第三代核電廠供電可靠性分析與建議

張亮

【摘 要】福島核事故發(fā)生后，關(guān)于核電廠的安全問(wèn)題再一次受到公眾輿論的廣泛質(zhì)疑，在現(xiàn)有基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高核電廠安全性成為世界各國(guó)的共識(shí)和努力方向。因此，本文從三代核電廠廠用電供電可靠性的方向出發(fā)，闡述了三代核電廠用電的構(gòu)成及電氣系統(tǒng)的主要特點(diǎn)，對(duì)提高供電可靠性進(jìn)行了分析，并提出改善建議。

【關(guān)鍵詞】廠用電；供電可靠性；廠內(nèi)電源；廠外電源

【Abstract】After the Fukushima nuclear accident， the safety of nuclear plants has been widely questioned again by public opinion. Improving the safety of nuclear plants has became the consensus and direction around the world. Therefore， considering the reliability of the third generation nuclear plant， this article describes the main features of the third generation nuclear plant and electrical systems constitute， analyses how to improve reliability， and provides improvement suggestions.

【Key words】Plant service power supply； Power supply reliability； On-site power supply； Off-site power supply

0 前言

三代核電廠的專設(shè)安全設(shè)施采用非能動(dòng)設(shè)計(jì)理念，因其安全功能的執(zhí)行由非能動(dòng)力如重力、空氣對(duì)流等驅(qū)動(dòng)，因此取消了二代核電廠專設(shè)安全設(shè)施所需要的安全級(jí)驅(qū)動(dòng)電源的要求。非能動(dòng)專設(shè)安全設(shè)施雖然無(wú)需驅(qū)動(dòng)電源，但其安全功能的執(zhí)行開(kāi)關(guān)仍需要1E級(jí)電源驅(qū)動(dòng)。

1 三代核電廠廠用電組成

三代核電廠與二代核電廠一樣，其廠用電可由廠內(nèi)電源系統(tǒng)供電或廠外電源系統(tǒng)供電。三代核電廠廠用電組成參見(jiàn)圖1。

2 三代核電廠廠用電供電次序及典型故障分析

2.1 廠內(nèi)交流電源供電優(yōu)先次序

正常運(yùn)行時(shí)，汽輪發(fā)電機(jī)通過(guò)廠用變壓器為廠內(nèi)負(fù)荷供電。電廠能承受汽輪發(fā)電機(jī)從100%滿功率運(yùn)行甩負(fù)荷至孤島運(yùn)行。電廠啟動(dòng)期間，500kV廠外電源通過(guò)主變壓器和兩臺(tái)廠用變壓器提供廠用電。電廠停閉期間，500kV廠外電源通過(guò)主變壓器和兩臺(tái)廠用變壓器提供廠用電，或者由220kV輔助電源供電（維修優(yōu)先電源狀態(tài)）。在發(fā)生主變壓器或廠用變壓器或者相連的IPB故障時(shí)，廠用電可通過(guò)自動(dòng)切換裝置由廠用變壓器切換到輔助變壓器供電。在失去主發(fā)電機(jī)和優(yōu)先電源并且切換裝置無(wú)法切換時(shí)，交流電源由連接到10.5kV母線ES1和ES2上的廠內(nèi)備用柴油發(fā)電機(jī)提供。備用柴油發(fā)電機(jī)啟動(dòng)后，電廠控制系統(tǒng)/數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)（PLS/DDS）控制柴油發(fā)電機(jī)向ES1，ES2供電。在發(fā)生失去全廠交流電源（包括廠內(nèi)備用柴油發(fā)電機(jī)）超過(guò)72小時(shí)的非預(yù)期事件時(shí)，400V輔助柴油發(fā)電機(jī)啟動(dòng)。

廠內(nèi)交流電源供電優(yōu)先級(jí)次序：主發(fā)電系統(tǒng)、500kV廠外電源系統(tǒng)、200kV廠外電源系統(tǒng)、備用柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)（ZOS）、輔助柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)。

