“華龍一號”機組110 V A列儀控電源失電事故后果及控制策略研究

申中祥,王小林,炊曉東

(核動力運行研究所，湖北 武漢 430000)

三代核電技術(shù)是指滿足《美國用戶要求文件(URD)》或《歐洲用戶要求文件(EUR)》，具有更好安全性的新一代先進核電技術(shù)。截至2019年6月，我國商運二代及二代半核電機組占比達90.9%，商運三代核電機組僅4臺。三代核電機組EPR1750及AP1000分別采用歐、美技術(shù)，從機組建設(shè)成本、建設(shè)工期、設(shè)備驗證及運營狀況來看，全面的技術(shù)推廣時機并不成熟。

“華龍一號”核電機組是我國自主研發(fā)的三代核電機組，技術(shù)設(shè)計滿足URD及EUR要求，具有完整自主知識產(chǎn)權(quán)，同時又與二代半技術(shù)一脈相承，具備一定的工程建設(shè)及運營技術(shù)基礎(chǔ)。在相對低成本和高國產(chǎn)化率的前提下，“華龍一號”實現(xiàn)了國際三代核電技術(shù)的安全和性能水平。隨著全球首堆工程建設(shè)及調(diào)試進度穩(wěn)步推進，“華龍一號”勢必成為我國未來核電建設(shè)的主力機型，也將是我國核電技術(shù)“走出國門”的重要環(huán)節(jié)。

核電廠儀表與控制電源(以下簡稱儀控電源)對核電機組系統(tǒng)保護及控制功能的正確實施不可或缺，對核電機組安全運行起到重要作用?！叭A龍一號”機組廠區(qū)布置、工藝系統(tǒng)、儀表與控制等方面均與二代半壓水堆有較大的優(yōu)化，在嚴重事故的緩解、專設(shè)安全設(shè)施等方面有較大的改進。因此，非常有必要對“華龍一號”機組重要儀控電源喪失事故進行深入的研究，有利于“華龍一號”機組新技術(shù)研究及運行控制。

1 “華龍一號”機組重要儀控電源綜述

如圖1所示，“華龍一號”機組廠用電一次系統(tǒng)包括6段6.6 kV中壓正常配電盤ESA/ESB/ESC/ESD/ESE/ESF，2段6.6 kV中壓應(yīng)急配電盤EMA/EMB。機組額定功率運行期間供電線路為：發(fā)電機——廠變——ESA/ESD/ESE/ESF，ESA——ESB——EMA，ESD——ESC——EMB，各配電盤分別向下游負荷供電。

圖1 “華龍一號”廠用電一次系統(tǒng)圖

“華龍一號”重要儀控電源參與中壓配電盤及其下游負荷的控制，根據(jù)核電系統(tǒng)設(shè)計時遵循的獨立性準則及單一故障準則，“華龍一號”機組重要儀控電源可分為A、B兩列:

A列：ECA(A列48 V直流)、ECD(去耦用48 V直流)、EDA(A列110 V直流)、EDJ(去耦用110 V直流)；

B列：ECB(B列48 V直流)、EDB(B列110 V直流)[1]。

ECA、ECB、ECD主要給機組各個系統(tǒng)的過程控制裝置、給電動閥門供電的380 V交流配電盤、電磁閥配電柜、報警裝置、直流儀表等用戶供給直流電；EDA、EDB主要向6.6 kV和380 V交流配電盤供給直流控制電源，同時向控制棒驅(qū)動機構(gòu)電源系統(tǒng)RRS、反應(yīng)堆保護系統(tǒng)RRP、穩(wěn)壓器電加熱器供給控制電源。EDJ主要用于6.6 kV中壓配電盤ESB、ESC進線開關(guān)切換，并為發(fā)電機輔助系統(tǒng)提供電源。

EDA電源喪失將觸發(fā)發(fā)電機及變壓器保護“全停I”，即汽輪機跳閘，發(fā)電機出口斷路器、500 kV超高壓斷路器跳閘，ESB/ESC供電切至輔助變壓器。EDA喪失導(dǎo)致部分系統(tǒng)及設(shè)備失去動力或控制電源無法正常執(zhí)行功能，影響機組核熱參數(shù)的控制，需要操縱人員及時干預(yù)。因此要制定事故處理策略，將機組穩(wěn)定在安全狀態(tài)，需要對EDA失電事故后果進行研究。

