秦山核電廠黑啟動(dòng)方案探析

陳 望

(中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 海鹽 314300)

隨著電力技術(shù)的進(jìn)步和經(jīng)驗(yàn)的積累，我國(guó)電力系統(tǒng)運(yùn)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(zāi)害等各類不確定性因素，仍在嚴(yán)重威脅電力系統(tǒng)安全。外部電力系統(tǒng)的穩(wěn)定對(duì)核電廠的安全至關(guān)重要，2011年的日本福島核事故即是例證。為應(yīng)對(duì)可能發(fā)生的電力系統(tǒng)大規(guī)模故障，制定切實(shí)可行的方案，采取有效措施實(shí)現(xiàn)局部孤立系統(tǒng)的黑啟動(dòng)，對(duì)系統(tǒng)的快速恢復(fù)和減少事故造成的損失具有重要意義。為此，國(guó)標(biāo)《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)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(fù)方案(包括黑啟動(dòng)方案)[1]。作為電力系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，核電廠也應(yīng)預(yù)先制定可行的黑啟動(dòng)應(yīng)急方案，以縮短事故處理時(shí)間。

黑啟動(dòng)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(dòng)力(柴油機(jī)、水力資源等)或外部電源，帶動(dòng)無(wú)自啟動(dòng)能力的發(fā)電機(jī)組完成啟動(dòng)，達(dá)到額定轉(zhuǎn)速并建立正常電壓，并有步驟地恢復(fù)部分系統(tǒng)運(yùn)行和用戶供電，最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)恢復(fù)運(yùn)行的過(guò)程[2]?？傮w上，實(shí)現(xiàn)黑啟動(dòng)主要包括準(zhǔn)備、電力系統(tǒng)恢復(fù)和電力負(fù)荷恢復(fù)等三個(gè)階段[3]。

(1)準(zhǔn)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(rèn)。

2)電力系統(tǒng)內(nèi)各發(fā)電廠、電站自行啟動(dòng)事故備用電源(柴油機(jī)或蓄電池)，確保主發(fā)電機(jī)、主設(shè)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(jìn)行黑啟動(dòng)時(shí)，各發(fā)電廠、電站按照調(diào)度指令及應(yīng)急預(yù)案，將相關(guān)開(kāi)關(guān)、刀閘置于可控狀態(tài)，以保證系統(tǒng)迅速、可靠恢復(fù)。

(2)電力系統(tǒng)恢復(fù)階段

1)電力系統(tǒng)各分區(qū)中具備黑啟動(dòng)能力的機(jī)組實(shí)現(xiàn)自啟動(dòng)；

2)由黑啟動(dòng)機(jī)組通過(guò)輸電線路建立小系統(tǒng)；

3)小系統(tǒng)建立后擴(kuò)大、合并為大系統(tǒng)。

(3)電力負(fù)荷恢復(fù)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(shí)現(xiàn)重新啟動(dòng)；

2)按次序恢復(fù)有關(guān)線路，不斷增加黑啟動(dòng)分區(qū)內(nèi)的負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)黑啟動(dòng)分區(qū)之間的互聯(lián)；

3)逐步恢復(fù)整個(gè)電力系統(tǒng)的供電。

本文根據(jù)浙江電網(wǎng)實(shí)際配置，以及秦山核電廠1號(hào)機(jī)組(簡(jiǎn)稱“秦山一期”)技術(shù)規(guī)格書、相關(guān)法規(guī)及管理規(guī)定，對(duì)發(fā)生全網(wǎng)斷電事故期間秦山一期實(shí)現(xiàn)黑啟動(dòng)的方案進(jìn)行探討，為確保廠用電，加快事故處理，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆和發(fā)電機(jī)組重新啟動(dòng)、并網(wǎng)提供指導(dǎo)，以提高電廠的應(yīng)急響應(yīng)能力，降低核安全風(fēng)險(xiǎn)。

