變頻技術(shù)在華龍一號CAV系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

張任妍,武海博

(中國核電工程有限公司,北京 100840)

0 引言

核電廠發(fā)生嚴(yán)重事故后，安全殼作為阻止放射性物質(zhì)向環(huán)境排放的最后一道實(shí)體屏障，對緩解或降低事故的放射性后果起著至關(guān)重要的作用。為實(shí)現(xiàn)對放射性物質(zhì)的密封包容，華龍一號采用雙層安全殼結(jié)構(gòu)，由一個(gè)帶密封鋼襯里的預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土內(nèi)殼和一個(gè)普通鋼筋混凝土的外殼構(gòu)成。內(nèi)層安全殼是一個(gè)承壓的密封殼體，可容納一回路壓力下反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)的所有部件，承受事故工況的高溫高壓并包容放射性物質(zhì)。外層安全殼能夠單獨(dú)或與內(nèi)層安全殼一起承受外部載荷，不僅能夠抵御商用大飛機(jī)的撞擊，抵抗龍卷風(fēng)、飛射物及外部爆炸等外部事件，而且對放射性物質(zhì)還起到一定的包容作用[1]。

雙層安全殼兩殼之間的空間被稱為安全殼環(huán)形空間。該空間保持負(fù)壓，用于收集并包容來自內(nèi)殼泄漏的放射性物質(zhì)。安全殼環(huán)形空間通風(fēng)(containment annulus ventilation,CAV)系統(tǒng)是反應(yīng)堆第三道密封屏障的支持系統(tǒng)。在核電站安全殼內(nèi)部事故工況下，裂變產(chǎn)物由內(nèi)層安全殼泄漏到環(huán)形空間后，經(jīng)CAV系統(tǒng)的事故過濾系列過濾后排放到外部環(huán)境中，以有效控制事故向外部環(huán)境的放射性釋放，使電站廠區(qū)范圍內(nèi)各種放射性物質(zhì)的釋放限制在允許范圍[2]。

本文在分析華龍一號首堆福清5、6項(xiàng)目CAV系統(tǒng)工藝流程特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，首次提出了在安全級通風(fēng)系統(tǒng)中引入變頻技術(shù)控制的解決方案，重點(diǎn)分析了控制方案制定過程中遇到的關(guān)鍵問題，給出了有效解決方法，并詳細(xì)分析了控制方案多重冗余、多樣化設(shè)計(jì)的特點(diǎn)。本控制系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)控制環(huán)形空間壓力，有效控制了事故工況下放射性物質(zhì)向環(huán)境釋放的功能，而且在保證機(jī)組運(yùn)行安全的基礎(chǔ)上提高了電廠經(jīng)濟(jì)性，為變頻器技術(shù)在核電廠安全級系統(tǒng)的推廣應(yīng)用起到了良好的示范作用。

1 變頻技術(shù)

變頻技術(shù)是指交流用電設(shè)備的供電頻率發(fā)生變化時(shí)，與頻率成正比的功率將隨之發(fā)生變化。頻率高，則功率大；頻率低，則功率小。所以變頻調(diào)速裝置(即變頻器)就是將固定頻率的交流電變換為頻率連續(xù)可調(diào)的交流電。其根據(jù)負(fù)荷的變化，通過調(diào)整風(fēng)機(jī)等有電設(shè)備的輸入頻率，來調(diào)整風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，使被控風(fēng)機(jī)出口流量隨負(fù)荷的變化而變化，從而在滿足不同負(fù)荷需要的情況下，減少用電量的損耗，提高用電率。但是大多數(shù)風(fēng)機(jī)在使用過程中常出現(xiàn)大馬拉小車的現(xiàn)象，且因生產(chǎn)、工藝等方面的變化，需要經(jīng)常調(diào)節(jié)氣體的流量、壓力、溫度等。以前，主要采用調(diào)節(jié)擋風(fēng)板或閥門開啟度的方式進(jìn)行調(diào)節(jié)。但這是以人為增加阻力的方式，并以浪費(fèi)電能和金錢為代價(jià)來滿足工藝和工況對氣體流量調(diào)節(jié)的要求。這種調(diào)節(jié)方式不僅浪費(fèi)能源，而且調(diào)節(jié)精度差，難以滿足現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)及服務(wù)等方面的要求，負(fù)面效應(yīng)嚴(yán)重。變頻器的出現(xiàn)為交流調(diào)速方式帶來了革命。變頻調(diào)速已被廣泛應(yīng)用于不同領(lǐng)域的交流調(diào)速，為企業(yè)帶來了可觀的經(jīng)濟(jì)效益，推動了工業(yè)生產(chǎn)的自動化進(jìn)程[3]。

