“華龍一號”核電機組應(yīng)對全廠斷電時間能力分析與評價

盛 龍，覃紅玉，尹小麗

（中國核電工程有限公司，北京 100840）

核電廠全廠斷電（SBO）是指電廠失去所有廠外電源同時汽輪機脫扣，且廠內(nèi)應(yīng)急交流電源不可用。SBO作為一種設(shè)計擴展工況可能會發(fā)展為堆芯熔化、安全殼超壓失效等嚴重事故[1]。目前，國內(nèi)大部分文獻主要是定性的分析核電廠應(yīng)對 SBO的處理策略[2-9]，對于核電廠可接受的最小SBO時間能力少有量化的分析與研究。然而針對廠外電源較為脆弱，氣候較為惡劣的廠址，應(yīng)量化計算出該時間能力，用作評價核電廠應(yīng)對SBO能力的重要依據(jù)和準則。本文根據(jù)NB/T 20066—2012，通過建立核電廠可接受的最小SBO時間能力的數(shù)學(xué)計算模型，實現(xiàn)對核電廠應(yīng)對SBO時間能力的定量分析與評價。該數(shù)學(xué)模型適用于輕水堆核電廠，同樣可用于“華龍一號”等壓水堆核電廠借鑒與參考。

1 可接受的最小全廠斷電時間能力的計算模型

核電廠可接受的最小SBO時間能力是指核電廠能承受規(guī)定最小時間T0的全廠斷電，并從SBO中恢復(fù)的能力。在規(guī)定最小時間內(nèi)，核電廠在沒有交流電源的情況下也能排出余熱和保持安全殼完整性。如果該電廠應(yīng)對SBO的實際能力明顯小于可接受的最小時間，則需要采取必要的變更措施以加強電廠應(yīng)對 SBO的能力[10]。根據(jù)NB/T 20066—2012，核電廠可接受的最小 SBO時間T0的計算是基于電廠的以下特性：

（1） 應(yīng)急交流電源（EAC）的配置；

（2） 單元機組應(yīng)急柴油發(fā)電機（EDG）可靠度指標；

（3） 廠外電源設(shè)計特性。

綜合以上特性參數(shù)，搭建計算T0的數(shù)學(xué)模型，其計算流程圖如圖1所示。

圖1 核電廠可接受的最小SBO時間能力計算流程圖Fig.1 Flow chart for calculating the minimum acceptable SBO duration capability

其中EAC配置由廠內(nèi)應(yīng)急交流電源系統(tǒng)的冗余度水平?jīng)Q定，其組別GI可以分為A、B、C、D四組；單元機組EDG可靠度指標由核電廠每臺EDG的可靠度大小決定，其組別GⅡ可分為0.95和 0.975兩組；廠外電源設(shè)計特性由廠址氣象條件和廠外電源特性決定，其組別GⅢ可分為P1、P2、P3三組。以上特性參數(shù)的不同組合決定T0的大小，T0的分類樹如圖2所示。

圖2 核電廠可接受的SBO時間能力分類樹Fig.2 Classification tree of the minimum acceptable SBO duration capability

以下為特性參數(shù)的計算及判別方法。

1.1 EAC配置組別

EAC配置組別GI由應(yīng)急交流電源數(shù)目m1及余熱排出系統(tǒng)運行所需應(yīng)急交流電源數(shù)目n1共同決定。GI的判定分類樹如圖3所示。

圖3 EAC配置組別分類樹圖Fig.3 Classification tree of the EAC configuration group

1.2 機組EDG可靠度指標

核電機組EDG可靠度指標R，需結(jié)合EAC的配置組別，將單元機組EDG對應(yīng)最后20次、50次、100次指令的可靠度平均值與給定的指標進行比較判定得出，R的判定樹如圖4所示。