2 110 V A列儀控電源(EDA)失電研究

2.1 總體研究思路

研究EDA喪失對機組的影響，關(guān)鍵要了解EDA下游負荷在電廠運行中的作用、EDA喪失會影響哪些負荷的正常運行、負荷功能失效對機組運行產(chǎn)生哪些影響。

根據(jù)EDA下游負荷類型可將相關(guān)負荷分成三類：①6.6 kV和380 V交流配電系統(tǒng)；②RRS、RRP、穩(wěn)壓器電加熱器控制電源及部分220 V電源系統(tǒng)的逆變器；③發(fā)電機及變壓器保護系統(tǒng)。本文重點介紹對①類負荷影響的研究方法，具體研究步驟如圖2所示。

圖2 EDA失電研究步驟

2.2 EDA在6.6 kV和380 V配電系統(tǒng)中作用

如圖3所示，通過對“華龍一號”電氣系統(tǒng)二次接線圖進行分析，可以明確EDA在相關(guān)配電系統(tǒng)中的具體作用。EDA向以下配電系統(tǒng)相關(guān)的斷路器儲能電機、斷路器控制線圈、接觸器的控制線圈、配電盤的測量儀表等供給控制電源：

①6.6 kV正常配電盤ESA/ESD/ESE/ESF；

②6.6 kV應(yīng)急配電盤EMA；

③380 V 正常配電系統(tǒng)ELH/ER*(ESA/ESB/ESC/ESD/ESE/ESF下游部分380 V配電系統(tǒng))；

④EMA下游380 V 交流配電系統(tǒng)EE*。

在二次圖分析過程中，對于6.6 kV正常配電盤可以分以下模塊進行分析：

①ES*進線斷路器二次圖分析；

② ES*出線斷路器二次圖分析；

③ES*出線電氣自保持接觸器分析；

④ES*出線機械自保持接觸器分析[2]。

6.6 kV應(yīng)急配電盤二次圖原理與正常配電盤原理相似，只是母線出線開關(guān)都是接觸器。核島380 V交流系統(tǒng)EE*、ER*多數(shù)采用廈門ABB配電盤，開關(guān)類型分為CF型、CFI型(正反轉(zhuǎn))和DL型(斷路器)3大類。

通過電氣系統(tǒng)二次接線圖的分析，可以得出以下結(jié)論：

①對于中壓配電盤(包括ESA/ESD/ESE/ESF/EMA)，EDA控制電源喪失時，母線出線開關(guān)若為斷路器或機械自保持型接觸器則保持原位，若為電氣自保持接觸器則斷開(由EDA供給控制電的負荷)；

②ESB001/102JA和ESC001/102JA的儲能電機、控制電源等負荷都取自EDJ，EDA控制電源喪失，對ESB/ESC慢切功能無影響；

③對于由EDA供給控制電的380 V配電盤，EDA控制電源喪失時，母線出線開關(guān)若為接觸器則斷開，若為斷路器則保持原位，電動閥負荷保持原來位置無法動作，電動機負荷開關(guān)斷開[3]。

圖3 6.6 kV母線出線機械自保持型接觸器二次圖(部分)

2.3 EDA喪失影響的負荷

根據(jù)二次圖分析結(jié)論，可以分析機組總體供電情況，從而可以知道EDA喪失將影響哪些負荷，進而可以研究負荷喪失后對機組有何影響。

2.3.1 ESA/D/E/F失電

ESA/D/E/F進線斷路器001JA保持閉合，但由于EDA喪失觸發(fā)發(fā)電機及變壓器組全停I保護，發(fā)電機及500 kV超高壓斷路器跳閘，導(dǎo)致廠變失電，因此母線也失電，包括主泵、循環(huán)水泵、凝結(jié)水泵、電動主給水泵在內(nèi)的所有負荷均失電停運。若主泵、循環(huán)水泵、凝結(jié)水泵、電動主給水泵供電斷路器初始為閉合狀態(tài)，EDA喪失之后繼續(xù)保持閉合，需現(xiàn)場手動機械跳閘；ESA/D/E/F其余下游負荷全部為電氣自保持接觸器ZVC—(SCO)，均跳開斷電。ESA/D/E/F下游由斷路器供電的單元廠用設(shè)備如表1所示。

