核電站增加廠用移動電源的探討與實踐

于永強

(中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300)

1 概述

核電站廠用電源由正常電源和應急電源構成。正常電源是由主變壓器、輔助變壓器提供的電源；應急電源是當主、輔電源失電時，對安全系統和設備供電，以提供反應堆安全停堆設備、安注系統、重要監視儀表和應急照明用電。在特殊情況下，當正常電源失去后，應急電源成為廠用電源的主體。

核電站應急電源發揮應急供電功能，需具有獨立性強、機動性好的特點。獨立性強，即僅依靠自身即能正常運轉供電；機動性好，即啟動快并能在短時間內輸出額定負荷。

2 福島核事故廠用電源失電

2011-03-11T14:46，日本本州島東北海岸發生9.0級地震。當檢測到地震時，日本福島第一核電站1，2，3號機組執行了自動停機程序，反應堆安全停堆。此時，正常情況下核電廠可利用廠外電源驅動冷卻和控制系統，但地震對電網造成了大規模破壞，因此只好依賴區內13臺應急柴油發電機組驅動冷卻系統。該核電廠應急柴油發電機組在地震發生后2 s內啟動，但隨后的15 m大海嘯越過廠區5.7 m海堤，淹沒了地勢較低處的柴油發電機組。15:41，共有12臺應急柴油發電機中止運轉，供給反應堆的動力電源即告失效。在柴油發電機組失效后，供電給控制系統的蓄電池因無法充電只能維持8 h，不能保證持久供電。福島第一核電站沒有配置移動式應急電源，從外部運來的移動應急電源因路況不佳而嚴重耽擱；運抵因地下配電間已被海嘯淹沒，無法連接使用，導致所有的廠用電源失去，最終造成福島核事故的逐步升級。

3 秦山第二核電廠應急供電系統構成

3.1 6 kV應急配電系統

正常狀態下，秦山第二核電廠1，2號機組6 kV中壓系統由500 kV主變壓器、220 kV輔助變壓器供電。每臺機組有正常廠用母線4段(LGA，LGB，LGC，LGD)、應急母線2段(LHA，LHB)、循泵房母線2段(LGEA，LGEB)、2臺機組共用母線2段(LGIA，LGIB)、備用電源母線2段(LGR001，LGR002)、附加柴油機母線段(LHT)。

應急廠用設備是核安全和電廠主要設備的保護所必需的。正常情況下，應急廠用設備由LGC，LGD分別通過LHA和LHB配電裝置供電。當外部電源失去時，則由應急柴油機組進行供電。

LHA，LHB負荷有：水冷泵電機、消防泵電機、高壓安注泵電機、安全廠用水泵電機、噴淋泵電機、余熱排出泵電機、電動輔助給水泵電機、核島制冷機電機、低壓安注泵電機以及LLA，LLB，LLC，LLD，LLE，LLI，LLJ，LLO，LLN等核島干式變。

3.2 380 V應急配電系統

380 V低壓系統(核島)為核島的380 V負荷供電，分為交流應急配電系統(LL*)和交流正常配電系統(LK*)。

交流應急配電系統(LL*)又分為A，B 2列，A列包括：LLA001TB，LLC001TB，LLE001TB，LLI001TB，LLN001TB，LLG001TB等配電裝置；B列包括：LLB001TB，LLD001TB，LLJ001TB，LLO001TB，LLW001TB等配電裝置。2個系列在電氣上和實體上都是隔離開的，其功能如下：

(1)由6 kV應急配電裝置(LHA，LHB)向380 V應急配電裝置母線供電；

(2)對380 V應急配電裝置的母線電壓進行監測和控制；

(3)向每個配電裝置小室提供110 V和48 V直流儀表和控制電源。

交流應急配電系統(LL*)的安全功能是：向與安全有關的低壓(380 V)負荷，如電動機、電動閥、斷路器、整流器等，以及部分與安全設備相關的直流系統供電。

3.3 應急柴油發電機系統

3.3.1 應急柴油發電機組

秦山第二核電廠1，2機組所采用的柴油發電機是法國生產的四沖程、中速、大功率柴油機，容量為6 300 kW，共4臺，每個堆2臺，分LHP和LHQ 2個系列，分別向6 kV應急母線LHA和LHB供電。

(1)電氣配置。該核電廠1，2號機組的4臺柴油發電機組分為A列和B列，LHP上游電源來自LLI181JA，供給LLG001TB配電盤；LHQ上游電源來自LLJ181JA，供給LLW001TB配電盤。事故情況下，柴油發電機經6 kV應急配電裝置(LHA，LHB)向380 V應急配電裝置母線供電。