圖4 EDG可靠度指標分類樹Fig.4 Classification tree of the EDG reliability level

每臺EDG可靠度r的大小取決于EDG的啟動可靠性rs和帶載運行可靠性ro，具體計算方法如下：

其中：

1.3 廠外電源設(shè)計特性組別

核電廠廠外電源設(shè)計特性組別GⅢ的影響因素包括：廠址的惡劣天氣GⅢ-1、極端惡劣天氣GⅢ-2、廠外電源獨立性GⅢ-3、惡劣天氣恢復(fù)性GⅢ-4。其中GⅢ-1、GⅢ-2由廠址氣象條件決定，可劃分為1～5組；GⅢ-3、GⅢ-4由廠外電源特性決定，可分別劃分為 1～3組和 1～2組。以上因素的不同組合決定廠外電源設(shè)計特性組GⅢ。GⅢ的分類樹如圖5所示。

GⅢ各個影響因素分組的判別方法如下。

（1） 惡劣天氣分組

惡劣天氣組別 GⅢ-1由惡劣天氣導(dǎo)致廠外電源喪失的預(yù)計頻度f（單位：年每廠址）的大小來確定。影響f的要素包括廠址的氣象條件；廠址輸電線路的設(shè)計通路；開關(guān)站的鹽霧侵蝕程度。

圖5 廠外電源設(shè)計特性組別分類樹Fig.5 Classification tree of the off-site power design characteristics

具體計算公式如下：

對于輸電線從開關(guān)站沿 2條或多條通路向不同方向延伸時，系數(shù)b取12.5；對于輸電線沿一條通路延伸的廠址，系數(shù)b取72.3。對于開關(guān)站不易被鹽霧侵蝕的廠址，c取 0；對于開關(guān)站易被鹽霧侵蝕，系數(shù)c取0.78。GⅢ-1分類樹如圖6所示。

圖6 惡劣天氣組別分類樹Fig.6 Classification tree of the severe weather group

（2） 極端惡劣天氣分組

極端惡劣天氣組別GⅢ-2由風速大于201 km/h的廠址風暴年期望值e的大小來確定。GⅡ-4分類樹如圖7所示。

圖7 極端惡劣天氣組別分類樹Fig.7 Classification tree of the extremely severe weather group

（3） 廠外電源獨立性分組

廠外電源獨立性分組GⅢ-3由廠外獨立交流電源回路數(shù)n2、廠外電源電氣獨立性以及IE級母線電源切換模式共同決定。其中廠外電源獨立性是指通過兩條或多條線路與電廠連接的廠外電源，至少存在一個交流電源與其他交流電源在電氣上是獨立的。IE級母線電源切換模式是指在LOOP工況下，安全停堆母線是以自動或手動方式切換為替代電源或優(yōu)先電源供電。GⅡ-3的判定分類樹如圖8所示。

圖8 廠外電源獨立性分組的分類圖Fig.8 Classification tree of the off-site power dependence

（4） 惡劣天氣恢復(fù)性分組

惡劣天氣恢復(fù)性分組GⅢ-4由惡劣天氣導(dǎo)致廠外電源失去后的恢復(fù)時間tre決定。如果廠址在惡劣天氣導(dǎo)致廠外電源失去后，具有 2 h之內(nèi)恢復(fù)廠外交流電源的能力和程序時，則判定為恢復(fù)性強的廠址，GⅢ-4組別定義為1，否則GⅢ-4定義為2。

2 實例計算

本文選取國內(nèi)某“華龍一號”堆型核電機組用作實例計算。由于該核電廠的地理位置易遭受臺風襲擊，且當?shù)仉娋W(wǎng)較國內(nèi)其他電網(wǎng)可靠性偏低，有必要對核電廠可接受的最小SBO時間能力進行分析與計算。本文根據(jù)“華龍一號”堆型應(yīng)急電源配置方案，并收集特定廠址氣象參數(shù)及廠外電源信息，完成該核電廠可接受的最小SBO時間能力的計算，具體參數(shù)信息如表1所示。

表1 可接受的最小SBO時間能力計算的相關(guān)參數(shù)Table 1 Parameters for calculating the minimum acceptable SBO duration capability

