失去四级电源后单台备用柴油发电机运行的处理
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【摘 要】 本文分析了某核电站发生失去四级电源事件后只有单台备用柴油发电机运行时，为确保机组安全的相关负荷电源需求情况，并简要分析了安全相关的三级母线电动机负荷启动时对备用柴油发电机及母线电压的影响，以其作为备用柴油发电机继续带载的理论基础，从而制定了失去四级电源后仅单台备用柴油发电机运行时的处理原则，对可能的事件处理提供了依据和参考。
【关键词】 失去四级电源 三级母线 备用柴油发电机 带载原则
1 概述
某核电站厂用电源分成一、二、三、四个等级。其中四级电源为可长期中断电源，主要功能是为维持机组日常运行的负荷供电，而三级电源是可短时中断数分钟的交流电源系统，其主要功能是为电站启停、正常运行，以及应急停堆提供必要的安全电源，从而确保电站安全停堆和余热排出。该电站共有两台机组，每台机组有两条6.3KV三级电源母线（BUE和BUF母线），正常运行时从四级电源母线供电。一级、二级电源为不间断（UPS）的安全电源。每条6.3KV母线上各连一台备用柴油发电机，当失去四级电源时，备用柴油发电机自动启动向三级母线供电。
如果机组发生失去四级电源事件后，一台备用柴油发电机由于正处于维修或某种故障而无法启动，或启动后无法建立额定电压等导致一台备用柴油发电机不可用，电站的安全相关负荷将由另一台备用柴油发电机进行带载。两条6.3KV母线之间配备有母联开关，在发生这种工况时，可以根据实际的负荷情况，带上另一条母线上的重要负荷来缓解事件后果。为了确保电站的安全停堆和余热导出，确保唯一可用的这台备用柴油发电机可靠地将需要的负荷带载，需要根据各三级负荷对电站的重要程度、及该负荷带载时对三级母线的影响情况确定一个带载原则。
2 三级母线的负荷配置情况及柴油发电机带载能力
某核电站安全相关负荷按照奇偶配置、互为备用的原则，分配在奇偶母线上。设计上，失去四级电源后，两台机组的1#备用柴油发电机顺序带载负荷分别为6755KW和6494KW，2#备用柴油发电机顺序带载负荷分别为7278KW和7017KW。近年来，为了提高电站运行的可靠性，电站实施了部分系统的变更改造，先后增加了部分三级电源负荷。现1#机组两台备用柴发电机实际的顺序带载负荷分别为6848.6KW和7208.5KW;2#机组两台备用柴油发电机实际的顺序带载负荷分别为6414.2KW和6925.1KW。
根据设计手册，每台备用柴油发电机的额定设计功率为8200KW。当接到失去四级电源信号时，相应的备用柴油发电机会自动启动，30秒内达到额定电压和频率，并在180秒内完成必要的三级负荷带载。每台备用柴油发电机在24小时内可以有2小时超过额定设计功率10%的过载能力，即每24小时内可以有2小时其带载功率达到9020KW。另外，目前每台备用柴油发电机燃油箱装量是按照原最大的顺序带载功率即7278KW来充装的，即两主油箱液位为5.25米左右，而日用油箱保持在0.88米左右，以满足应急工况下7天的燃油适用装量要求。
3 失去四级电源事件后电站自动响应及安全相关负荷的电源需求情况
3.1 反应堆功率
失去四级电源后，主热传输泵跳闸，主热传输系统流量骤减，将导致主系统压力迅速上升和反应堆功率上升。然而1、2号停堆系统的控制回路是由一、二级不间断电源（UPS）带载，失去三、四级电源后，UPS能维持一个小时供电，失去四级电源后1号停堆系统或2号停堆系统能可靠动作。因此，在本工况中反应性的控制是可靠而有效的。
3.2 放射性包容
在失去四级电源及有一台备用柴油发电机不可用时，安全壳的隔离功能并不受影响。因为安全壳隔离阀失去仪用压空或控制电源的情况下，安全壳隔离阀会自动关闭，属失效安全状态。和安全壳相关的其它安全相关系统，如喷淋系统的喷淋阀则保持事件前状态，即事件前如果喷淋阀是关闭的则保持关闭状态，只要仪用压空压力正常也不影响该系统的功能。装卸料机房间及蒸器发生器间的就地空冷器在此工况中将有一半不可用，在停堆后，能满足上述房间的冷却需要。
