核电站电力系统安全策略

核电站电力系统安全策略核电站电力系统安全策略 前言 发电厂根据所利用一次能源形式的不同 可分为火力发电 厂 水力发电厂 核电厂 风力发电厂 太阳能发电厂等 其 中核电由于能够改善能源结构 减少环境污染 延长发电机组 寿命 缓解交通运输紧张等原因 在我国发挥越来越大的作用 目前 我国的核电方针也由原来的 适度发展核电 调整为 积极 推进和发展核电 体现了国家对核电发展的重视和认可 百万千瓦级的压水堆核电站是国家早在 1983 年就已经明 确的核电技术路线 其原型是从法国引进的 m310 压水堆堆型 曾应用于我国大亚湾核电站的建设 其后的广东岭澳核电站是 以大亚湾核电站为参考 根据运行经验反馈进行了多项技术改 进而实施的设计和施工 目前国内核电发展方向则是以第二代 或二代半核电站为参考基础 积极引进消化和应用第三代核电 技术 湖北咸宁核电项目采用的就是第三代核电技术 ap1000 先进型压水堆核电机组 ap1000 是美国西屋公司开 发的一种双环路 1000 mw 的压水堆核电机组 采用的是一种 非能动型安全技术 利用物质的重力 惯性 流体的自然对 流 扩散 蒸发 冷凝等物理原理 无须外界动力驱动系统 只要相应的通风 冷却水等支持系统 在紧急情况下 就能冷 却反应堆厂房并且带走反应堆产生的余热 这一技术被公认为 是目前最安全 最先进的核电技术 核电站和其它常规发电厂相比有一系列的特殊性 这些 特性要求电网必须给予重视和解决 1 核电的安全问题具有广 泛的社会影响和政治影响 因此核电从设计 建造 调试 运 行等方面有一系列严格的安全规范必须遵守 这些规范既使核 电在没有外部电源时 仍能保证核安全 同时也确保电网外部 的条件不能削弱核安全的管理并有利于增强核电的安全性 2 核电站本身的运行状态 包括启动 负荷调整 各种运行状态 及其转换 外部电源和厂内电源的状态 也必须遵守相应的强 制性技术规范 这些标准使电网在考虑核电的运行方式 调度 核电机组时有所限制 3 任何拥有和运行核电站的电网 必须 对核电站的要求给予充分的关注 包括在 黑启动 指电力系 统在经受大的扰动或故障而发生大面积停电事故后 依靠本身 的自启动机组或依靠临近电网的联络线支援 逐步恢复系统各 运行元件和供电服务到正常运行状态的过程 及电网恢复计 划中 始终将恢复核电站厂外电源作为最优先的目标 因此 根据各个电网的特点 研究核电站的特殊要求 是设计并实施 电网安全策略和恢复方案的一个重要问题 1 核电站的特点 1 1 核安全防护 核电站的核安全保障是基于 3 层次的纵深防御策略 1 核燃料组件 核燃料组件包括核燃料物质和包壳 燃料物质采 用化学性质非常稳定 在高温 2000 以上 环境下 仍能保持 化学稳定 并对水不产生正反应的复合物质构成 这种物质确 保一旦核燃料外泄时 不会产生更多的热量 核燃料包壳采用 化学性质非常稳定 耐辐射 耐高温 耐腐蚀 传热性能优良 的锆合金制造 防止核燃料组件破坏 放射物质流入反应堆一 回路中 2 一回路压力边界 该压力边界主要由反应器外壳和 一回路管道构成 放射物质一旦泄漏进入一回路中 即由厚度 达数厘米的金属外壳防护 防止放射物质进入反应堆中 3 反 应堆安全壳 厚达 1m 左右的钢筋混凝土外壳将核岛设备密封 作为核岛的最后一道屏障 防止放射物质扩散至周围环境中 最大限度地防止核事故对环境的影响 为使核防御策略在核安全受到威胁时有效地发挥作用 核 电站厂内外电源的有效性十分重要 厂用电源除确保核安全所 需的关键设备有效工作外 还是核电站常规岛 如发电机 汽 轮机安全的重要保证 厂用电源在以下几个方面有重要影响 1 停机停堆 核电站一旦发生事故 如与电网解列 为避 免事故扩大 防止核事故发生 将发电机组安全停机及将反应 堆安全停堆是首要的工作 将发电机组安全停机的关键是机组 的操作电源 机组的操作电源包括交流操作电源和直流操作电 源 这些电源将提供停机所需的开关操作电源 润滑油泵电源 交流操作电源及使机组安全停机的盘车电源 在盘车电源不可 用时 应人工盘车 核电站的停堆是确保核安全的关键 只有 可靠停堆 