續(xù)表

綜合表1的相關(guān)數(shù)據(jù)進行分析計算，可得該核電廠應(yīng)急交流電源配置組別GⅠ為C組，機組EDG可靠度指標GⅡ為0.975，廠外電源設(shè)計特性組別GⅢ為P3組（其中惡劣天氣組別GⅢ-1為5，極端惡劣天氣GⅢ-2組別為3，廠外電源獨立性GⅢ-3的類別為1，惡劣天氣恢復(fù)性GⅢ-4組別為2）。根據(jù)圖2給出的核電廠可接受的全廠斷電時間能力的相應(yīng)標準，最終確定特定核電廠可接受的SBO時限能力T0為8 h。

3 特定核電廠應(yīng)對全廠斷電能力的評價

SBO事故后核電機組運行的目標是，進行堆芯冷卻，控制一回路水裝量，進行事故后監(jiān)測，并盡快恢復(fù)廠內(nèi)應(yīng)急電源。為實現(xiàn)上述目標，以下針對應(yīng)對SBO所必需的系統(tǒng)和部件，對該核電廠應(yīng)對SBO事故的能力進行評價，如表2所示。

表2 選定“華龍一號”核電廠應(yīng)對SBO能力Table 2 SBO coping capability of the selected HPR1000 NPP

續(xù)表

根據(jù)表2的分析，“華龍一號”堆型核電機組在SBO工況下，通過輔助給水系統(tǒng)可向蒸發(fā)器提供大于10 h的冷卻水，至少可以承受10 h的全廠斷電。而且“華龍一號”核電廠為輔助給水箱增加了應(yīng)急補水通道，為蒸汽發(fā)生器增設(shè)了直接補水通道，可實現(xiàn)在長期失電情況下對蒸汽發(fā)生器的持續(xù)供水。從而可以繼續(xù)以此方式運行持續(xù)排出堆芯余熱72 h直至低壓SBO電源燃油耗盡。另外，低壓SBO電源設(shè)有兩臺柴油發(fā)電機組，若其中一臺未能啟動成功，還有另一臺可用。在低壓SBO電源柴油發(fā)電機組燃料用完之前，可通過應(yīng)急燃料補給或通過廠區(qū)低壓移動電源為水壓試驗泵繼續(xù)供電，保證持續(xù)的軸封注入，進一步保證了核電廠在接入AAC電源前的堆芯冷卻能力。此外，“華龍一號”必要時可投運非能動余熱排出系統(tǒng)、非能動堆腔注水冷卻系統(tǒng)、非能動安全殼熱量導(dǎo)出系統(tǒng)。非能動系統(tǒng)所需的蓄電池，能夠在事故后72 h內(nèi)向非能動系統(tǒng)運行提供電源。同時，選定核電廠為應(yīng)對SBO而制定的事故規(guī)程，可以指導(dǎo)操縱員采取正確的緩解措施，緩解事故后果，并及時恢復(fù)供電。

因此該核電廠應(yīng)對 SBO時間能力遠大于8 h，具有對可接受的SBO時間T0（8 h）的承受能力和恢復(fù)能力。

4 結(jié)論

本文提出一種用于計算核電廠可接受的最小SBO時間能力的數(shù)學(xué)模型。該模型可準確有效地用于核電廠應(yīng)對全廠斷電時間能力的分析與評價。通過將該方法用于“華龍一號”核電機組，可知“華龍一號”堆型應(yīng)對SBO時間能力遠高于標準給定的可接受SBO時間，具有較強的承受SBO并從SBO中恢復(fù)的能力。

本文提出的核電廠可接受的SBO時間能力分析方法具有工程實踐的參考意義，尤其是針對氣候惡劣、電網(wǎng)脆弱的核電廠，并且為核電廠應(yīng)對SBO改進措施的實施提供了理論依據(jù)，同時為核電廠PSAR、FSAR報告相關(guān)章節(jié)的編制提供參考。