漳州“華龍一號(hào)”動(dòng)、靜態(tài)棒電源系統(tǒng)研究與分析

葉甲寅，池闖正，吳升國(guó)，熊之光，張水龍

(中核國(guó)電漳州能源有限公司，福建 漳州 363300)

“華龍一號(hào)”是我國(guó)具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的三代壓水堆示范項(xiàng)目，作為民族核電“走出去”戰(zhàn)略的主打品牌，采用177個(gè)燃料組件的反應(yīng)堆堆芯、能動(dòng)和非能動(dòng)相結(jié)合的設(shè)計(jì)理念、多重冗余的安全系統(tǒng)、單堆布置、雙層安全殼等設(shè)計(jì)方案，全面貫徹“縱深防御”的設(shè)計(jì)原則，達(dá)到了國(guó)際三代核電技術(shù)的先進(jìn)水平?！叭A龍一號(hào)”項(xiàng)目建設(shè)的順利推進(jìn)對(duì)提高我國(guó)核電自主創(chuàng)新能力，掌握具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)核電技術(shù)，實(shí)現(xiàn)從“核大國(guó)”到“核強(qiáng)國(guó)”跨越均具有重大戰(zhàn)略意義。

漳州核電廠是采用“華龍一號(hào)”融合技術(shù)的首堆項(xiàng)目，在177個(gè)燃料組件中布置了69束控制棒組件來(lái)實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆的反應(yīng)性控制(華龍首堆和M310機(jī)組布置61束)，其動(dòng)力電源引自控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(CRDM)1至18電源柜，棒電源系統(tǒng)作為控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的上游電源，其穩(wěn)定供電直接影響機(jī)組的運(yùn)行。

1 系統(tǒng)功能介紹

在反應(yīng)堆堆芯中的69束控制棒組件，按功能分為停堆棒組和控制棒組(控制棒組又分為溫度控制棒組和功率控制棒組)。棒控系統(tǒng)用于提升、保持和插入控制棒棒束，控制反應(yīng)堆堆芯的反應(yīng)性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)堆芯溫度和核功率的控制。棒電源系統(tǒng)的主要功能是給棒控系統(tǒng)的控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力電源。在運(yùn)行發(fā)電期間，需保證能連續(xù)不間斷、穩(wěn)定可靠地給控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的線圈提供電源。如圖1所示。

圖1 CRDM電源開(kāi)關(guān)柜線路圖Fig.1 The circuit diagram of the power swithgear CRDM

2 動(dòng)態(tài)棒電源系統(tǒng)

為確?？刂瓢趄?qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的線圈電源持續(xù)穩(wěn)定，棒電源系統(tǒng)的每套發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)增加了一個(gè)飛輪。當(dāng)廠用電源失去或受擾動(dòng)的持續(xù)時(shí)間未超過(guò)1.2 s時(shí)，飛輪將以足夠的慣性來(lái)維持發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，確保發(fā)電機(jī)的電能質(zhì)量不受影響，我們將其稱(chēng)之為動(dòng)態(tài)棒電源系統(tǒng)，目前的“華龍一號(hào)”均采用該類(lèi)型系統(tǒng)。

2.1 系統(tǒng)配置

每臺(tái)機(jī)組的動(dòng)態(tài)棒電源系統(tǒng)由兩套電動(dòng)飛輪發(fā)電機(jī)組(MG：電動(dòng)機(jī)、飛輪、發(fā)電機(jī)、勵(lì)磁裝置、出口電壓調(diào)節(jié)器、保護(hù)裝置)、斷路器屏和配套的控制屏組成。兩套相同的MG同時(shí)并列運(yùn)行100%冗余配置，分別由ERA/ERB不同380 V母線供電，ERA上級(jí)電源引自高廠變A1分支的10 kV ESA母線，ERB上級(jí)電源引自高廠變A2分支的10 kV ESD母線。

在正常運(yùn)行期間，兩臺(tái)電動(dòng)飛輪發(fā)電機(jī)共同給控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的線圈提供電源，當(dāng)其中一路380 V電源失電或者一套電動(dòng)飛輪發(fā)電機(jī)發(fā)生故障或檢修維護(hù)時(shí)，由另外一套電動(dòng)飛輪發(fā)電機(jī)以足夠的容量繼續(xù)給CRDM提供需要的功率。如圖2所示。

圖2 電動(dòng)飛輪發(fā)電機(jī)組示意圖Fig.2 The schematic of the electric flywheel generator