表1 斷路器供電單元廠用負荷

2.3.2 ESB/ESC由輔變供電

ESB下游負荷啟動給水泵A、閉式冷卻水泵A，ESC下游負荷閉式冷卻水泵B由電氣自保持接觸器供電，EDA喪失時因接觸器跳閘而失電停運；ESB下游380 V配電盤EPP001TB、ERJ001TB、ERF001TB及ESC下游380 V配電盤EPS001TB、ERI001TB、ERP001TB由電氣自保持接觸器ZVC—(SCO)供電，EDA喪失后配電盤跳閘，下游所有負荷失電；ESB下游380 V配電盤ERD001TB、ERC001TB及ESC下游380 V配電盤ELH001TB、ERE001TB由機械自保持接觸器ZVC—(DCO)供電，EDA喪失后接觸器繼續(xù)保持閉合，配電盤繼續(xù)帶電，該類配電盤下游由斷路器供電的設(shè)備(主要為配電盤)將繼續(xù)保持原狀態(tài)，即EDA喪失對該類負荷運行無直接影響。EPF001TB、EPG001TB控制電源為EDM，因此EDA喪失不影響配電盤及下游負荷供電。ESB、ESC下游由機械自保持接觸器ZVC—(DCO)供電的常備廠用設(shè)備如表2所示。

表2 機械自保持接觸器供電常備廠用設(shè)備

2.3.3 EMA/EMB分別由ESB/ESC供電

機組供電由廠變切至輔變過程中，ESB/ESC母線由于短時失壓觸發(fā)應(yīng)急柴油機啟動，但EMA/EMB母線電源不會發(fā)生自動轉(zhuǎn)換，因為EMA/EMB母線上的兩個進線開關(guān)001JA、002JA自動倒換需要足夠的時間延遲(延遲設(shè)置為7 s)，而EMA/EMB很快由輔助變壓器經(jīng)ESB/ESC供電(ESB/ESC母線電壓低于40%UN延時1 s啟動慢切)。EDA喪失僅對EMA下游負荷產(chǎn)生影響(EMB由EDB供給控制電)，EMA下游A列安全設(shè)備，包括安全廠房冷凍水泵、堆腔注水冷卻泵、低壓安注泵、中壓安注泵、設(shè)備冷卻水泵、電動輔助給水泵、重要廠用水泵、核島消防水泵、上充泵、安全殼噴淋泵、余熱排出泵等電機進線電氣自保持接觸器ZVC—(SCO)均斷開，無法遠程控制。EMA下游380V配電盤EEP001TB、EEK001TB、EEA001TB、EEC001TB進線開關(guān)為機械自保持接觸器ZVC—(DCO)，因此保持帶電運行，而該類配電盤下游由斷路器供電的設(shè)備保持原狀態(tài)。EMA下游由機械自保持接觸器ZVC—(DCO)供電的常備廠用設(shè)備如表3所示。

表3 機械自保持接觸器供電A列應(yīng)急廠用設(shè)備

2.4 負荷功能失效對機組運行的影響

通過以上分析，可以明確EDA喪失之后機組總體供電情況及相關(guān)設(shè)備的狀態(tài)，之后可以全面開展設(shè)備失效對機組影響的研究工作。采用樹狀分級方法，逐級統(tǒng)計配電盤負荷及開關(guān)類型，并分析EDA喪失對機組的影響。EDA失電的影響主要包括四方面的內(nèi)容，分析結(jié)論(部分)如表4所示。

表4 EDA失電對機組的影響分析表(部分)

2.4.1 設(shè)備失效引起的系統(tǒng)功能不可用

EDA喪失將導(dǎo)致眾多設(shè)備無法執(zhí)行正常運行功能：三臺主泵失電停運，一回路失去強迫循環(huán)；三臺主泵停運導(dǎo)致穩(wěn)壓器正常噴淋不可用；循環(huán)水泵均停運，凝汽器失去冷卻，真空惡化；閉式冷卻水泵均停運，相關(guān)負荷失去冷卻水。

2.4.2 對運行參數(shù)的影響及可能產(chǎn)生的自動動作

根據(jù)系統(tǒng)控制邏輯設(shè)計進行研究，如上充管道隔離會導(dǎo)致下泄溫度升高，將自動隔離下泄管線；電動主給水泵停運+余熱排出系統(tǒng)流量低或ESA/D/F電壓失去觸發(fā)電動輔助給水泵TFA002PO啟動；P7+主泵轉(zhuǎn)速低低信號觸發(fā)汽動輔助給水泵TFA003/004PO啟動；A列設(shè)備冷卻水泵失去后B列泵將自動啟動。

2.4.3 對安全功能的影響

主要體現(xiàn)在執(zhí)行安全功能的閥門，風(fēng)機，泵等。例如輔助給水泵、余熱排出泵、堆腔注水冷卻泵、安注泵等A列安全設(shè)備均不可用，B列安全設(shè)備可滿足核安全要求。