風(fēng)機(jī)變頻器根據(jù)測量傳感器(如壓力、液位、流量、溫度等)信號變化調(diào)節(jié)控制回路電源頻率，進(jìn)而改變負(fù)載電機(jī)的運(yùn)行功率，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)滿足控制需求。變頻器主回路常采用典型的“交-直-交”模式。該模式是目前應(yīng)用廣泛和可靠的低壓變頻模型。交流異步電動機(jī)轉(zhuǎn)速公式為：

(1)

式中：n為電機(jī)轉(zhuǎn)速；f為電源頻率；S為電機(jī)轉(zhuǎn)差率；p為電機(jī)極對數(shù)[4]。

由式(1)可知，電機(jī)轉(zhuǎn)速n與電源頻率f成正比，通過改變電動機(jī)工作電源頻率達(dá)到改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的?！敖?直-交”變頻模式通過將交流電壓整理成直流，再通過逆變器逆變成所需要頻率的交流電來控制電機(jī)。假設(shè)風(fēng)機(jī)流量為Q，風(fēng)壓為H，轉(zhuǎn)矩為T，軸功率為P。根據(jù)流體力學(xué)原理，可知流量Q∝n，H、T∝n2,P∝n3。即風(fēng)機(jī)的流量與轉(zhuǎn)速的一次方成正比，壓力和轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的二次方成正比，風(fēng)機(jī)軸功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。如果電機(jī)速度下降到原來的70%，風(fēng)量下降到原來的70%，則軸功率下降到了原來的34.3%[5-6]。相對于通過在風(fēng)機(jī)出口設(shè)置擋風(fēng)板或回流閥的控制方案，通過降低轉(zhuǎn)速的方法來調(diào)節(jié)風(fēng)量，可以極大地降低消耗，發(fā)揮節(jié)能效果。

變頻技術(shù)在民用電廠等各個(gè)領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。核電廠中變頻技術(shù)的應(yīng)用還處于起步階段，主要應(yīng)用在外圍輔助支持系統(tǒng)中，如各個(gè)核電廠電站配套設(shè)施(balance of plant,BOP)子項(xiàng)目中對某些非安全級風(fēng)機(jī)或泵改造成變頻控制[7]；AP1000機(jī)組中的主泵采用了6.9 kV、60 Hz高壓變頻器，同時(shí)核島非放射性通風(fēng)系統(tǒng)的非安全級風(fēng)機(jī)采用了變頻控制；田灣核電廠中部分核島通風(fēng)系統(tǒng)中非安全級風(fēng)機(jī)也采用了變頻控制等技術(shù)。

2 CAV系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 CAV系統(tǒng)功能

雙層安全殼作為放射性物質(zhì)向外排放的最后一道實(shí)體屏障，通過外層安全殼和內(nèi)層安全殼組成的雙重屏障及CAV的過濾排放功能來保證安全殼的密封性，從而緩解或降低事故后的放射性后果。CAV系統(tǒng)的主要功能是通過維持環(huán)形空間的負(fù)壓(-300～-100 Pa)，保證來自內(nèi)層安全殼內(nèi)部的空氣在排放前經(jīng)過過濾，避免被污染的空氣直接流向環(huán)境，從而限制在安全殼內(nèi)部事故的情況下的廠外放射性。通過雙層安全殼環(huán)形空間的滯留包容以及CAV通風(fēng)系統(tǒng)的高效過濾作用，有效降低了事故向環(huán)境的釋放量以及場外公眾所接受的劑量，從而減輕了事故后果，符合社會大眾對核電更高安全性能的期待。

2.2 CAV系統(tǒng)構(gòu)成

安全殼環(huán)形空間通風(fēng)系統(tǒng)由三個(gè)并聯(lián)列——安全系列1(001ZV)、安全系列2(002ZV)、正常系列(003ZV)組成。正常運(yùn)行系列在機(jī)組正常運(yùn)行工況下運(yùn)行；另兩個(gè)安全系列在事故工況下運(yùn)行，兩個(gè)安全系列為冗余設(shè)計(jì)。正常運(yùn)行系列除了維持安全殼環(huán)形空間的負(fù)壓外，還可以監(jiān)測外層安全殼的密封性能。在反應(yīng)堆廠房事故工況下，正常運(yùn)行系列被隔離，安全系列啟動。CAT系統(tǒng)簡化流程如圖1所示。三個(gè)系列在布置上實(shí)現(xiàn)實(shí)體隔離。每個(gè)系列由排風(fēng)機(jī)、電加熱器、過濾器及相應(yīng)閥門組成。