(2)啟動方式如下。

① 系統啟動(應急啟動)：系統啟動是指柴油機從備用狀態一直到柴油發電機組程序帶載結束整個過程的一種啟動方式，屬于應急啟動方式。系統的啟動信號包括安注信號、安全殼壓力高高信號及母線失壓信號。

② 主控室的手動啟動(應急啟動)：在主控室的手動啟動是應急啟動的方式之一，主要是考慮在應急工況下主控操縱員能夠迅速啟動柴油機，同時部分運行定期試驗也采用該種啟動方式。

③ 應急停堆盤的手動啟動(應急啟動)：在電氣廠房的應急停堆盤上也可以啟動柴油機，這種啟動方式只有在主控室不可用的狀況下才使用。

④ 就地啟動(正常啟動)：就地啟動的柴油機啟動方式主要是在柴油機調試和試驗時使用。

3.3.2 附加應急柴油發電機組

按照核安全要求，核電站應配備自己獨立的附加電源，以保證在全廠失電情況下，提供1組獨立的應急電源。秦山第二核電廠于2002年確定建設附加柴油發電機組(0LHT)，它與1，2號機組4臺柴油機組在容量和性能方面完全一致。因此，附加柴油機在抗震等級等方面達到了完全的1E級，能滿足其在4臺柴油發電機組的任意一臺不能正常投運狀況下的備用要求。

3.4 水壓試驗泵發電機組

水壓試驗泵發電機組系統(LLS)主要用于在機組2列應急配電母線LHA和LHB都不能供電的情況下，通過由一回路加熱產生的蒸汽驅動一個輸出功率為70 kW的小汽輪發電機組，向水壓試驗泵及其輔助裝置提供電源，以保證主泵的密封供水，避免一次側冷卻劑的泄漏。根據需要可由該系統向1/2LNE360CR和1/2ASG系統的汽動泵就地控制箱提供電源，以保證機組重要儀表可以運行監視，以及保證可通過二回路蒸汽將堆芯的溫度導出并維持恒定溫度。

在正常運行工況時，該系統總是處于備用狀態。由于該系統還可以通過電網向下游負荷供電，因此在9LKI系統向本系統的380 V母線供電時，可實現主回路水壓試驗和向安全注入系統(RIS)的中壓安注箱充水的功能。

在事故(1號或2號機組LHA與LHB均失電)情況下，該機組可用的電源只有來自蓄電池組供電的直流系統。LLS系統故障監測回路會在15 s后發出打開氣動蒸汽隔離閥(LLS001VV)的信號，從而啟動小汽輪發電機。該機組啟動后，整個系統(LLS)的運行就不再依賴來自蓄電池組供電的直流系統。

由于1號或2號機組LHA與LHB均失電，因此相關機組的一回路的循環冷卻系統失去功能。即使反應堆已經停堆，堆中的放射性物質依然有少量在繼續衰變，其衰變能量約占其輸出核功率的1 %，1號或2號機組輸出的核功率約為2 000 MW，因此20 MW功率的衰變能量會使失去循環冷卻的堆芯產生大量的熱能。這些熱能經過自然循環傳輸到蒸汽發生器，其余熱足以使蒸汽發生器產生的蒸汽驅動小汽輪發電機組。由于放射性物質的衰變時間非常漫長，其產生的衰變能量在相當長的時間內基本上保持不變，除非人為干涉，否則啟動后的小汽輪發電機組不會停止運行；所以本系統所提供的380 V母線電源是全廠唯一可以長時間供給的電源。因此，從設計上考慮，它在事故工況下的啟動、運行、停運、就地/遠方控制和信息傳遞均不需要外在電源(指主變壓器、輔助變壓器與柴油發電機組提供的電源，不包括蓄電池組供電的直流系統)。

LLS 380 V母線的進線方面配置包括3路進線和1個電阻負載箱(9LLS001RS)。3路進線分別是由1號或2號機組取自ASG系統汽動泵供汽母管上的蒸汽驅動小汽輪發電機組供電和由電網提供的9LKI001TB供電。電阻負載箱的功率為24 kW，為1，2號機組共用，為小汽輪發電機組剛啟動時提供一定負荷，以避免小汽輪機機械超速，并可以根據需求負荷的大小自動投切，維持小汽輪機的穩定運行。