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(guò)兩條分列運(yùn)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(luò)，秦躍2428 線與躍新變聯(lián)絡(luò)，秦立2424 線與立峰變聯(lián)絡(luò)。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(luò)開(kāi)關(guān)保持?jǐn)嚅_(kāi)。秦山核電廠220 kV系統(tǒng)配置情況見(jiàn)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(jī)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(tái)安全級(jí)的應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)(EDG)，可在電廠發(fā)生失去廠外交流電源且發(fā)電機(jī)失效的事故工況下，分別通過(guò)A、B通道向廠內(nèi)安全級(jí)的6 kV安全母線供電。其中，1號(hào)和3號(hào)EDG分別對(duì)應(yīng)6 kV安全Ⅰ段和安全Ⅱ段母線。2號(hào)EDG可根據(jù)工況，通過(guò)切換柴油發(fā)電機(jī)出口開(kāi)關(guān)，替換不可用的1號(hào)或3號(hào)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(yīng)對(duì)假想的極限事故，秦山一期還新增了非安全級(jí)的輔助交流柴油發(fā)電機(jī)(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(tái)柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)的6 kV和380 V電壓等級(jí)的中、低壓移動(dòng)電源車，必要時(shí)可向?qū)?yīng)母線供電。

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(duì)火電廠，為確保核安全，核電機(jī)組對(duì)電廠交流電源的配置及可運(yùn)行性的要求非常嚴(yán)格。秦山一期技術(shù)規(guī)格書規(guī)定的運(yùn)行限制條件，以及反應(yīng)堆啟動(dòng)相關(guān)管理程序?qū)﹄姀S交流電源的配置及可運(yùn)行性規(guī)定如下：

1)功率運(yùn)行期間，在廠外輸電網(wǎng)(即浙江電網(wǎng))與廠內(nèi)1E級(jí)配電系統(tǒng)(即6 kV安全母線)之間有兩條相互獨(dú)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(shí)，如24 h內(nèi)不能恢復(fù)至少一路獨(dú)立廠外電源(或72 h內(nèi)不能恢復(fù)二路獨(dú)立廠外電源)運(yùn)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(shí)冷卻劑系統(tǒng)溫度應(yīng)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(dú)立廠外電源時(shí)，不能進(jìn)行反應(yīng)堆臨界和機(jī)組并網(wǎng)操作。

此外，根據(jù)電廠核應(yīng)急相關(guān)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(yīng)急狀態(tài)等級(jí)，及時(shí)采取相應(yīng)行動(dòng)。若廠外交流電源較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)不能恢復(fù)，須根據(jù)恢復(fù)時(shí)間提升應(yīng)急響應(yīng)等級(jí)，最高可至廠外應(yīng)急。

2 發(fā)生全網(wǎng)停電故障后的初始響應(yīng)

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(hù)裝置隨之動(dòng)作，電廠將甩去全部外部負(fù)荷進(jìn)入孤島運(yùn)行狀態(tài)(發(fā)電機(jī)組與外電網(wǎng)脫開(kāi)連接，僅帶電廠自身負(fù)荷運(yùn)行)。如機(jī)組能維持孤島運(yùn)行狀態(tài)，則反應(yīng)堆及發(fā)電機(jī)組均保持運(yùn)行，保障自身負(fù)荷，等待電網(wǎng)恢復(fù)。如因保護(hù)裝置動(dòng)作失效或機(jī)組狀態(tài)控制等原因?qū)е滤ω?fù)荷失敗，或因外電源長(zhǎng)期無(wú)法恢復(fù)而被迫進(jìn)行模式后撤，發(fā)電機(jī)自動(dòng)或被迫手動(dòng)停機(jī)，反應(yīng)堆將隨之停堆。

針對(duì)上述情況，在發(fā)生電網(wǎng)全部停電事故時(shí)，當(dāng)班運(yùn)行人員應(yīng)立即根據(jù)實(shí)際工況選擇執(zhí)行以下兩個(gè)步驟，以確保廠用電。

2.1 機(jī)組甩負(fù)荷到孤島運(yùn)行狀態(tài)

1)立即執(zhí)行電廠應(yīng)對(duì)甩負(fù)荷事故的專門規(guī)程，并確認(rèn)主變高壓側(cè)開(kāi)關(guān)2001M已跳閘。若2001M開(kāi)關(guān)未跳閘，則手動(dòng)斷開(kāi)之，使機(jī)組導(dǎo)向孤島運(yùn)行模式。

2)密切聯(lián)系浙江省調(diào)，確認(rèn)事故情況。

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

4)維持機(jī)組在孤島運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)應(yīng)注意盡量減少設(shè)備啟停引起的負(fù)荷波動(dòng)。