2.2 發(fā)生全廠交流電源失電時(shí)的供電

發(fā)生全廠交流失電事故時(shí)，電廠的控制和保護(hù)電源由1E級(jí)直流及UPS系統(tǒng)（IDS）、非1E級(jí)直流及UPS系統(tǒng)（EDS）中的蓄電池組提供電源。IDS系統(tǒng)能夠向電廠安全停堆及監(jiān)測(cè)需要的重要廠用設(shè)備提供可靠的電源。EDS系統(tǒng)為非安全相關(guān)的電廠儀表系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及電廠在啟動(dòng)、正常運(yùn)行、正常或緊急停堆期間所必需的設(shè)備提供可靠電源。另外，也為安全殼內(nèi)氫氣點(diǎn)火裝置提供可靠的電源。IDS系統(tǒng)設(shè)有A/B/C/D四個(gè)系列，每系列均設(shè)置1組24小時(shí)蓄電池組，其中B/C系列還各單獨(dú)設(shè)有一組72小時(shí)蓄電池組。EDS系統(tǒng)在失去交流電源時(shí)，蓄電池容量能夠保證向其負(fù)載提供至少2小時(shí)的電量。

兩臺(tái)400V非1E級(jí)輔助交流柴油發(fā)電機(jī)，在失去其他交流電源72個(gè)小時(shí)后為1E級(jí)事故后監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、主控室照明、主控室和儀表控制室通風(fēng)、PCCWST和乏燃料池充水的泵提供電源，見(jiàn)圖2。由于兩臺(tái)輔助柴油發(fā)電機(jī)都放置于附屬?gòu)S房107'-2"標(biāo)高，若發(fā)生水淹工況，可能導(dǎo)致兩臺(tái)輔助柴油發(fā)電機(jī)全部失效。因此，三代核電廠應(yīng)考慮增設(shè)移動(dòng)式輔助柴油發(fā)電機(jī)組，以進(jìn)一步增加廠用電供電的可靠性。

3 廠用電供電可靠性的提高

由上述可知，三代核電廠廠用電依供電優(yōu)先次序由廠內(nèi)電源系統(tǒng)供電或廠外電源系統(tǒng)供電。按照供電優(yōu)先級(jí)的不同，每一種供電電源對(duì)電廠的影響也不同。優(yōu)先級(jí)低的電源系統(tǒng)作為優(yōu)先級(jí)高的電源系統(tǒng)的后備系統(tǒng)。只有在優(yōu)先級(jí)高的電源系統(tǒng)失效的情況下，后備電源系統(tǒng)才會(huì)依次投入運(yùn)行，此時(shí)，廠用電供電的后備級(jí)數(shù)將減少，供電的防御深度也隨之縮小，廠用電供電的可靠性將下降。在電廠運(yùn)行期間，供電優(yōu)先級(jí)高的電源系統(tǒng)向負(fù)載供電的概率大，其對(duì)廠用電供電的影響范圍相對(duì)要大。隨著供電優(yōu)先級(jí)的降低，后備電源系統(tǒng)對(duì)廠用電負(fù)載供電的概率也逐級(jí)降低，因此，其對(duì)廠用電供電的影響范圍也相應(yīng)減小，但其對(duì)電廠的防御功能卻越來(lái)越強(qiáng)，其防御的范圍也越來(lái)越趨近并縮小于電廠核心系統(tǒng)和設(shè)備。廠用電的后備級(jí)數(shù)越多，其供電的后備手段越多，導(dǎo)致全廠交流失電的概率就越小，故供電可靠性就越高。因此，為提高廠用電的供電可靠性，首先要保證各級(jí)電源系統(tǒng)的供電可靠性，將各級(jí)電源系統(tǒng)發(fā)生故障的概率控制在最低水平，維持廠用電由優(yōu)先級(jí)高的電源系統(tǒng)供電，以盡量避免備用電源系統(tǒng)投入，以保證廠用電的后備供電級(jí)數(shù)。