4 增加移動電源的合理性和必要性分析

按照秦山第二核電廠原設計要求，當電廠500 kV主電源、220 kV備用電源以及主發電機失電時，應急柴油機能夠立刻啟動；在10 s內使機組達到額定電壓和額定頻率，開始執行程序帶載；并在40 s內分8次帶上LHA/LHB應急母線上的負荷，為專設安全設施和系統供電，以提供應急照明和為保證反應堆安全停堆所需的設備用電，使其繼續安全運行。如果柴油機不能正常啟動，則由LLS系統的小汽輪發電機為應急設備供電。

福島核電站與秦山第二核電廠應急配電系統對比分析如下。

(1)秦山核電基地的海堤高度約為9.5 m(未來將加固提高到9.9 m)，秦山核電基地所在的杭州灣水文情況與福島所面對的深海有所不同，極端條件下的海嘯高度最高不會超過10.1 m。福島核電站的所有柴油發電機組都安裝在地勢較低的地帶，而秦山第二核電廠的柴油發電機組則安裝在整個廠區基準面+0 m(廠區標高為5 m)左右的地方。若發生海嘯高度超過海堤高度的情況，則秦山第二核電廠所有柴油發電機組，包括附加柴油發電機組也都有可能被淹沒。

(2)秦山第二核電廠應急配電系統(6 kV與380 V)與直流系統(包含向LLS控制回路供電的部分)均安裝在廠區基準面+8.0 m左右的地方，小汽輪發電機組配電間在廠區基準面+6.0 m左右的地方，小汽輪發電機組在廠區基準面+11.5 m左右的地方；分別距杭州灣海平面高度為+13.0 m, +11.0 m和+16.5 m。因此，即使發生超出海堤高度的海嘯，也不會出現類似福島核電站整個應急配電系統被淹的情況。

(3)秦山第二核電廠LLS系統是福島核電站所沒有的系統。該系統可以看作是核安全的最后一道屏障，且該系統所在廠房位于廠區基準面+11.5 m的地方，也不會發生被淹的情況。該系統的動力來自一回路加熱產生的蒸汽，因此只要堆芯有熱量，發電機就能運轉。但此系統的動力不是自身產生，與柴油發電機相比，欠缺獨立性。

(4)核電站的重要設備一般都有冗余配置，即這些重要設備運行時有備用設備。1，2號機組LLS系統各自只有1臺小汽輪發電機組，雖使用同一段母線供電，但是由于其動力來源不同，故不能真正做到互為備用。在每年1次的機組換料大修過程中，至少有1個月的時間里，1號或2號機組處于冷停堆狀態，此時相應機組的小汽輪發電機組就處于不可用狀態。

綜上所述，該系統不符合冗余配置要求，特別在福島核事故之后，增加1臺備用應急電源成為必須。2012年7月國家核安全局編制的《福島核事故核電廠改進行動通用技術要求》中包括了增加移動電源的要求。移動供電系統具有良好的機動靈活性等固定式應急供電系統所不具備的優點，因此成為備用應急電源最合適的選擇。

5 LLS外部移動電源供電系統方案實施

外部移動電源系統主要由低壓移動柴油發電機和外部移動電源接口構成。額定功率為656 kW的低壓移動柴油發電機組從外部訂購，其他工作包括外部移動電源接口的確定和安裝。

2012年，秦山第二核電廠確定在1LLS001AP附近墻上安裝一個雙切電源端接箱，用于與移動式柴油發電機組和LLS系統之間的連接，包括雙切電源端接箱(9LLS701AR)的安裝、1LLS001AP至9LLS701AR之間電纜橋架的安裝、電纜的縛設及端接。

現場核實，1號機組連接廠房W532(距廠區基準面+11.5 m)具有足夠的空間安裝9LLS701AR。在同時失去廠外、廠內電源且1號和2號機組LLS電源可均失去的工況下，移動柴油機電源通過自帶電纜接入9LLS701AR，再將汽輪發電機組上原為1LLS001AR供電的電纜端接至9LLS701AR，閉合隔離開關，啟動移動柴油發電機為LLS配電裝置供電。

目前，LLS系統外部移動電源接口已安裝完成，移動電源車也已到位。在緊急狀態下，移動電源車可以在15 min內趕到現場，現場工作人員可在1 h內將移動電源車自帶電纜由移動電源車位置處敷設至W532房間內的9LLS701AR上，從而有效保證對核電廠重要設備的供電。

6 結束語

為發揮事故應急供電功能，核電站的應急電源應獨立性強、機動性好。隨著秦山第二核電廠1，2號機組廠用移動應急電源的增設，該核電站應對超設計基準事故的能力得到了進一步的提高。