若外電源長(zhǎng)時(shí)間無(wú)法恢復(fù)，根據(jù)技術(shù)規(guī)格書要求，反應(yīng)堆需在規(guī)定時(shí)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(dòng)啟動(dòng)A、B通道的兩臺(tái)EDG，切除6 kV安全段母線上不必要的負(fù)荷后，將6 kV安全段母線由發(fā)電機(jī)組供電改為由EDG供電。

2)手動(dòng)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(jī)潤(rùn)滑油相關(guān)設(shè)備供電正常，確保汽輪機(jī)停機(jī)安全。

3)停止不必要的電廠負(fù)荷后，執(zhí)行手動(dòng)停堆操作。

4)停堆后，機(jī)組聯(lián)鎖停機(jī)，主泵失電停運(yùn)，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(yīng)等事故處理規(guī)程，并進(jìn)行機(jī)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(dòng)相關(guān)步驟。

2.2 機(jī)組甩負(fù)荷失敗

1)機(jī)組甩負(fù)荷失敗后，發(fā)電機(jī)停機(jī)，反應(yīng)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(shí)電廠交流電源僅剩余后備交流電源EDG或AAC，應(yīng)及時(shí)確認(rèn)EDG自動(dòng)啟動(dòng)向安全段供電正常，否則手動(dòng)啟動(dòng)EDG或AAC向安全段供電。

3)執(zhí)行技術(shù)規(guī)格書相關(guān)要求，將機(jī)組后撤至相應(yīng)模式。

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

3 黑啟動(dòng)準(zhǔn)備階段工作步驟及注意事項(xiàng)

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(kāi)始啟動(dòng)黑啟動(dòng)流程后，電廠根據(jù)調(diào)度指令，執(zhí)行以下黑啟動(dòng)準(zhǔn)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(rèn)380 V安全段由6 kV安全段母線供電正常。

3)確認(rèn)一回路220 V直流系統(tǒng)、24 V直流系統(tǒng)由對(duì)應(yīng)安全電源供電正常。

4)確認(rèn)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(dòng)路徑上的秦塘2P59、秦立2424、秦躍2428等相應(yīng)線路開(kāi)關(guān)和閘刀置于相應(yīng)狀態(tài)。

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

3.2 注意事項(xiàng)

1)發(fā)生電網(wǎng)全部停電時(shí)，電廠應(yīng)根據(jù)省調(diào)指令，保留部分開(kāi)關(guān)、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(dāng)班值應(yīng)加強(qiáng)對(duì)直流系統(tǒng)的監(jiān)視和維護(hù)，切除不必要的直流負(fù)荷，盡量延長(zhǎng)直流電源的供電時(shí)間，保證電力通信、自動(dòng)化、繼電保護(hù)、安全自動(dòng)裝置和控制操作等基本負(fù)荷的供電。

3)孤島運(yùn)行期間，必須嚴(yán)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(shí)應(yīng)依據(jù)浙江省電力系統(tǒng)調(diào)度控制管理規(guī)程及時(shí)處理。

4)孤島運(yùn)行期間，原則上不考慮孤島運(yùn)行對(duì)汽輪機(jī)的損害，以技術(shù)規(guī)格書允許的最長(zhǎng)時(shí)間維持孤島運(yùn)行。

4 廠外交流電源恢復(fù)路徑及實(shí)現(xiàn)黑啟動(dòng)流程

4.1 廠外交流電源恢復(fù)路徑

浙江天荒坪抽水蓄能電廠4 號(hào)機(jī)組是秦山核電廠所處系統(tǒng)內(nèi)，經(jīng)驗(yàn)證并經(jīng)主管單位確認(rèn)具備黑啟動(dòng)能力的機(jī)組。根據(jù)《華東電力系統(tǒng)黑啟動(dòng)方案(2019年版)》和華東電網(wǎng)主網(wǎng)黑啟動(dòng)恢復(fù)路徑圖(見(jiàn)圖2)，秦山核電廠的廠外電源共有兩路恢復(fù)路徑，分別如下：

1)天荒坪4號(hào)機(jī)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(hào)主變及其2組低抗)，然后由王店2號(hào)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(hào)機(jī)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(hào)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(fù)步驟

浙江電網(wǎng)利用天荒坪電廠4號(hào)機(jī)組執(zhí)行黑啟動(dòng)后，電廠恢復(fù)廠外電流程如下：

1)浙江省調(diào)確認(rèn)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(guān)發(fā)電廠、電站相關(guān)開(kāi)關(guān)狀態(tài)負(fù)荷要求。

