李 明,王 吉吉

(東北電力設計院,長春 130021)

作為 AP1000堆型核電廠機組縱深防御支持系統(tǒng)之一的 220 kV備用電源系統(tǒng),在保障機組運行的安全性、可靠性、經濟性、靈活性方面有著十分重要作用。雖然 AP1000采用了非能動的安全設計理念,降低了堆芯熔化事故的概率,但為保證機組安全、經濟運行,特別是事故 72 h后廠外交流電源的恢復供電,為核反應堆安全停閉提供充足的備用電源支持仍然是十分必要的。因此,合理確定備用電源容量是核電廠前期設計工作的重要內容之一。

1 核電機組備用電源功能[1]

按照 AP1000堆型核電廠的用戶要求文件(URD)和設計控制文件(DCD),AP1000堆型核電機組需要設置 2路外部電源,其中一路為優(yōu)先電源(PPS),來自電廠送出系統(tǒng)的 500 kV電網;另一路為備用電源,來自廠址附近的 220 kV地區(qū)電網。

核電廠正常交流廠用電源來自發(fā)電機母線,一般由 2臺額定容量相同的高壓廠用變壓器(以下簡稱高廠變)供給。當主發(fā)電機不可用時,則由優(yōu)先電源通過主變壓器和高廠變從開關站倒送,同時作為機組啟動、正常停堆及緊急停堆的主電源。

當主發(fā)電機及 500 kV優(yōu)先電源均不可用時,則由 220 kV備用電源通過備用變壓器為機組正常停堆及緊急停堆的非安全級負荷提供電源,也可為機組啟動、帶廠用負荷運行提供電源。

由于 AP1000核反應堆的相關安全設施采用非能動技術,故 500 kV優(yōu)先電源和 220 kV備用電源均無核安全相關功能的要求。

2 備用電源主要設計原則

根據(jù) GB/T 13177— 2008《核電廠優(yōu)先電源》及AP1000核反應堆的相關設計控制文件對備用電源的要求,廠外備用電源設計應遵循如下主要原則。

a．廠外主電源與備用電源應由 2個實體獨立的系統(tǒng)(但路徑不一定分開)來保證,以盡量減少同時發(fā)生故障的可能性,所引接的系統(tǒng)應有高度的可靠性,并具有足夠的容量。

b．廠外主電源與備用電源中的每一個電源均應能使所有由其供電的廠用設備從一個電源切換到另一個電源時再加速或啟動。

c．如果廠外主電源發(fā)生故障,備用電源應能自動投入運行。

d．在多機組核電廠里,2臺或 2臺以上的機組可以共用優(yōu)先電源。共用電源應能同時向共用該電源的每一機組所同時需要的負荷供電。

3 備用電源容量分析

3．1 AP1000交流廠用電系統(tǒng)

AP1000堆型核電廠交流廠用電系統(tǒng)(ECS)由10 kV中壓交流配電系統(tǒng)、380 V低壓負荷中心、380 V低壓電動機控制中心、備用柴油發(fā)電機電源系統(tǒng)組成。ECS為非 1E系統(tǒng),不執(zhí)行任何與安全相關的功能。

10 kV交流配電系統(tǒng)共有 6段配電裝置(ES1、ES2、ES3、ES4、ES5、ES6)。其中 ES1、ES2段布置在核島附屬建筑物內,主要為反應堆永久性非安全級重要負荷供電,每段都有 3個電源,正常電源來自每臺機組的高廠變。當高廠變不可用時,由備用變壓器供電。當 2個電源都不可用時,則由備用柴油發(fā)電機組供電。 ES3、ES4、ES5、ES6段布置在常規(guī)島汽機房內,主要為機組的單元負荷及 BOP負荷供電,每段都有 2個電源,正常電源來自每臺機組的高廠變,當高廠變不可用時,由備用變壓器供電。

3．2 典型廠用負荷統(tǒng)計分析

通過分析 AP1000堆型的典型設計資料,并參考國內 AP1000堆型核電廠前期設計的相關資料,對 AP1000堆型核電機組中壓交流廠用負荷的統(tǒng)計分析結果見表1。

表1 典型 10kV母線各段交流廠用負荷

3．3 AP1000堆型機組標準設計運行模式

AP1000堆型機組有 6種標準設計運行模式,即功率運行 (模式 1)、啟動 (模式 2)、熱備用(模式3)、熱停堆 (模式 4)、冷停堆 (模式 5)、換料 (模式6)。這 6種標準設計運行模式根據(jù)機組的運行環(huán)境、運行中可能發(fā)生的事件大小、對核島安全危害的程度,可以按照預定的程序相互轉換。

4 單臺及多臺機組備用電源容量需求

4．1 單臺機組

單臺機組在不同的設計運行模式下,廠用負荷的消耗容量相同。按照 AP1000堆型機組的 6種標準運行模式,單臺機組廠用負荷初步估算見表2。

表2 單臺機組廠用負荷初步估算 MV A

4．2 多臺機組

核電廠一般都規(guī)劃多臺機組。通常情況下一期建設 2臺機組,后期擴建至 4臺。為提高建設的經濟性,多臺機組往往采取共用廠外備用電源的模式建設,因此,應合理提出多臺機組的備用電源容量。