2.2 系統(tǒng)特性

MG電動(dòng)機(jī)的特性：異步電動(dòng)機(jī)，臥式安裝，鼠籠轉(zhuǎn)子，單方向旋轉(zhuǎn)，繞組為星形連接，防護(hù)等級(jí)IP55，防塵防水噴濺，自冷模式，絕緣等級(jí)“F”。額定功率為135 kW，同步轉(zhuǎn)速1 500 r/min，三相額定電壓380 V，失步電壓低于0.7Un。

MG飛輪特性：裝在電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)之間，通過(guò)半個(gè)聯(lián)軸節(jié)用鍵固定在發(fā)電機(jī)的軸伸端，當(dāng)電動(dòng)機(jī)失去電源時(shí)間小于1.2 s時(shí)，能維持發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，保證發(fā)電機(jī)輸出電壓的下降不超過(guò)10%Un，輸出頻率的下降不大于12%Fn(U≥342 V，F(xiàn)≥44 Hz)。鑒于飛輪的重要性，其生產(chǎn)過(guò)程要求使用限制裂紋和改善裂韌度的工藝加工，防止應(yīng)力集中(模壓、鉆孔等)，每個(gè)飛輪需要通過(guò)應(yīng)力計(jì)算、平衡、超聲波進(jìn)行100%的檢查，并按NB/T 20003標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢驗(yàn)測(cè)試。

MG發(fā)電機(jī)特性：棒電源系統(tǒng)的負(fù)載都是線圈，具有高感特性，發(fā)電機(jī)也采用相對(duì)應(yīng)的特性設(shè)備以滿足電源需求，采用帶中性線的三相同步發(fā)電機(jī)，定子繞組采用曲折星形連接，可消除回路中大量的直流分量和高次諧波，降低定子和轉(zhuǎn)子的損耗；輸出線電壓260 V±5%，直軸超瞬變電抗Xd”<0.1，可抑制輸出電壓變化率，再配置電壓調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)時(shí)間0.2～1.2 s，達(dá)到維持發(fā)電機(jī)出口電壓穩(wěn)定；兩端軸承為滾動(dòng)軸承，和端蓋齊平，腔室設(shè)置鉑電阻溫度計(jì)和振動(dòng)傳感器進(jìn)行溫度和振動(dòng)監(jiān)測(cè)；定子繞組配置溫度計(jì)；在勵(lì)磁回路中裝設(shè)分流器用于控制柜勵(lì)磁電流監(jiān)測(cè)和失磁保護(hù)。

3 靜態(tài)棒電源系統(tǒng)

靜態(tài)棒電源系統(tǒng)是相對(duì)于電動(dòng)飛輪發(fā)電機(jī)組的動(dòng)態(tài)發(fā)電系統(tǒng)而提出的，以整流裝置替代發(fā)電機(jī)，超級(jí)電容替代飛輪來(lái)確?？刂瓢趄?qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的線圈電源持續(xù)穩(wěn)定，由兩套整流裝置、兩套儲(chǔ)能柜、兩套控制柜組成。如圖3所示。

圖3 靜態(tài)棒電源系統(tǒng)示意圖Fig.3 The schematic of the static bar power system

3.1 整流裝置

靜態(tài)棒電源系統(tǒng)由兩路廠用380 V交流電源段供電，兩套整流器將廠用電380 V交流電源整流成220 V直流電源，直接給控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的線圈供電。正常運(yùn)行期間，兩套相同的整流裝置同時(shí)并列運(yùn)行，每套整流裝置負(fù)擔(dān)50%的負(fù)荷。當(dāng)其中一路交流電源失電或者一套整流裝置故障、檢修維護(hù)時(shí)，由另外一套整流裝置以足夠的容量繼續(xù)負(fù)擔(dān)控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)線圈100%的負(fù)荷。高頻模塊式整流設(shè)備運(yùn)行效率高，噪音小，靈活采用“N+X”的并聯(lián)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提高系統(tǒng)運(yùn)行可靠性，同時(shí)熱插拔模塊式設(shè)計(jì)大幅降低了系統(tǒng)維護(hù)時(shí)間。

3.2 儲(chǔ)能柜

儲(chǔ)能柜采用超級(jí)電容，具有大功率輸出和能接受大電流充放電等優(yōu)點(diǎn)，可以在較小的占地面積下提供短時(shí)間的高功率，充放電壽命高達(dá)百萬(wàn)次的優(yōu)勢(shì)，可以在保證儲(chǔ)能柜壽命的情況下緩沖控制棒運(yùn)動(dòng)引起的電流大幅度變化，使整流柜輸出平穩(wěn)，減小整流柜的容量需求。超級(jí)電容相對(duì)于常規(guī)鉛酸蓄電池而言，有著本質(zhì)的區(qū)別。超級(jí)電容的儲(chǔ)能過(guò)程是物理過(guò)程，電池儲(chǔ)能是化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程，超級(jí)電容的功率特性要好于電池，可以大電流快速充放電，電池的能量密度要比超級(jí)電容高，同等體積下電池儲(chǔ)存的能量要多。

