核电站失去厂外交流电源后二回路重要系统的状态控制研究

高 赓 王声学

核电站失去厂外交流电源后二回路重要系统的状态控制研究

高 赓 王声学

（江苏核电有限公司，江苏 连云港 222000）

失去厂外交流电源属于核电机组设计中的预期运行事件，在进行事故处理时，明确操纵员的关注点将对机组向安全稳定状态过渡起到积极作用。本文以田湾核电站二期工程为例，针对该事故工况下二回路相关的蒸汽发生器供水及汽轮发电机安全停运等重要关注点进行研究，通过分析系统在自动动作和操纵员手动干预过程中可能出现的问题，给出解决办法，以提高瞬态工况下的人员响应能力，保证系统设备安全。

厂外交流电源；失电；二回路；事故工况；发电机

0 引言

田湾核电站二期工程采用俄罗斯第二代压水冷却慢化反应堆型核电机组，考虑安全方面的重要性，厂用电源设计采用多电源冗余配置方式，厂外电源包括500kV侧主电源和220kV侧备用电源。厂内厂用电系统设计有正常运行供电系统、正常运行可靠供电系统和应急供电系统。此外，为保证供电可靠性，还设计有两台柴油发电机组和四台应急柴油发电机组作为厂内电源备用，在正常运行可靠供电系统和应急供电系统失电的情况下投入运行，以实现下游重要负荷的连续供电[1]。厂用电系统供电简图如图1所示。

图1 厂用电系统供电简图

核电厂中存在各种安全风险[2-5]，可能会导致二回路两路厂外交流电源同时失去，从而对机组的安全系数产生较大影响。主给水泵的停运会使蒸汽发生器失去正常供水，此时应如何干预；失去厂外交流电源后常规岛开式冷却水系统、闭式冷却水系统的停运会导致油系统失去冷却水的供给，在油系统无法长久维持正常运行工况时，应采取哪些措施保证汽轮发电机的安全；在失电后系统参数和工况发生巨大变化的情况下，如何有效解决上述问题对运行人员控制机组状态的水平提出挑战。

近年来，核电站因各种原因失去厂外交流电源的故障时有发生，如2009年田湾核电一期工程1号机组因主变故障导致500kV主电源失去，由于此时220kV备用电源处于检修状态，导致机组失去所有厂外交流电源；2011年田湾核电一期工程1号机组大修主变检修期间500kV主电源处于停运状态，220kV备用电源投入期间因线路距离保护动作而停运，导致机组失去所有厂外交流电源。因此，研究失去厂外交流电源对相关重要负荷的影响及如何采取合理有效的控制措施减小这些影响具有重要意义。

1 失去厂外交流电源后对相关重要负荷的影响

当核电站失去厂外交流电源时，柴油发电机和应急柴油发电机根据事故信号自动起动，分别向正常运行可靠供电系统和应急供电系统供电，保证核电站第一类和第二类负荷的运行[6]。但是，对于正常运行供电系统而言，无厂内电源保证其连续运行，这意味着由其供电的重要负荷会停止运行。核电站重要负荷失电后的影响分析如图2所示。

结合图2及电站实际情况分析如下：

1）一回路主冷却剂泵停运后，针对如何靠蒸汽发生器的大气释放阀建立并维持一回路自然循环，在事故规程中已有明确的指导步骤。

2）凝结水泵停运后，旁排闭锁，二回路汽水循环停止，但只要保证应急补水系统向除氧器正常补水，就可以依靠大气释放阀将机组转换至热态并保持，直到重新恢复供电。田湾核电二期工程除氧器空间大，有较大控制裕度，给予操纵员的干预时间较充裕。

3）循环水泵及真空泵停运，将导致凝汽器真空下降。操纵员需关注疏水的切换，以及轴封蒸汽的及时停运，此类操作在二回路系统停运操作单及失电后的事故规程中均已做出明确指导。

图2 核电站重要负荷失电后的影响分析

4）主给水泵停运后如何保证蒸汽发生器的供水，关系着一回路热量如何可靠地通过二回路导出；如何保证油系统在失去冷源后可靠运行，关系着汽轮发电机的安全运行。上述问题需要操纵员在失去厂外交流电源工况下立即给予重点关注，但未在事故规程中给出明确干预手段，需要进一步研究。

2 失去厂外交流电源工况下二回路重要系统的状态控制

2.1 蒸汽发生器供水控制

对于核电站而言，任何情况下堆芯热量的导出都被认为是首要任务。蒸汽发生器作为冷源，保证其正常给水尤为重要。失去厂外交流电源后，由于主给水泵全部失去，此时蒸汽发生器的给水由辅助给水系统保证，辅助给水泵根据柴油机分级带载命令自动起动，但必须密切关注其运行状况。在该事故工况下，往往需要操纵员手动干预才能保证辅助给水泵向蒸汽发生器供水的有效性。

