相關經(jīng)驗。電廠現(xiàn)有的規(guī)程體系也沒有針對此工況的明確指導。因此應加強對運行人員對相關技術(shù)資料和經(jīng)驗反饋的培訓，利用全范圍模擬機等技術(shù)手段，模擬事故場景，加強突發(fā)瞬態(tài)下機組狀態(tài)控制的練習，掌握電廠黑啟動的操作要點，以便故障真實發(fā)生時能更從容地應對。