圖1 CAV系統(tǒng)簡化流程圖

2.3 CAV安全分級要求

CAV系統(tǒng)的兩個(gè)安全系列在事故工況下能將放射性廢物的排放或釋放限制在規(guī)定限制內(nèi)，且為非承壓設(shè)備，故其機(jī)械設(shè)備定義為安全有關(guān)級(LS)。這兩個(gè)系列中包含的機(jī)械設(shè)備均為LS級。相應(yīng)的電氣儀控設(shè)備具有安全殼隔離作用，在事故工況下參與保護(hù)公眾安全，相應(yīng)定義為安全級(1E)。正常運(yùn)行系列不執(zhí)行安全功能，故定義為非安全級(NC*)(*為抗震要求)。

3 變頻技術(shù)在CAV系統(tǒng)的應(yīng)用

3.1 CAV系統(tǒng)控制方案

CAV系統(tǒng)的主要受控設(shè)備是排風(fēng)機(jī)、加熱器、隔離閥、放火閥。這些設(shè)備都是集中在核電廠DCS中進(jìn)行邏輯控制，在主控制室實(shí)現(xiàn)監(jiān)測和控制。主要監(jiān)測儀表如下：差壓變送器是為風(fēng)機(jī)變頻模式服務(wù)的，差壓儀表是為保護(hù)相應(yīng)風(fēng)機(jī)設(shè)置的，溫度儀表用于監(jiān)測控制電加熱器，差壓表用于監(jiān)測過濾器壓力。為保證不同系列，可以在各種事故工況下順利進(jìn)行自動切換，控制系統(tǒng)被設(shè)計(jì)為在變頻模式下按照正常系列→安全系列2→安全系列1的單向順序自動切換。除冷停堆期間，正常工況下，在主控室手動啟動正常系列風(fēng)機(jī)變頻模式，并保持連續(xù)運(yùn)行。當(dāng)風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)事故工況，系統(tǒng)立即由正常列切換到安全列。通過設(shè)置不同優(yōu)先級的啟、停指令，來保證自動切換邏輯的準(zhǔn)確性和有效性。常見的事故工況分為如下四種情況，分別對應(yīng)不同的控制邏輯[8]。事故工況下控制邏輯如圖2所示。

圖2 事故工況下控制邏輯示意圖

3.1.1 輻射事故

當(dāng)環(huán)形空間放射性水平超出閾值時(shí)，控制系統(tǒng)接收到輻射劑量高信號(1E級)。此時(shí)，控制系統(tǒng)立即切換到安全系列2，緊急啟動(1E級)002ZV，同時(shí)輻射劑量高聯(lián)鎖關(guān)閉正常列隔離閥。即使緊急啟動002ZV未有效，隔離閥關(guān)閉迫使003ZV停運(yùn)，保護(hù)啟動(NC*級)002ZV(NC*級命令)。假設(shè)002ZV仍然未能啟動，還可以通過輻射劑量高信號延時(shí)4 s后緊急啟動(1E級)或保護(hù)啟動(NC*)兩種方式啟動001ZV。如果上述自動命令均無效，操作員可以在主控室直接手動啟動002ZV或001ZV工頻運(yùn)行模式，禁止切換到003ZV工頻模式。

環(huán)形空間輻射劑量超標(biāo)是核電站運(yùn)行期間假設(shè)出現(xiàn)的最嚴(yán)重事故。該控制方案涵蓋了設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故、設(shè)計(jì)擴(kuò)展工況下系統(tǒng)的切換邏輯。即使切換到安全列風(fēng)機(jī)的某一命令未能有效執(zhí)行，通過多路冗余設(shè)計(jì)的補(bǔ)償糾正，使控制系統(tǒng)可以順利地執(zhí)行相關(guān)安全命令。該控制邏輯體現(xiàn)了設(shè)計(jì)多樣化及縱深防御的原則。

3.1.2 失電事故

CAV系統(tǒng)正常系列003ZV和安全系列A 001ZV由低壓交流應(yīng)急電源380 V系統(tǒng)系列A供電，安全系列B 002ZV由低壓交流應(yīng)急電源380 V系統(tǒng)系列B供電。當(dāng)供電列A列失電時(shí)，正常列003ZV和安全列1均失電，003ZV停運(yùn)后自動保護(hù)啟動002ZV變頻模式。如果保護(hù)啟動未能生效，需要操作員手動啟動002ZV工頻模式。反之，當(dāng)供電列B列失電時(shí)，002ZV停運(yùn)，系統(tǒng)自動保護(hù)啟動001ZV變頻模式。如果保護(hù)啟動未能生效，需要操作員手動啟動001ZV工頻模式。當(dāng)兩列供電都失去時(shí)，由應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)加載提供后備應(yīng)急電源。