在反应堆停堆后，由于堆芯燃料存在衰变热，停堆后的衰变热与反应堆停堆前运行功率及停堆时间相关。最终的安全分析报告中给出了事故分析时采用的衰变热曲线。根据停堆后所需给水流量曲线，按照每台蒸汽发生器75m3的蓄水量估算，约1 500s（25min）蒸汽发生器液位将从2.4m下降至1.5m。停堆后给水流量曲线如图3所示。

在发生失去厂外交流电源事故后，辅助给水泵根据机组柴油机分级带载信号起动后，操纵员应对系统动作情况及相关参数进行重点关注，在25min内确保辅助给水泵能向蒸汽发生器正常供水，避免蒸汽发生器应急补水系统动作。失去厂外交流电源后蒸汽发生器供水流程如图4所示。

图3 停堆后给水流量曲线

图4 失去厂外交流电源后蒸汽发生器供水流程

为了能对可能出现的任意问题给出正确的干预手段，以保证失电后蒸汽发生器供水的快速有效恢复，编制蒸汽发生器供水控制诊断流程，给予操纵员明确指导。恢复蒸汽发生器给水供给流程如图5所示。

结合供水诊断流程，编制以下操作步骤指导操纵员恢复蒸汽发生器的给水供给：

1）检查辅助给水泵起动后沿再循环运行，出口大流量电动阀根据逻辑保护关闭，检查其正确关闭。

2）根据出口电动阀控制逻辑，当辅助给水泵出口集管压力小于6MPa时，自动关闭出口小流量电动阀后，大流量电动阀旁路阀门自动打开，开始给高加后的主给水集管充压；检查再循环阀门根据泵出口流量自动关小。

3）切除蒸汽发生器主辅给水调节阀切换逻辑块，关闭主给水调节阀及辅助给水调节阀。

4）若打开大流量电动阀旁路阀门不足以建立给水集管压力，则手动切除泵出口阀门控制逻辑块，手动打开出口小流量电动阀向集管充压。需要注意的是，控制逻辑块切除，再循环阀门不会根据流量增大而自动关小，注意同步关小再循环阀门，防止泵出现过载现象。

图5 恢复蒸汽发生器的给水供给流程

5）给水集管压力已建立，根据各蒸汽发生器液位，开启辅助给水调阀开度，调整蒸汽发生器液位。

2.2 汽轮机润滑油系统状态控制

1）可能出现的问题

机组失去厂外交流电源后，汽轮机保护停机主汽门关闭，汽轮机转速会突升后再下降，主油泵出力随汽轮机转速有小幅上涨后开始下降，同理润滑油压力也随主油泵的出力而变化。由于二回路设备冷却水系统的失去，导致润滑油系统失去冷却水，油温快速升高会加快油压下降速度。润滑油温的大幅上升及润滑油压的大幅下降带来的影响是轴承回油温度和轴承金属温度大幅上升。

2）控制措施及干预方法

润滑油系统的热量来源主要是轴承中油膜与轴颈的摩擦功耗，降低这一部分热量可以通过降低汽轮机转速、减少摩擦生热来实现；另外，重新建立润滑油压如重新起动盘车油泵、起动顶轴油泵，通过增加油膜厚度减少油膜温度的方式，也可有效降低润滑油系统的温度[7-8]。

利用机组失去厂外交流电源试验参数进行研究验证：失电后常规岛闭式冷却水系统停运，随着转速下降润滑油温会快速上升，直到柴油机分级带载后起动盘车油泵，油压升高会使油膜厚度增大，润滑油温会小幅下降，后续会缓慢上升，但上升幅度变小。汽轮机转速下降到600r/min、顶轴油泵起动后，润滑油温仍在上升，但上升幅度比之前更加缓慢。汽轮机各轴承回油温度及金属温度也是在盘车油泵起动后下降，在顶轴油泵起动后下降幅度会变得更大。

由此可见，在失去厂外交流电源的情况下，操纵员必须关注柴油机起动后的分级带载情况，以保证盘车油泵和顶轴油泵正常运行。若油泵未根据带载信号自动起动，则需尽快手动起动，若盘车油泵因母线未恢复供电或其他原因而起动不成功，则应保证两台顶轴油泵中的一台可用。

2.3 发电机密封油系统状态控制

1）油氢压差的控制

（1）可能出现的问题

在失去厂外交流电源后，由于密封油系统空侧和氢侧交流油泵失电停运，油氢压差迅速下降，虽然随后空侧油泵会根据柴油机分级带载信号起动，但是由于常规岛闭式冷却水系统停运，密封油系统失去冷却水，油温上升、油的黏性逐渐降低，油氢压差会逐渐降低，极有可能导致油氢压差低于设计要求的发电机在额定氢压下的最小油氢压差20kPa。机组失去厂外交流电源后相关试验数据见表1。