4．2．1 2臺機組備用電源容量估算

2臺機組運行時往往是共用 1路廠外 220 kV備用電源,備用電源的容量應能滿足 2臺機組各種組合運行方式下的最大需要。按照 AP1000堆型單臺機組的 6種標準設計運行模式,2臺機組運行時的各種組合模式需要的最大備用電源容量估算

a．組合 1：假設 2臺機組均處于運行模式 1,其中 1臺機組廠用負荷由備用變提供;此時另一臺機組由于某種事件導致高廠變負荷快速切換至備用變運行,則最大可能需要的備用電源容量為260 MVA。

b．組合 2：假設 1臺機組處于運行模式 1,廠用負荷由備用變提供;另一臺機組處于運行模式 2,廠用負荷由備用變提供,則可能需要的備用電源容量為169 MVA。

c．組合 3：假設 1臺機組處于運行模式 1,廠用負荷由備用變提供;另一臺機組處于運行模式 3,則需要的輔助電源容量為 194 MV A。

d．組合 4：假設 1臺機組處于運行模式 1,廠用負荷由備用變提供;另一臺機組處于運行模式 4,則需要的輔助電源容量為 169 MV A。

e．組合 5：假設 1臺機組處于運行模式 1,廠用負荷由備用變提供;另一臺機組處于運行模式 5,則需要的輔助電源容量為 152 MVA。

f．組合 6：假設 1臺機組處于運行模式 1,廠用負荷由備用變提供;另一臺機組處于運行模式 6,則需要的輔助電源容量為 142 MVA。

從目前已投運的核電廠運行經驗來看,組合 1、2的運行方式僅存在理論上的可能,其他 4種組合運行方式則比較常見。按照 2臺機組運行時備用電源的容量需滿足各種運行方式的最大需求的原則,組合 3的運行方式需求最大,故 2臺機組運行時,220 kV備用電源最大需求容量可按照組合 3的運行方式考慮。

4．2．2 4臺機組備用電源容量估算

4臺機組運行時理論上存在更多種組合模式,對備用電源容量的需求也相應增大。為簡化分析,僅對 4臺機組運行時可能出現(xiàn)的最大備用電源容量組合方式進行分析,同時考慮外部 220 kV電網經濟供電的能力。目前國內、國外并無多堆核電廠運行標準,以下組合也只能對各種組合方式進行理論分析,分析中不考慮同時有 2臺機組由備用變帶廠用電滿功率運行模式。

a．組合 1：假設 4臺機組均處于運行模式 1,其中 1臺機組廠用負荷由備用變提供;此時另三臺機組由于某種事件導致 1臺機組的高廠變負荷快速切換至備用變運行,則需要的備用電源容量為260 MVA。

b．組合 2：假設 4臺機組均處于運行模式 1,其中 1臺機組廠用負荷由備用變提供;此時另三臺機組由于某種事件導致 3臺機組全部后撤到模式 3運行,則需要的備用電源容量為 322 MV A。

c．組合 3：假設 4臺機組均處于運行模式 1,由于某種事件導致 4臺機組全部后撤到模式 3運行,則需要的備用電源容量為 256 MV A。

d．組合 4：假設 4臺機組中 2臺處于運行模式1,且 1臺機組的廠用負荷由備用變提供;另二臺機組處于模式 4,則需要的備用電源容量為208 MVA。

e．組合 5：假設 4臺機組中 2臺處于運行模式1,且 1臺機組的廠用負荷由備用變提供;另二臺機組處于模式 5,則需要的備用電源容量為174 MVA。

從上述 4臺機組的可能的運行方式來看,組合2需要的備用電源容量最大,故 4臺機組運行時備用電源最大需求容量可按照 322 MVA考慮。

5 在建 AP1000核電廠備用電源容量估算

目前國內在建的 AP1000堆型核電機組共有 4臺,即浙江三門核電廠 1、2號機組和山東海洋核電廠 1、2號機組,2個廠址規(guī)劃裝機總容量均為 6×1407 MW。備用電源容量由美國西屋公司設計提出,根據(jù)調研收集的資料,3到 4臺機組時,從廠外220 kV系統(tǒng)引接 1路備用電源,5到 6臺機組時,考慮到機組的安全,再引接 1路 220 kV備用電源。首期 2臺機組時,220 kV備用電源容量是按照 1臺機組備用變帶廠用負荷為機組容量的 7%,另 1臺機組冷停堆,備用容量為單臺機組容量的 2%估算,即2臺機組需要的備用電源容量為 126．6 MV A;4臺機組時,220 kV備用電源容量按照 1臺機組廠用負荷由備用變提供,即 2×88 MVA;另三臺機組中 1臺機組正常運行,1臺機組計劃停堆,1臺機組非計劃停堆。4臺機組需要的備用電源容量為232 MVA。由此可見,美國西屋公司對 AP1000機組需要的備用電源容量估算方法較為簡單,但是否能滿足機組縱深防御的需要有待進一步驗證。

6 結束語

本文根據(jù) AP1000核電廠的標準設計運行模式,針對反應堆不同的運行工況分別估算最大廠用負荷,從而確定在失去主電源情況下由備用電源帶非安全相關的、重要的停堆廠用電負荷運行時備用電源容量的最大需求。與美國西屋公司的估算方法相比,采用這一方法確定的備用電源的容量更切合核電廠的實際運行。

[1]林誠格．非能動安全先進核電廠 AP1000[M]．北京：原子能出版社,2008．