2.4.4 事故處理中存在的風(fēng)險及處理方法

部分設(shè)備無法執(zhí)行正常運行功能，導(dǎo)致機組或相關(guān)設(shè)備運行存在安全隱患，因此需要識別事故風(fēng)險，以便制定干預(yù)措施。例如A列應(yīng)急柴油機啟動，但輔機失電停運，存在柴油機磨損風(fēng)險，應(yīng)盡快停運應(yīng)急柴油機；汽輪機部分頂軸油泵、交流密封油泵等輔機設(shè)備停運，僅剩一臺頂軸油泵及直流油泵可以運行，冗余下降，對汽輪機的安全停運帶來風(fēng)險，應(yīng)加強對運行輔機的關(guān)注[4]。

3 事故中機組控制策略

EDA失電研究結(jié)果分析了事故的演變進程、各系統(tǒng)及設(shè)備的狀態(tài)、事故風(fēng)險的應(yīng)對方法。依據(jù)EDA失電研究結(jié)果可以制定“華龍一號”EDA喪失事故處理策略。事故處理程序應(yīng)包括事故診斷及確認、事故控制、事故恢復(fù)等關(guān)鍵序列。

3.1 事故征兆

通過典型的報警EDA002KA(001 TB電壓低于定值102.3 V)、RPA325KA(停堆斷路器110 VDC供電喪失)及停機、停堆等現(xiàn)象基本可以判斷發(fā)生EDA喪失事故。

3.2 事故初期對機組響應(yīng)進行確認

EDA失電觸發(fā)相關(guān)系統(tǒng)及設(shè)備自動響應(yīng)，包括停機、停堆、建立自然循環(huán)、安全相關(guān)設(shè)備啟動或切列運行等，以便機組安全停運及防止設(shè)備損壞，因此在事故處理程序中必須要求操縱人員對重要的狀態(tài)改變及信號進行確認。

ERA/ERB失電導(dǎo)致控制棒驅(qū)動機構(gòu)電動發(fā)電機組停運，從而引起控制棒下落，如果機組初始核功率小于10%Pn(不存在P7信號)，機組可能不會觸發(fā)停堆信號P4，需手動觸發(fā)反應(yīng)堆緊急停堆按鈕，確保P4信號產(chǎn)生；三臺主泵停運，一回路失去強迫循環(huán)，應(yīng)確認自然循環(huán)建立；主變超高壓斷路器斷開，機組失去主外電源，需確認機組供電由主變切換到輔變；確認三臺主泵對應(yīng)頂軸油泵均啟動，防止主泵軸瓦磨損；確認汽輪機相關(guān)輔助設(shè)備啟動，確保汽輪機安全停運等。如若狀態(tài)不一致必須進行緊急干預(yù)。

3.3 核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)控制

EDA喪失后機組的控制包括穩(wěn)壓器水位、一回路壓力、蒸汽發(fā)生器水位、一回路溫度等核熱參數(shù)的控制，根據(jù)失電后果可制定相關(guān)控制策略。

事故中A列上充泵失電停運(初期A列運行)，B列上充泵若未正常啟動將導(dǎo)致上充、下泄隔離，穩(wěn)壓器水位無法自動控制，操縱人員需盡快確認B列上充泵已自動啟動，投運上充、下泄管線，之后將穩(wěn)壓器水位控制置自動調(diào)節(jié)方式，確保穩(wěn)壓器水位穩(wěn)定在零負荷值。

失電導(dǎo)致穩(wěn)壓器電加熱器RCS001/002/003/004/005RS均不可用、主泵喪失導(dǎo)致穩(wěn)壓器主噴淋不可用，因此一回路壓力調(diào)節(jié)手段只有穩(wěn)壓器輔助噴淋、穩(wěn)壓器電加熱器RCS006RS、活塞效應(yīng)(調(diào)節(jié)上充流量、冷卻劑的升降溫導(dǎo)致的膨脹或收縮)。如果一回路壓力過高，可能導(dǎo)致穩(wěn)壓器安全閥開啟，應(yīng)及時停運RCS006RS；壓力過低，可將壓力控制置于手動(RCS401KU置于“MANU”)，通過RCS006RS提升一回路壓力。之后將RCS401KU置于自動控制方式，穩(wěn)定壓力在熱停堆工況要求。