3.1.3 火災(zāi)情況

按照單一故障準(zhǔn)則的設(shè)計(jì)要求，不同系列的風(fēng)機(jī)布置在不同的防火空間。當(dāng)火災(zāi)探測系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信號時(shí)，相應(yīng)防火分區(qū)的防火閥自動關(guān)閉以切斷火源。任一防火閥關(guān)閉的同時(shí)，聯(lián)鎖停運(yùn)相同列的風(fēng)機(jī)。

3.1.4 正常列故障

正常列設(shè)備故障，造成003ZV停運(yùn)，系統(tǒng)自動保護(hù)啟動002ZV變頻模式。若002ZV未能啟動，將保護(hù)啟動001ZV變頻模式，同時(shí)操作員應(yīng)及時(shí)檢查003ZV和002ZV故障原因。當(dāng)003ZV故障排除，且無其他異常工況，操作員可在主控室手動重新啟動003ZV變頻模式，停運(yùn)002ZV或001ZV，將風(fēng)機(jī)復(fù)位至正常系列。

3.2 風(fēng)機(jī)的變頻控制

CAV系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)需要常年連續(xù)運(yùn)行，且需要時(shí)時(shí)調(diào)整環(huán)形空間負(fù)壓狀態(tài)。為避免造成電能損耗和頻繁開停機(jī)帶來的電流沖擊，CAV系統(tǒng)的離心風(fēng)機(jī)采用了變頻控制，根據(jù)環(huán)形空間壓力變化，采用變頻器實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)運(yùn)行速度，以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制環(huán)形空間負(fù)壓的目的。由于CAV屬于安全級系統(tǒng)，但是目前國內(nèi)外市場上沒有滿足核級標(biāo)準(zhǔn)的變頻器和相應(yīng)的變頻柜，而非安全級的變頻柜又不能滿足事故工況下的設(shè)計(jì)要求。為解決此問題，經(jīng)過詳盡的分析與討論，采用了滿足抗震要求(NC*)的變頻控制柜和核級(1E)工頻控制旁路柜聯(lián)合控制的方法來實(shí)現(xiàn)控制要求。

3.2.1 變頻和工頻聯(lián)合控制方案

變頻器是數(shù)字化控制設(shè)備，內(nèi)置數(shù)字PID控制器，可實(shí)現(xiàn)恒壓力、恒流量控制。變頻模塊部分采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)緊湊，通用性和互換性較強(qiáng)。電機(jī)工頻控制的實(shí)質(zhì)是一個(gè)旁路系統(tǒng)。當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障、負(fù)載電機(jī)失去變頻器調(diào)速控制時(shí)，可手動斷開變頻單元并切換到工頻控制模式，實(shí)現(xiàn)按照負(fù)載滿功率運(yùn)行，保證執(zhí)行系統(tǒng)安全功能。風(fēng)機(jī)變頻與工頻聯(lián)合控制簡圖如圖3所示。風(fēng)機(jī)的變頻模式和工頻模式既相互獨(dú)立，又相互聯(lián)系。主電源接線端子、繼電器、斷路器等均安裝在旁路柜中，保證1E級供電電源的可靠性。變頻器、PLC控制器和一些控制端子布置在變頻柜內(nèi)。

圖3 風(fēng)機(jī)變頻與工頻聯(lián)合控制簡圖

圖3中，虛線框代表布置在旁路柜內(nèi)，接觸器3KM和4KM互為連鎖，且分別獨(dú)立控制風(fēng)機(jī)運(yùn)行。當(dāng)接觸器3KM閉合時(shí)，接觸器4KM斷開，風(fēng)機(jī)處于變頻模式；當(dāng)接觸器4KM閉合時(shí)，接觸器3KM斷開，風(fēng)機(jī)處于工頻模式。CAV的每臺風(fēng)機(jī)對應(yīng)一個(gè)變頻器柜和一個(gè)旁路柜。CAV就地柜分級情況如表1所示[9]。DCS控制柜將開關(guān)命令送至就地變頻柜和旁路柜，控制邏輯在就地柜內(nèi)完成。兩個(gè)就地控制柜通過不同的方式實(shí)現(xiàn)對風(fēng)機(jī)的控制，滿足不同工況下風(fēng)機(jī)的控制要求。

