AP1000堆型核电厂220 kV备用电源容量需求研究

李 明,王 吉吉

(东北电力设计院,长春 130021)

作为 AP1000堆型核电厂机组纵深防御支持系统之一的 220 kV备用电源系统,在保障机组运行的安全性、可靠性、经济性、灵活性方面有着十分重要作用。虽然 AP1000采用了非能动的安全设计理念,降低了堆芯熔化事故的概率,但为保证机组安全、经济运行,特别是事故 72 h后厂外交流电源的恢复供电,为核反应堆安全停闭提供充足的备用电源支持仍然是十分必要的。因此,合理确定备用电源容量是核电厂前期设计工作的重要内容之一。

1 核电机组备用电源功能[1]

按照 AP1000堆型核电厂的用户要求文件(URD)和设计控制文件(DCD),AP1000堆型核电机组需要设置 2路外部电源,其中一路为优先电源(PPS),来自电厂送出系统的 500 kV电网;另一路为备用电源,来自厂址附近的 220 kV地区电网。

核电厂正常交流厂用电源来自发电机母线,一般由 2台额定容量相同的高压厂用变压器(以下简称高厂变)供给。当主发电机不可用时,则由优先电源通过主变压器和高厂变从开关站倒送,同时作为机组启动、正常停堆及紧急停堆的主电源。

当主发电机及 500 kV优先电源均不可用时,则由 220 kV备用电源通过备用变压器为机组正常停堆及紧急停堆的非安全级负荷提供电源,也可为机组启动、带厂用负荷运行提供电源。

由于 AP1000核反应堆的相关安全设施采用非能动技术,故 500 kV优先电源和 220 kV备用电源均无核安全相关功能的要求。

2 备用电源主要设计原则

根据 GB/T 13177— 2008《核电厂优先电源》及AP1000核反应堆的相关设计控制文件对备用电源的要求,厂外备用电源设计应遵循如下主要原则。

a．厂外主电源与备用电源应由 2个实体独立的系统(但路径不一定分开)来保证,以尽量减少同时发生故障的可能性,所引接的系统应有高度的可靠性,并具有足够的容量。

b．厂外主电源与备用电源中的每一个电源均应能使所有由其供电的厂用设备从一个电源切换到另一个电源时再加速或启动。

c．如果厂外主电源发生故障,备用电源应能自动投入运行。

d．在多机组核电厂里,2台或 2台以上的机组可以共用优先电源。共用电源应能同时向共用该电源的每一机组所同时需要的负荷供电。

3 备用电源容量分析

3．1 AP1000交流厂用电系统

AP1000堆型核电厂交流厂用电系统(ECS)由10 kV中压交流配电系统、380 V低压负荷中心、380 V低压电动机控制中心、备用柴油发电机电源系统组成。ECS为非 1E系统,不执行任何与安全相关的功能。

10 kV交流配电系统共有 6段配电装置(ES1、ES2、ES3、ES4、ES5、ES6)。其中 ES1、ES2段布置在核岛附属建筑物内,主要为反应堆永久性非安全级重要负荷供电,每段都有 3个电源,正常电源来自每台机组的高厂变。当高厂变不可用时,由备用变压器供电。当 2个电源都不可用时,则由备用柴油发电机组供电。 ES3、ES4、ES5、ES6段布置在常规岛汽机房内,主要为机组的单元负荷及 BOP负荷供电,每段都有 2个电源,正常电源来自每台机组的高厂变,当高厂变不可用时,由备用变压器供电。

3．2 典型厂用负荷统计分析

通过分析 AP1000堆型的典型设计资料,并参考国内 AP1000堆型核电厂前期设计的相关资料,对 AP1000堆型核电机组中压交流厂用负荷的统计分析结果见表1。

表1 典型 10kV母线各段交流厂用负荷

3．3 AP1000堆型机组标准设计运行模式

AP1000堆型机组有 6种标准设计运行模式,即功率运行 (模式 1)、启动 (模式 2)、热备用(模式3)、热停堆 (模式 4)、冷停堆 (模式 5)、换料 (模式6)。这 6种标准设计运行模式根据机组的运行环境、运行中可能发生的事件大小、对核岛安全危害的程度,可以按照预定的程序相互转换。

4 单台及多台机组备用电源容量需求

4．1 单台机组

单台机组在不同的设计运行模式下,厂用负荷的消耗容量相同。按照 AP1000堆型机组的 6种标准运行模式,单台机组厂用负荷初步估算见表2。

表2 单台机组厂用负荷初步估算 MV A

4．2 多台机组

核电厂一般都规划多台机组。通常情况下一期建设 2台机组,后期扩建至 4台。为提高建设的经济性,多台机组往往采取共用厂外备用电源的模式建设,因此,应合理提出多台机组的备用电源容量。