根據(jù)運(yùn)行工況需要，儲(chǔ)能柜是代替飛輪的功能需求，當(dāng)外部輸入電源中斷或異常的時(shí)間未超過(guò)1.2秒時(shí)，需要繼續(xù)保證控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的線圈電源持續(xù)穩(wěn)定，超級(jí)電容具備大電流快速充放電的功能，比鉛酸蓄電池更適用于棒控電源系統(tǒng)。

4 差異性分析

動(dòng)、靜態(tài)棒電源系統(tǒng)的功能目的都是確?？刂瓢趄?qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的線圈電源持續(xù)穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)功能的方式和日常維護(hù)卻有所不同，將從原理、結(jié)構(gòu)、維護(hù)、安全、成本五個(gè)方面進(jìn)行差異性分析。

4.1 原理對(duì)比

動(dòng)態(tài)或靜態(tài)棒電源系統(tǒng)都能給控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的線圈提供穩(wěn)定可靠的電源，但是兩者實(shí)現(xiàn)的原理和方式完全不一樣，設(shè)備參數(shù)和配置的保護(hù)也不一樣。

動(dòng)態(tài)棒電源系統(tǒng)采用電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，機(jī)械能再轉(zhuǎn)化成電能，經(jīng)過(guò)飛輪和發(fā)電機(jī)的作用，瞬時(shí)輸出最大功率可達(dá)127 kW，使發(fā)電機(jī)出口電壓穩(wěn)定在260 V，通過(guò)停堆斷路器組合和三相棒控電源分配柜送出，再經(jīng)過(guò)整流后作為控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的線圈電源。在最多控制棒運(yùn)行工況下，能抵御外部輸入電源中斷或波動(dòng)的時(shí)間超過(guò)1.2 s。

靜態(tài)棒電源系統(tǒng)采用380 V交流電整流成220 V直流電，再加上儲(chǔ)能柜的超級(jí)電容，瞬時(shí)輸出最大電流可達(dá)到1 200 A，通過(guò)控制柜的斷路器直接作為控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的線圈電源。在最多控制棒運(yùn)行工況下，能抵御外部輸入電源中斷或波動(dòng)的時(shí)間超過(guò)3 s。

4.2 結(jié)構(gòu)對(duì)比

動(dòng)、靜態(tài)棒電源系統(tǒng)的主設(shè)備不一樣，其安裝要求、占地面積、輔助支撐系統(tǒng)也有明顯的不同。

在安裝要求方面，動(dòng)態(tài)棒電源系統(tǒng)的每套MG機(jī)組部件(電動(dòng)機(jī)、飛輪和發(fā)電機(jī))安裝在共用的底座上，共用底座需要與基礎(chǔ)預(yù)埋螺栓連接，固定后還需要用墊片進(jìn)行調(diào)整和校正。為了使電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)保持在同一水平線，MG機(jī)組還需要在電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)/非驅(qū)動(dòng)端軸承腔室、發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)/非驅(qū)動(dòng)端軸承腔室水平方向和垂直方向的配置振動(dòng)測(cè)量。而靜態(tài)棒電源系統(tǒng)的則由整流裝置柜子組成，柜體安裝底座和振動(dòng)方面與核島開(kāi)關(guān)柜一樣，滿足抗震要求即可。

在占地面積方面，動(dòng)態(tài)棒電源系統(tǒng)的2臺(tái)電動(dòng)發(fā)電機(jī)組、3個(gè)控制柜、3面斷路器屏占地面積約70 m2。靜態(tài)棒電源系統(tǒng)4臺(tái)整流裝置、4臺(tái)超級(jí)電容柜、3個(gè)控制柜占地面積約40 m2。如圖4所示。

在輔助支撐系統(tǒng)方面，動(dòng)態(tài)棒電源系統(tǒng)的MG機(jī)組在安裝、調(diào)試、維護(hù)時(shí)都需要吊車(chē)配合。靜態(tài)棒電源系統(tǒng)則不用配置吊車(chē)。