表1 CAV就地柜分級表

注：*僅對硬件部分有此要求，對軟件無要求

3.2.2 變頻柜和旁路柜功能描述

變頻器柜內(nèi)的變頻器根據(jù)壓力信號調(diào)節(jié)控制風(fēng)機(jī)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，設(shè)置變頻器參數(shù)來控制風(fēng)機(jī)的運(yùn)行頻率。變頻器柜體上布置顯示和操作設(shè)備，如按鈕、儀表、指示燈或者操作面板和顯示設(shè)備等，直觀顯示變頻器和負(fù)載運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對變頻器柜工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，方便操作人員就地控制。CAV變頻控制系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 CAV變頻控制系統(tǒng)圖

旁路柜(包括標(biāo)準(zhǔn)的開關(guān)配電盤)完成風(fēng)機(jī)電源供電功能，同時(shí)在變頻器故障時(shí)可以手動由變頻切換到工頻。旁路柜設(shè)置就地/遠(yuǎn)程切換開關(guān)。為保證安全性，在主控室和后備盤上設(shè)置從變頻柜切換至旁路柜的切換命令。

3.2.3 變頻柜和旁路柜的切換控制

CAV三個(gè)系列的控制邏輯流程是一樣的。以正常列為例，其控制邏輯流程如圖5所示。

圖5 控制邏輯流程簡圖

在正常工況下，在主控室手動啟動正常系列003ZV風(fēng)機(jī)變頻模式，環(huán)形空間與外界大氣的差壓003MP信號被采集至DCS，經(jīng)DCS轉(zhuǎn)送至003ZV變頻柜。在變頻柜內(nèi)，差壓值信號被轉(zhuǎn)換為不同頻率，驅(qū)動風(fēng)機(jī)以不同的轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，并同時(shí)將風(fēng)機(jī)狀態(tài)信息從變頻柜傳輸至DCS。當(dāng)發(fā)生異常工況(如環(huán)形空間輻射超標(biāo)、003ZV變頻模式失效等)時(shí)，控制系統(tǒng)設(shè)置為：在變頻模式下按照正常系列(003ZV)→安全系列2(002ZV)→安全系列1(001ZV)的單向順序自動切換。在切換過程中，如果設(shè)備故障或者自動切換不成功，系統(tǒng)將發(fā)出報(bào)警信息提示主控室操縱員及時(shí)排除故障。

在三個(gè)系列變頻器驅(qū)動風(fēng)機(jī)模式都失效的情況下，操作人員在主控室或后備盤將風(fēng)機(jī)手動切換至002ZV或001ZV工頻運(yùn)行模式。只有在002ZV或001ZV工頻模式都損壞，且確認(rèn)環(huán)形空間沒有發(fā)生放射性污染的情況下，才可以將風(fēng)機(jī)切換至003ZV工頻運(yùn)行模式。操作員發(fā)出的命令由DCS發(fā)送至旁路柜，風(fēng)機(jī)在工頻模式下滿功率運(yùn)行，同時(shí)風(fēng)機(jī)的狀態(tài)信息由旁路柜傳送至DCS顯示。

4 結(jié)束語

雙層安全殼是華龍一號設(shè)計(jì)的一大亮點(diǎn)，而CAV系統(tǒng)是保證這個(gè)特色功能設(shè)計(jì)的重要系統(tǒng)。CAV系統(tǒng)在任何工況下維持環(huán)形空間內(nèi)的負(fù)壓狀態(tài)，而且當(dāng)發(fā)生輻射泄漏事故時(shí)執(zhí)行安全功能，因此安全理念貫穿整個(gè)控制系統(tǒng)的每一處細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)中。根據(jù)環(huán)形空間內(nèi)壓力變化，采用變頻器連續(xù)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)運(yùn)行速度，是一種行之有效的解決方式。

針對目前國內(nèi)核電站未將變頻器技術(shù)應(yīng)用于安全級通風(fēng)系統(tǒng)的現(xiàn)狀，在深入研究工藝流程特點(diǎn)基礎(chǔ)上，大膽嘗試在安全級通風(fēng)系統(tǒng)中引入變頻器控制方式，同時(shí)設(shè)計(jì)兩種工作模式，使風(fēng)機(jī)通過兩種不同的驅(qū)動方式運(yùn)轉(zhuǎn)。振動方式既實(shí)現(xiàn)了工藝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，又達(dá)到了節(jié)能降耗的目的。CAV系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作已完成，有待于進(jìn)一步現(xiàn)場調(diào)試和實(shí)際運(yùn)行。