4．2．1 2台机组备用电源容量估算

2台机组运行时往往是共用 1路厂外 220 kV备用电源,备用电源的容量应能满足 2台机组各种组合运行方式下的最大需要。按照 AP1000堆型单台机组的 6种标准设计运行模式,2台机组运行时的各种组合模式需要的最大备用电源容量估算

a．组合 1：假设 2台机组均处于运行模式 1,其中 1台机组厂用负荷由备用变提供;此时另一台机组由于某种事件导致高厂变负荷快速切换至备用变运行,则最大可能需要的备用电源容量为260 MVA。

b．组合 2：假设 1台机组处于运行模式 1,厂用负荷由备用变提供;另一台机组处于运行模式 2,厂用负荷由备用变提供,则可能需要的备用电源容量为169 MVA。

c．组合 3：假设 1台机组处于运行模式 1,厂用负荷由备用变提供;另一台机组处于运行模式 3,则需要的辅助电源容量为 194 MV A。

d．组合 4：假设 1台机组处于运行模式 1,厂用负荷由备用变提供;另一台机组处于运行模式 4,则需要的辅助电源容量为 169 MV A。

e．组合 5：假设 1台机组处于运行模式 1,厂用负荷由备用变提供;另一台机组处于运行模式 5,则需要的辅助电源容量为 152 MVA。

f．组合 6：假设 1台机组处于运行模式 1,厂用负荷由备用变提供;另一台机组处于运行模式 6,则需要的辅助电源容量为 142 MVA。

从目前已投运的核电厂运行经验来看,组合 1、2的运行方式仅存在理论上的可能,其他 4种组合运行方式则比较常见。按照 2台机组运行时备用电源的容量需满足各种运行方式的最大需求的原则,组合 3的运行方式需求最大,故 2台机组运行时,220 kV备用电源最大需求容量可按照组合 3的运行方式考虑。

4．2．2 4台机组备用电源容量估算

4台机组运行时理论上存在更多种组合模式,对备用电源容量的需求也相应增大。为简化分析,仅对 4台机组运行时可能出现的最大备用电源容量组合方式进行分析,同时考虑外部 220 kV电网经济供电的能力。目前国内、国外并无多堆核电厂运行标准,以下组合也只能对各种组合方式进行理论分析,分析中不考虑同时有 2台机组由备用变带厂用电满功率运行模式。

a．组合 1：假设 4台机组均处于运行模式 1,其中 1台机组厂用负荷由备用变提供;此时另三台机组由于某种事件导致 1台机组的高厂变负荷快速切换至备用变运行,则需要的备用电源容量为260 MVA。

b．组合 2：假设 4台机组均处于运行模式 1,其中 1台机组厂用负荷由备用变提供;此时另三台机组由于某种事件导致 3台机组全部后撤到模式 3运行,则需要的备用电源容量为 322 MV A。

c．组合 3：假设 4台机组均处于运行模式 1,由于某种事件导致 4台机组全部后撤到模式 3运行,则需要的备用电源容量为 256 MV A。

d．组合 4：假设 4台机组中 2台处于运行模式1,且 1台机组的厂用负荷由备用变提供;另二台机组处于模式 4,则需要的备用电源容量为208 MVA。

e．组合 5：假设 4台机组中 2台处于运行模式1,且 1台机组的厂用负荷由备用变提供;另二台机组处于模式 5,则需要的备用电源容量为174 MVA。

从上述 4台机组的可能的运行方式来看,组合2需要的备用电源容量最大,故 4台机组运行时备用电源最大需求容量可按照 322 MVA考虑。

5 在建 AP1000核电厂备用电源容量估算

目前国内在建的 AP1000堆型核电机组共有 4台,即浙江三门核电厂 1、2号机组和山东海洋核电厂 1、2号机组,2个厂址规划装机总容量均为 6×1407 MW。备用电源容量由美国西屋公司设计提出,根据调研收集的资料,3到 4台机组时,从厂外220 kV系统引接 1路备用电源,5到 6台机组时,考虑到机组的安全,再引接 1路 220 kV备用电源。首期 2台机组时,220 kV备用电源容量是按照 1台机组备用变带厂用负荷为机组容量的 7%,另 1台机组冷停堆,备用容量为单台机组容量的 2%估算,即2台机组需要的备用电源容量为 126．6 MV A;4台机组时,220 kV备用电源容量按照 1台机组厂用负荷由备用变提供,即 2×88 MVA;另三台机组中 1台机组正常运行,1台机组计划停堆,1台机组非计划停堆。4台机组需要的备用电源容量为232 MVA。由此可见,美国西屋公司对 AP1000机组需要的备用电源容量估算方法较为简单,但是否能满足机组纵深防御的需要有待进一步验证。

6 结束语

本文根据 AP1000核电厂的标准设计运行模式,针对反应堆不同的运行工况分别估算最大厂用负荷,从而确定在失去主电源情况下由备用电源带非安全相关的、重要的停堆厂用电负荷运行时备用电源容量的最大需求。与美国西屋公司的估算方法相比,采用这一方法确定的备用电源的容量更切合核电厂的实际运行。

[1]林诚格．非能动安全先进核电厂 AP1000[M]．北京：原子能出版社,2008．