3.3 堆芯冷却
3.3.1 主热传输系统的循环动力
失去四级电源后，主热传输泵跳闸，主热传输系统流量骤减。随着停堆系统的可靠动作，堆功率随即迅速下降至零功率。在主热传输泵惰转期间，燃料的冷却始终得到满足，主泵惰转结束后，堆芯将建立起自然循环，通过自然循环来导出堆芯燃料的衰变热。如果由于某些原因，导致自然循环失效，从设计上，还可以在热态零功率情况下，投运停冷系统。在安全分析上，一台停冷热交换器的容量只有在停堆6小时后才能保证堆芯余热的排出。因此，如果失去四级电源后仅一台备用柴油发电机可用，而自然循环又由于某种原因失效，则需尽快合上BUE和BUF母线的母联开关，同时投运两台停冷泵和停冷热交换器，对堆芯进行冷却。
3.3.2 蒸汽发生器装量控制
失去四级电源后，主给水泵跳闸停运。此时，必须确保备用柴油发电机可用侧的辅助给水泵正常带载。如果辅助给水泵都不可用，则蒸发器的水装量将会持续的减少，操纵员必须尽快合上母联开关，并启动另一侧的辅助给水泵。如果辅助给水泵无法启动，操纵员可以通过开启MSSV降低蒸发器二次侧的压力，由喷淋水箱向蒸发器提供应急补水，喷淋水箱内的水大约可以带走4天的堆芯余热，或者启动EPS和EWS泵向蒸发器二次侧进行补水。在失去四级电源事件中，如果反应堆能在第一时间可靠自动脱扣，则蒸发器中的水装量至少能满足60分钟的堆芯衰变热的导出。保守考虑，如果在失去四级电源事件中，反应堆是由于蒸发器低液位而触发二号停堆系统，蒸发器内的水装量也能满足30分钟的堆芯衰变热的导出。
3.3.3 RCW/RSW系统（最终热阱）
电站四台重要的设备冷却水/海水泵（RCW/RSW）泵分别从BUE和BUF供电，向电站相关用户提供冷却水，在冬季，保持两台泵运行，一台泵备用;而在夏季，则是三台运行，一台备用。当发生失去四级电源事件后单台备用柴油发电机运行时，对于备用柴油发电机运行的这条母线只能自动带载启动一台RCW泵，另外一台泵由于该母线的进线断路器跳开而不能启动，只有当该母线上运行泵故障跳闸时，该备用泵才能启动。
失去四级电源事件后单台备用柴油发电机运行时，RCW/RSW系统维持一台泵两台热交换器的运行模式，即使是在夏季也是如此。其理由如下：
（1）从备用柴油发电机的负荷核算来看，失去四级电源后一台备用柴油发电机的自动带载功率接近7000KW，如果再启动一台RCW泵和一台RSW泵，将增加功率约2250KW，必将造成备用柴油发电机过载，甚至会由于启动时造成母线压降过大而引起保护动作，造成两台备用柴油发电机都不可用。
（2）从RCW系统的压力及温度控制上也没有必要再启动一台RCW泵。停堆以后，慢化剂温度控制大阀将全关，只有小控制阀进行温度控制，加上失去四级电源后还会甩掉汽机厂房的一些非重要RCW负荷。此时，保持一台RCW泵运行仍可以保证RCW系统压力在正常压力。
（3）经过统计，在失去四级电源事件后单台备用柴油发电机运行时的RCW需求总流量分别是119766 l/min（2#SDG运行）和128064 l/min（1#SDG运行）。而一台RCW泵的流量为132489l/min。因此，失去四级电源事件后单台备用柴油发电机运行时，保持一台RCW泵运行能满足用户的需要。
4 备用柴油发电机继续带载问题
当备用柴油发电机自动带载结束后，或失去四级电源后一段时间，如堆芯通过蒸发器已冷却至170℃以下，将由停冷系统继续冷却，这时可以通过辅助给水泵将蒸发器补水至2.5米后，然后停运辅助给水泵及辅助凝泵。这样备用柴油发电机的带载功率将由刚失去四级电源时的较高功率降至相对较低功率。这时，就可以根据机组的需要继续带一些必要的重要负荷。但是，由于异步电动机起动时，其起动电流可达额定电流的6～8倍。根据S=UI（S为视在功率，U为视在电压，I为视在电流），当瞬间电流I很大时，就会造成母线电压U瞬间下降。如果电压下降太多，会影响同一条母线上的其它负载甚至是备用柴油发电机的安全运行。异步电机启动电流对母线电压的影响程度主要取决于备用柴油发电机的容量大小以及电机负荷的大小。由于备用柴油发电机的设计容量是一定的，因此电机负荷不同，其启动电流对备用柴油发电机的影响也相应地不同。