（2）控制措施及干预方法

当失电导致系统冷却水丧失时，油温上升导致油的黏性下降，对油压造成显著影响。此时，操纵员应从以下两方面进行响应：检查备用油源是否正常投入；保证空侧交直流油泵同时运行。这样就可以使油氢压差缓慢变化并最终维持在一个稳定值。对于空侧直流油泵的切除要谨慎，在供电恢复之前不建议切除，防止造成油氢压差持续降低至20kPa，导致发电机存在氢气泄漏风险而需要进行应急排氢。

表1 机组失去厂外交流电源后相关试验数据

2）避免消泡箱出现高液位报警的控制

（1）可能出现的问题

失去厂外交流电源后，柴油机分级带载会先后起动空侧和氢侧油泵，氢侧交流油泵起动后，随着氢侧密封油压力提高，在空侧交直流油泵同时运行的情况下，空侧油压开始仍高于氢侧油压，空侧油部分流向氢侧油系统，再加上氢侧油系统的回油就会造成氢侧回油排不及，导致消泡箱液位逐渐上升，触发消泡箱高油位报警。

操纵员可通过手动切除空侧直流油泵、降低空侧密封油压的方式来消除消泡箱高油位报警，但这会带来的问题是：空侧直流油泵停运又会导致油氢压差快速下降至出现油氢压差低报警，直流油泵再次自动起动，又会导致氢侧有回油不畅的风险。

（2）控制措施及干预方法

为保持油氢压差，在做好发电机降压准备之前，应保持空侧交直流油泵同时运行，可通过两个控制措施解决该问题：可在氢侧交流油泵起动后，通过手动关小氢侧油泵出口再循环阀门以提高氢侧油压；或通过手动开大空侧油氢压差调节阀来降低空侧油压。这些操作需要操纵员指挥现场人员就地进行，且需精细操作，不能大幅改变空侧和氢侧油压差，因为由于系统冷却水失去，油温仍在逐渐上涨，因此空侧密封油的压力仍在逐渐降低，并且空侧油的压力变化比氢侧更明显，空侧油压力会逐渐降低至低于氢侧密封油压力，氢侧回油后续会恢复正常；在氢侧交流油泵根据分级带载信号起动后将其手动切除，只保留空侧交直流油泵运行，密封油系统由双环密封改为单环密封，只有空侧油泵运行，氢侧回油只有空侧的部分漏油，氢侧排油能力可以满足要求。但需注意的是，空侧油系统单独运行，在事故情况下油温无法得到控制时，油氢压差的下降速度可能比空、氢侧油泵同时运行时要快，需重点关注并做好发电机降压准备。

3 结论

失去厂外交流电源对二回路意味着大部分设备停止运行，如何较好地控制机组状态，需要运行人员做出及时有效的响应。本文针对上述问题进行了研究，并在田湾核电站二期工程进行了应用，结合研究及应用情况，得到如下结论：

1）对于如何恢复蒸汽发生器的供水，根据2.1节的诊断流程和操作步骤进行控制监督，可为操纵员提供较好的指导作用。

2）汽轮机惰转期间保证盘车油泵和顶轴油泵的可靠运行，可有效控制并降低轴承的回油温度及金属温度，对汽轮机的安全停运有积极作用。

3）为维持油氢压差，防止发电机内氢气泄漏，在失电期间需保持备用油源正常投入及空侧交直流油泵同时运行；同时，为了防止氢侧密封油系统消泡箱出现高油位报警，需通过手动调整空、氢侧油压差或停运氢侧油泵的方式来进行控制。

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Study on the state control of important system in secondary circuit of nuclear power station after loss of off-site AC power supply

GAO Geng WANG Shengxue

(Jiangsu Nuclear Power Corporation, Lianyungang, Jiangsu 222000)

The loss of off-site AC power supply is an expected operation event in the design of nuclear power units. It plays a positive role in the transition of the unit to a safe and stable state when the operator’s concerns are clearly defined during the accident handling. Taking Tianwan nuclear power station phase II project as an example, this paper discusses and studies the important concerns related to the steam generator water supply and the safety outage of the turbine generator in the secondary circuit under accident condition. Through the analysis on possible problems of the system during the process of automatic action and operator manual intervention, solution are put forward to improve personnel response ability under transient conditions and ensure the safety of the system equipment.

off-site AC power supply; loss of power; secondary circuit; accident conditions; generator

2023-08-10

2023-09-04

高 赓（1985—），男，江苏省连云港市人，本科，高级工程师，主要从事核电站运行工作。