其次，要考慮在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故工況下以及嚴(yán)重事故工況下的事故電源尤其是安全級(jí)電源的供電可靠性。當(dāng)發(fā)生設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故工況或嚴(yán)重事故工況時(shí)，非安全級(jí)的電源均有可能會(huì)失效，此時(shí)電廠唯一可靠的電源為安全級(jí)電源。因此，應(yīng)保證1E級(jí)電源在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故工況下執(zhí)行其相關(guān)功能的可靠性，同時(shí)，在嚴(yán)重事故工況下也能具有一定的防御能力，確保實(shí)現(xiàn)盡可能多的功能。另一方面，蓄電池組的容量有限，為了避免事故后72小時(shí)徹底失去安全級(jí)電源，蓄電池容量的選擇應(yīng)有一定的裕量，并盡快恢復(fù)廠用交流電源。

4 需要關(guān)注的問(wèn)題和建議

1E級(jí)直流和UPS系統(tǒng)設(shè)備主要布置于輔助廠房地下一層和地下二層，在地下二層設(shè)置有兩臺(tái)廢水處理系統(tǒng)地坑泵，用于排出地坑收集來(lái)的非放射性的地面、設(shè)備以及處理過(guò)程產(chǎn)生的疏水。但是，這兩臺(tái)泵只考慮了正常情況下的排水能力，當(dāng)發(fā)生全廠水淹工況時(shí)，地下二層這個(gè)位置更加容易存在因排水能力不足而導(dǎo)致水淹的潛在風(fēng)險(xiǎn)。1E級(jí)直流和UPS系統(tǒng)作為安全級(jí)供電系統(tǒng)，承擔(dān)著很多重要安全相關(guān)功能，因此，必須保證其可靠供電。

發(fā)生嚴(yán)重事故工況并同時(shí)伴發(fā)全廠失電時(shí)，對(duì)于核電廠而言最重要的莫過(guò)于要確保堆芯和乏燃料池仍有持續(xù)不斷的冷卻能力，同時(shí)要防止反應(yīng)堆廠房和燃料廠房?jī)?nèi)氫氣聚集濃度過(guò)高而引發(fā)氫爆。隨著事故的進(jìn)一步發(fā)展以及時(shí)間的推移，需要啟動(dòng)氫點(diǎn)火器來(lái)消除廠房?jī)?nèi)聚集起來(lái)的高濃度氫氣。氫氣點(diǎn)火器由非1E級(jí)直流和UPS系統(tǒng)（EDS系統(tǒng)）供電，而EDS沒(méi)有設(shè)置備用蓄電池組，1E級(jí)直流和UPS系統(tǒng)與非1E級(jí)直流和UPS系統(tǒng)的電壓也不相同，無(wú)法共用備用蓄電池，一旦蓄電池組故障，將影響EDS的運(yùn)行安全，可以考慮按照1E級(jí)直流和UPS系統(tǒng)的方式增設(shè)一組備用蓄電池以保障EDS供電的可靠性，或者考慮設(shè)置供電的快速接口，由移動(dòng)式輔助柴油發(fā)電機(jī)為氫氣點(diǎn)火器或EDS供電。

5 結(jié)束語(yǔ)

三代核電廠電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)與其他堆型有所不同，但目標(biāo)是一致的，即保證電廠能夠安全穩(wěn)定發(fā)電，為電廠提供可靠電源。三代核電廠應(yīng)在現(xiàn)有核電廠的基礎(chǔ)上提高供電可靠性，同時(shí)也應(yīng)考慮應(yīng)對(duì)嚴(yán)重事故工況的供電后備手段，以進(jìn)一步提高廠用電的可靠性，確保電廠安全穩(wěn)定運(yùn)行。

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[責(zé)任編輯：湯靜]