才能确保核反应产生的热量最少 避免发生堆芯熔 化等严重事故 在核反应堆设计中 为确保在核电站失去厂用 电后 仍能实现停堆 采用通过失电释放控制棒实现紧急停堆 而在厂用电可用的情况下 可实现正常的停堆 也能实现快速 停堆 2 余热导出 仅将反应堆停堆并不能保证核安全 必须将 核反应产生的热量顺利导出反应器 即从一回路导至二回路 才能确保反应堆的安全 在余热导出过程中 厂用电源非常关 键 厂用电源确保了一回路和二回路安全功能有效工作 3 控制排放 一旦发生反应堆外壳破裂或一回路设备损坏 的严重事故 确保安全壳的安全 防止放射物质向环境不受控 制地排放 必须进行有效地控制 包括对反应堆喷淋降压及消 污 在这个过程中 厂用电源必不可少 此外 厂用电源还是大量控制设备可靠工作的基础 因此 在核电站的安全防护体系中 厂用电源的可靠性十分重要 1 2 厂用电系统 1 2 1 电源 基于上述的考虑 核电站的厂用电源设计采用高可靠性 的原则 并作为核安全规范的一部分 该规范中与外部电源相 关的最基本的要求是 必须设立彼此独立的厂外电源和厂内电源 以确保对电 厂安全有重要影响的设备的供电 厂外电源必须由至少 2 个物 理上独立的电路将电网联接到厂用安全母线上 图 1 是大亚湾核电站厂用电系统 6 6kv 及以上部分 的示 意 在该核电站中 每一核电机组的厂用电系统由如下电源供 电 1 接于发电机机端 26kv 母线的厂用高压变压器 向 2 段 6 6kv 厂用供电母线供电 2 接于 220kv 线路的 2 组辅助变 压器 分别向另外 2 段 6 6 kv 厂用供电母线提供备用 3 2 组 100 互为备用的厂内柴油发电机 向核电站提供应急电源 图 1 大亚湾核电站厂用电系统 6 6kv 以上部分 示意图 该厂用电供电系统的设计完全满足规范的要求 核电站厂 用电在 500kv 电网可用时 完全由厂用高压变压器供电 而 220kv 辅助电源即提供了另一个物理上独立的电路将厂用电安 全母线联接到外电源中 核电站厂用电系统除上述电源外 还 包括主要用于操作机构供电和控制系统供电的直流系统 直流 系统通常由蓄电池组和整流设备组成 1 2 2 厂用负荷 上述核电站的厂用电负荷 即电站的附属设备按照供电 需求不同分为 4 类 1 发电机组附属设备 即机组正常运行所 必须的附属设备 如给水泵和反应堆冷却剂泵等 2 永久性附 属设备 机组停机后仍需继续供电的部分 3 应急附属设备 核安全和保护设施或电站主要设备所需要的附属设备 4 公用 附属设备 电站照明及公共服务设施 厂用负荷的类别决定了厂用电系统的运行方式 一切正常 时 全部厂用负荷的配电系统由机组的 26 kv 母线经厂用高压 变压器供电 该母线在机组运行时由发电机供电而当发电机停 机时则由外电网经主变压器供电 26 kv 母线失电或厂用高压 变压器 a 不可用时 则由 220kv 电网经辅助变压器向永久性 应急和公用设备供电 主网和辅助电源都不可用时 则由柴油 发电机向应急附属设备供电 厂用电系统的运行方式变化的根本目的 是尽可能提高核 安全的可靠性 1 2 3 厂外电源 在核电站厂用电源中 厂外电源非常重要 它提供了主厂 用电源和辅助备用电源 核电站国际组织 wano 世界核电运 营者协会 在其重要运行经验报告中认为 电网失去或异常降 压是核电厂所能发生的最严重的安全重大事件 很多电厂的安 全概率评估结果清楚地表明 厂外电源失去 电网失去 是堆芯估 算损坏概率的最大原因之一 厂外电源是否可靠 主要决定于 电网的运行情况 为确保安全 核电安全规范对厂外电源的运 行方式做了一系列规定 表 1 列出了一座 2x1000 mw 核电站 的部分安全准则要求 表 1 主供厂用电源辅助电源厂内柴油发电机 准则 可用可用至少 1 台可用可以运行 可用预计停电 36h 以上 2 台可用停机停堆 可用预计停电 72h 以上 1 台不可用停机停堆 可用不可用 2 台不可用停机停堆 不可用可用 2 台可用热停堆 不可用不可用 2 台可用冷停堆 从表 1 可看出 任一厂外电源不可用 在大多数情况下 核电机组必须转入备用状态 甚至停堆 2 