经过带入数据计算分析，在备用柴油发电机达到一定的带载功率后，只要增加负荷后其总功率不超过备用柴油发电机的额定设计功率8200KW，其启动电流引起的母线压降都不会达到低电压保护整定值，可以继续启动相应的负荷。如果工艺上没有先后顺序，考虑到负荷越大，其启动电流所引起的母线压降越大。因此，在继续带载启动时应先启动大功率负荷再启动小功率负荷。
此外，尽管单台备用柴油发电机燃油箱装量是按照原最大的顺序带载功率即7278KW来充装的，满足应急工况下7天的燃油装量。但在本事件中，失去四级电源后只有一台备用柴油发电机运行，而两台备用柴油发机的主油箱是通过连通管相连的。因此即使唯一运行的这台备用柴油发电机带载功率达到额定设计功率8200KW，也能连续运行接近两周时间。
5 失去四级电源事件后单台备用柴油发电机运行时的处理原则
失去四级电源后，如果一台备用柴油发电机不可用，则需利用运行的这台备用柴油发电机将所需的三级负荷都带上。尤其是2#备用柴油发电机不可用时，需确保辅助给水泵和辅助凝泵通过母联由1#备用柴油发电机带上。因此，结合前面的分析，可以制定出功率运行时失去四级电源故后单台备用柴油发电机运行时的处理原则。
5.1 失去四级电源事件后仅1#备用柴油发电机运行的处理原则
（1）立即确认1#SDG自动带载成功。在确认自动带载的过程中，如果发现响应不正常，操纵员应进行手动干预，如尝试手动启动相应的负荷等;（2）将5433-MCC17A/19B/18C切至奇侧电源供电。由于UPS蓄电池设计上的供电时间只有60分钟，为了防止UPS电池耗尽，需尽早将MCC17A/19B/18C切到奇侧电源供电;（3）将BUF母线通过母联开关由BUE母线带上;（4）补带载。如果由1#备用柴油发电机自动带载的负荷没有自动带载成功，如相应的设备故障等。则在BUF母线带电后，操纵员应立即进行补带载，即手动启动相应的设备。启动的顺序和时间间隔应参考1#备用柴油发电机程序带载的顺序和时间间隔;（5）带上BUF母线重要负荷，尤其要确保至少一台辅助给水泵运行;（6）通过自然循环用蒸发器将堆芯冷却至200℃左右后（如果自然循环有效，可以继续冷却），启动1号停冷泵3341-P1，投运奇回路停冷系统，并将停冷系统偶系列电动阀送电，启动2#停冷泵，投运偶回路停冷系统;（7）其它后续行动。
5.2 失去四级电源事件后仅2#备用柴油发电机运行的处理原则
（1）立即确认2#SDG自动带载成功。在确认自动带载的过程中，如果发现响应不正常，操纵员应进行手动干预，如尝试手动启动相应的负荷等;（2）将5433-MCC17A/19B/18C切至偶侧电源供电;（3）将BUE母线通过BUF母线带上;（4）补带载。如果由2#备用柴油发电机自动带载的负荷没有自动带载成功，如相应的设备故障等。则在BUE母线带电后，操纵员应立即进行补带载，即手动启动相应的设备。启动的顺序和时间间隔应参考2#备用柴油发电机程序带载的顺序和时间间隔;（5）带上BUE母线重要负荷，确保至少一台辅助给水泵运行;（6）通过自然循环用蒸发器将堆芯冷却至200℃左右后（如果自然循环有效，可以继续冷却），启动2号停冷泵3341-P2，投运偶回路停冷系统，并将停冷系统奇系列电动阀送电，启动1#停冷泵，投运奇回路停冷系统;（7）其它后续行动。
6 结束语
本文在分析了某核电站机组功率运行时失去四级电源事件工况下，单台备用柴油发电机运行时的电源负荷需求及柴油发电机的带载能力后，制定了发生该事件时的处理原则，是对电站失去三、四级电源应急运行规程部分内容的延伸和细化，对电站运行人员处理失去四级电源后单台备用柴油发电机运行时事件提供了指导和参考。
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作者简介：吴明亮（1975―），男，汉族，浙江庆元人，高级工程师，硕士，长期从事核电厂运行和管理工作。