2)天荒坪柴油發(fā)電機(jī)已啟動(dòng)，4號(hào)機(jī)為備用狀態(tài)，具備零負(fù)荷啟動(dòng)升壓的條件。

3)天荒坪用4 號(hào)機(jī)對(duì)局域電網(wǎng)進(jìn)行零負(fù)荷啟動(dòng)升壓。

4)天荒坪4 號(hào)機(jī)出力達(dá)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(diǎn)電壓均合格后，浙江省調(diào)許可秦山一期恢復(fù)部分必要的負(fù)荷。

4.3 秦山一期實(shí)現(xiàn)黑啟動(dòng)步驟

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

(1)孤島運(yùn)行狀態(tài)下的黑啟動(dòng)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(fù)條件時(shí)，經(jīng)浙江省調(diào)許可后及時(shí)恢復(fù)運(yùn)行。

2)220 kVⅠ母和220 kV Ⅱ母均恢復(fù)運(yùn)行，滿足技術(shù)規(guī)格書對(duì)于交流電源的配置要求后，經(jīng)浙江省調(diào)許可，可進(jìn)行汽輪發(fā)電機(jī)組經(jīng)主變高壓側(cè)開(kāi)關(guān)2001M同電網(wǎng)并網(wǎng)操作。并網(wǎng)后應(yīng)嚴(yán)密監(jiān)視發(fā)電機(jī)及220 kV母線電壓、頻率等重要參數(shù)，控制機(jī)組狀態(tài)，防止由于系統(tǒng)不穩(wěn)造成發(fā)電機(jī)跳閘或反應(yīng)堆停堆，出現(xiàn)二次事故。

3)經(jīng)省調(diào)許可，機(jī)組逐步進(jìn)行升負(fù)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(fù)荷逐級(jí)恢復(fù)。

(2)停機(jī)停堆狀態(tài)下的黑啟動(dòng)步驟

如機(jī)組已停機(jī)停堆，則按以下步驟恢復(fù)220 kV廠外電源，并逐級(jí)將廠內(nèi)電源恢復(fù)由廠外電源供電，實(shí)現(xiàn)機(jī)組啟動(dòng)：

1)具備恢復(fù)一條220 kV廠外線路條件時(shí)，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(guò)高壓廠變逐級(jí)恢復(fù)廠內(nèi)負(fù)荷至正常供電，使得廠內(nèi)重要負(fù)荷可以根據(jù)需要啟動(dòng)運(yùn)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(fù)至正常供電。

4)具備恢復(fù)另一條220 kV廠外線路條件時(shí)，經(jīng)省調(diào)許可恢復(fù)至220 kV Ⅱ母運(yùn)行。

5)核實(shí)已滿足技術(shù)規(guī)格書要求確認(rèn)機(jī)組已滿足啟動(dòng)條件，進(jìn)行機(jī)組升模式至熱停堆。

6)經(jīng)批準(zhǔn)后，進(jìn)行反應(yīng)堆達(dá)臨界操作。

7)執(zhí)行汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)。

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

5 結(jié)束語(yǔ)

秦山一期自1991年投運(yùn)以來(lái)，僅進(jìn)行過(guò)甩負(fù)荷帶廠用電運(yùn)行和短時(shí)間失去全部廠外電源的調(diào)試試驗(yàn)，未經(jīng)歷過(guò)外部電力長(zhǎng)時(shí)間全部喪失后進(jìn)行黑啟動(dòng)的驗(yàn)證，缺少相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。電廠現(xiàn)有的規(guī)程體系也沒(méi)有針對(duì)此工況的明確指導(dǎo)。因此應(yīng)加強(qiáng)對(duì)運(yùn)行人員對(duì)相關(guān)技術(shù)資料和經(jīng)驗(yàn)反饋的培訓(xùn)，利用全范圍模擬機(jī)等技術(shù)手段，模擬事故場(chǎng)景，加強(qiáng)突發(fā)瞬態(tài)下機(jī)組狀態(tài)控制的練習(xí)，掌握電廠黑啟動(dòng)的操作要點(diǎn)，以便故障真實(shí)發(fā)生時(shí)能更從容地應(yīng)對(duì)。