电网的安全策略 基于核安全的极端重要性 对具有商业性运行的核电站的 电网 应采取必要的安全策略来减少核电站失去厂外电源的风 险 2 1 定期审核核电站失去厂外电源的风险 核电站失去厂外电源的主要事件是 1 电网崩溃导致核 电站外部电源全部不可用 电网的崩溃原因很难预先确定 通 常是对电网局部事故的防范措施不当导致事故扩大 或电网遭 受了超过设计和防护标准的事故 如飓风和地震灾害影响的结 果 2 与核电站相联的局部电网事故导致核电站外部电源全部 不可用 虽然核电站主厂用电源和辅助电源接人了物理上彼此 独立的电路 但由于技术经济性 在外部电网中 这 2 个接人 点通常处于同一局部电网中 因此 在考虑核电站失去厂用电 源事件时 必须考虑该局部电网的安全性 3 核电站主供厂用 电源有关的输变电设备和辅助电源同时失去 该事件同样导致 核电站外部电源全部不可用 这种情况与输变电设备的运行管 理密切相关 核电站失去厂外电源的风险通常采用可靠性指标来表示 通过对相关事故的计算分析 可清楚揭示核电站失去厂外电源 的风险 对核电站失去厂外电源风险进行定期审核是一项基础 工作 通过评估 将有利于揭示电网的薄弱环节 及时采取措 施 保证电网满足安全规范的要求 2 2 严格执行核安全关于厂外电源的运行规范 核安全规范是核电站的强制性标准 在电网运行中 严 格执行规范将有利于提高核安全水平 并最大限度降低核电站 因遵守规范对电网可能产生的不利影响 这包括 1 避免不合 理的运行方式 如厂外主供电源和辅助电源同时检修或厂内柴 油机和厂外电源同时检修 当厂外电源可能出现违反规范的可 能性时 就尽快做好准备 减少一旦机组停机对电网的影响 2 在主供厂用电源不可用时 应允许核机组按规程转入备用或 停机状态 3 不要强令核电机组在可能与核安全规范冲突的状 态运行 如不要为了核电机组尽快并网 在厂用电源不允许的 情况下 将反应堆置于热备用状态 在核电机组出现超越规范 的情况时 应创造条件使机组状态符合核安全的要求 2 3 采取必要的安全措施提高对核电站厂外电源供电的可 靠性 包括采取适当的运行方式 防止核电站所在的局部电网出 现稳定问题 防止频率崩溃 防止电压异常升高 采取合适的 解列措施防止主供电源和辅助电源同时失电 2 4 将核电站厂外电源列为最优先的恢复目标 电网大停电后 由于核电站安全支持系统不能有效发挥作 用 因此这种状态不但是电网最严重的情况 也是核电站最严 重的紧急状态 特别是在厂内交流应急电源不正常时 这种状 态将直接威胁核安全 产生严重的影响 因此 在全世界所有 具有核电机组的电网中 其黑启动计划和电网恢复方案都将最 优先恢复核电站的厂用电作为其目标 核电机组由于容量大 一般直接接于超高压电网 因此 在超高压电网未恢复前 机组一般不能并网 在很多情况下 也不能获得厂外电源供应 但超高压电网的恢复必须考虑很多 因素 这些因素在恢复初期很难满足 包括 超高压线路充电 功率造成持续工频过电压和机组自励磁 在小系统中超高压线 路操作造成的暂态过电压 向大型变压器充电时的磁涌造成的 动态过电压 小系统短路电流不足使保护动作可靠性减少等 由于这些原因 超高压电网的恢复往往需要在一部分大机组恢 复后才能恢复 但大机组的稳定运行受负荷恢复情况影响很大 后者往往需要相当长的时间 因此 对核电站厂外电源的恢复 并不容易 需要周密的安排 恢复计划也应包括线路抢修安排 一旦核电站所有出线受到破坏 应最优先抢修至少一回线路 2 5 建立可靠的沟通机制确保电网和核电站协调工作 根据 wano 的经验和各国电网的运行经验 在电网和核 电站间建立有效运作的沟通机制是确保核电和电网安全的重要 手段 这些机制通常包括 签订有关的并网协议和运行细则 明确双方的责任和权利 建立工作机构间的定期协商机制 对 双方的维修计划 运行安排进行协调 并对未来的电网情况和 电站状态交换信息 建立密切的日常工作联系 包括对有关人 员和工作机构落实责任和授权 能根据外部环境的变化 不断 完善有关的规章和执行方式 2 6 建立有效的通信手段 事故情况下 核电站和电网间需要交换大量至关重要的 信息 包括核电