圖4 動(dòng)、靜態(tài)棒電源設(shè)備布置圖Fig.4 The layout of the dynamic and static bar power equipment

4.3 維護(hù)對(duì)比

動(dòng)、靜態(tài)棒電源系統(tǒng)的設(shè)備數(shù)量差異較大，導(dǎo)致維護(hù)方面也存在一定的差異。

動(dòng)態(tài)棒電源系統(tǒng)較為復(fù)雜，零部件種類(lèi)多，調(diào)試復(fù)雜。特別對(duì)電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的安裝要求都比較高，振動(dòng)和溫度測(cè)點(diǎn)較多，檢修更換軸承工作難度較大，對(duì)中精度要求非常高，其檢修質(zhì)量決定了設(shè)備壽命和運(yùn)行的穩(wěn)定性，檢修維護(hù)過(guò)程都需要吊車(chē)配合。

靜態(tài)棒電源系統(tǒng)較為簡(jiǎn)單，每面整流柜由多個(gè)整流模塊組成，采用冗余整流模塊設(shè)計(jì)，靈活采用了“N+X”的并聯(lián)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提高系統(tǒng)運(yùn)行可靠性，在單個(gè)模塊故障情況下仍能滿足供電需求，可在線抽出故障的整流模塊，維護(hù)較為簡(jiǎn)單。整流模塊內(nèi)部的電子產(chǎn)品質(zhì)量決定了設(shè)備運(yùn)行壽命。

4.4 安全對(duì)比

在運(yùn)行穩(wěn)定方面，動(dòng)態(tài)棒電源系統(tǒng)配備的保護(hù)較多，設(shè)有差動(dòng)保護(hù)、逆功率保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、勵(lì)磁保護(hù)、低頻保護(hù)、振動(dòng)和溫度保護(hù)，任一保護(hù)動(dòng)作都會(huì)觸發(fā)對(duì)應(yīng)的MG機(jī)組停運(yùn)，由另一臺(tái)MG機(jī)組提供電源。因此，兩臺(tái)MG機(jī)組還要具備在帶載狀態(tài)下同期并車(chē)的功能。根據(jù)運(yùn)維經(jīng)驗(yàn)，影響系統(tǒng)安全或非停故障較多的是MG機(jī)組軸承磨損導(dǎo)致振動(dòng)高。

靜態(tài)棒電源系統(tǒng)相對(duì)較為簡(jiǎn)單，無(wú)需配置振動(dòng)方面的保護(hù)，僅設(shè)有過(guò)流保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)、接地保護(hù)。在整流裝置的供電回路中，采用整流模塊冗余設(shè)計(jì)，單個(gè)模塊故障情況下仍能滿足最多控制棒運(yùn)行工況的供電需求。根據(jù)核電廠直流系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，整流模塊發(fā)生異常或故障較多是內(nèi)部板卡及電子元器件的質(zhì)量問(wèn)題導(dǎo)致，整體運(yùn)行相對(duì)穩(wěn)定。

4.5 綜合對(duì)比

在核電廠成本方面，棒電源系統(tǒng)的成本由設(shè)計(jì)、設(shè)備(包含樣機(jī))、特殊工具、備品備件、消耗品、維護(hù)等方面構(gòu)成。動(dòng)態(tài)棒電源系統(tǒng)的設(shè)備、特殊工具、備品備件、維護(hù)方面均高于靜態(tài)棒電源系統(tǒng)。靜態(tài)棒電源系統(tǒng)有著明顯的價(jià)格優(yōu)勢(shì)，且能滿足”華龍一號(hào)”設(shè)計(jì)接口需求。動(dòng)、靜態(tài)棒電源系統(tǒng)綜合對(duì)比如表1所示。

表1 動(dòng)、靜態(tài)棒電源系統(tǒng)綜合對(duì)比

5 結(jié)論

動(dòng)態(tài)棒電源系統(tǒng)作為控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的上游電源，是目前已投運(yùn)核電廠的主流配置，系統(tǒng)較為復(fù)雜，設(shè)備造價(jià)及維護(hù)成本也相對(duì)較高。隨著直流整流和儲(chǔ)能技術(shù)的不斷發(fā)展，基于超級(jí)電容技術(shù)的靜態(tài)棒電源系統(tǒng)有著一定的優(yōu)勢(shì)。核電廠有電流大于1 000 A的安全級(jí)直流開(kāi)關(guān)柜的應(yīng)用，若能滿足直流停堆斷路器屏的要求，靜態(tài)棒電源系統(tǒng)將逐步替代動(dòng)態(tài)棒電源系統(tǒng)。