失電導(dǎo)致所有主給水泵及輔助給水泵TFA001PO失去，輔助給水泵TFA002PO自動啟動后出口閥門全開，大流量冷水注入蒸汽發(fā)生器，操縱人員需盡快復(fù)位TFA調(diào)節(jié)閥全開命令，調(diào)節(jié)輔助給水泵出口閥門開度穩(wěn)定蒸汽發(fā)生器水位，防止蒸汽發(fā)生器水位過高。

表5 核熱參數(shù)控制操作程序

續(xù)表

表5為核熱參數(shù)控制操作程序(部分)，核熱系統(tǒng)參數(shù)相互關(guān)聯(lián)，步驟12、步驟13、步驟14、步驟15的控制應(yīng)同步進行。事故前期防止一回路過冷，應(yīng)提前控制蒸汽發(fā)生器水位；事故后期防止一回路過熱，及時通過大氣排放閥控制一回路溫度。

表6 核熱參數(shù)控制方式

3.4 EDA電壓恢復(fù)后的操作

首先斷開EDA配電盤下游負荷，因EDA喪失中壓配電盤下游斷路器保持閉合，所以恢復(fù)供電之前必須確保斷開主給水泵、主泵等供電斷路器，避免設(shè)備誤啟動。隨后進行EDA配電盤送電、廠變給ESA/D/E/F母線重新供電、啟主泵、復(fù)位停堆斷路器等恢復(fù)工作。

4 結(jié)論

EDA失電研究結(jié)果，分析了EDA喪失后機組中、低壓配電系統(tǒng)的供電情況、重要設(shè)備的運行狀態(tài)及設(shè)備的自動響應(yīng)動作；統(tǒng)計了EDA喪失后不可用的設(shè)備，明確了執(zhí)行相同功能的替代設(shè)備；梳理了事故中存在的風(fēng)險，對具體風(fēng)險制定了預(yù)防措施。依據(jù)EDA失電研究結(jié)果，本文闡述了機組的事故演變進程，事故控制策略。對于事故程序設(shè)計者，EDA失電研究結(jié)果為事故處理程序的設(shè)計提供了直接依據(jù)；對于主控操縱人員，EDA失電研究結(jié)果是對事故處理程序的解讀，根據(jù)EDA失電研究結(jié)果，操縱人員能理解事故處理程序中每一步操作背后的原因。

通過EDA失電研究，發(fā)現(xiàn)機組在以下幾個方面可供優(yōu)化：

①EDA 失電會觸發(fā)發(fā)電機及變壓器保護“全停Ⅰ”，主泵跳閘，機組進入自然循環(huán)模式，產(chǎn)生了大瞬態(tài)，不利于事故處理?？煽紤]將EDA喪失觸發(fā)發(fā)電機及變壓器保護“全停Ⅰ”變更為“全停Ⅱ”，廠用電由主變繼續(xù)供電；但該變更需同時對主冷卻劑泵、循環(huán)水泵等進線斷路器控制電源進行相應(yīng)變更，防止無保護運行；

②EDA 母線失電，EEP母線繼續(xù)帶電(進線為機械自保持接觸器)，但下游汽輪機輔助設(shè)備均跳閘，僅剩一臺頂軸油泵運行，汽輪發(fā)電機組輔助系統(tǒng)冗余度下降，汽機正常可靠惰轉(zhuǎn)停機存在一定風(fēng)險。可考慮給EEP增加一路控制電源，實現(xiàn)雙控制電源；

③兩臺閉式冷卻水泵WCI101PO、WCI201PO進線開關(guān)均為電氣自保持型接觸器，且控制電源均取自EDA。EDA喪失兩臺泵均跳閘停運，閉式冷卻水系統(tǒng)失去強迫循環(huán)，下游用戶失去冷卻?？煽紤]將其中一臺泵進線接觸器控制電源變更為EDJ。

隨著后續(xù)對EDA失電的研究更加深入及全面，甚至可以發(fā)現(xiàn)部分設(shè)計或工程建設(shè)上的缺陷或更多需要改進優(yōu)化的空間，主要體現(xiàn)在機組工程實際與設(shè)計文件不一致，或者設(shè)計方案本身不夠合理，繼而提出更加全面的儀控電源供電優(yōu)化方案。通過對負荷的供電開關(guān)類型進行改造或調(diào)整負荷的儀控電源或改變負荷上游母線類型，從而將部分事故風(fēng)險從設(shè)計上予以規(guī)避。

致謝

本文研究成果基于核動力運行研究所內(nèi)部研究課題——《“華龍一號”失電研究》，研究過程中得到福清核電廠“華龍一號”項目相關(guān)專家的大力支持及指導(dǎo)，在此對他們致以誠摯的感謝。