失去6kV厂用交流电类应急行动水平制定
2021-01-11


  兰天


  (江苏永利集团有限公司)


  摘要:根据我国核安全相关法规要求,永利集团站应根据其设计特征和厂址特征制定应急状态分级的初始条件及应急行动水平。为了提高电站对失去6kV厂用交流电类事件进行应急状态分级的研判水平,本文根据国内最新法规、导则及技术文件的要求,对失去6kV厂用交流电后的机组工况和事故序列进行分析,制定了电站因该类系统故障进入应急待命、厂房应急、场区应急及场外应急状态的初始条件及应急行动水平。


  关键词:6kV;厂用交流电;应急行动水平


  1 前言


  根据我国核安全相关法规的要求,永利集团站应根据其设计特征和厂址特征制定用于应急状态分级的初始条件及应急行动水平。本文依据HAD002/01-2019《核动力厂营运单位的应急准备和应急响应》、《压水堆永利集团站应急行动水平制定(报批稿)》等相关法规和技术文件,并结合某永利集团站1-4号机组的设计特征,从失去6kV厂用交流电后机组工况衍变和事故序列发展的角度进行分析,制定失去6kV厂用交流电类(热态)应急初始条件及应急行动水平,以提高电站对此类事件进行应急状态分级的可靠性。


  2 背景


  我国永利集团站应急状态分为应急待命、厂房应急、场区应急和场外应急4个等级,应急行动水平是用来建立、识别和确定应急等级和开始执行相应的应急措施的预先确定和可以观测的参数或判据。初始条件是预先确定的、触发永利集团站进入某种应急状态的一类应急行动水平的征兆或指示。


  失去6kV厂用交流电是永利集团站应急行动水平系统故障类的一个初始条件, 此类初始条件和应急行动水平表征6kV正常运行供电系统失电或故障持续较长时间所体现出的永利集团站安全水平潜在降级。本文依据相关法规、导则和技术文件的要求,从机组失去6kV正常运行供电系统后应急柴油机组可用数量的角度入手,并结合机组实际工况的衍变过程,对进入四种应急状态的根本原因进行分析,从而制定符合某永利集团站实际特征的应急行动水平。


  3 制定过程


  本文在制定应急行动水平条款时使用的初始条件SU1、SA1、SS1和SG1分别代表电站因系统故障进入应急待命、厂房应急、场区应急和场外应急的初始条件。同时整个制定过程把失去6kV厂用交流电做为制定应急行动水平的唯一始发事件来考虑,而不考虑叠加其他事故工况,但在分析过程中会考虑因失电故障可能导致的其他事故对机组造成的影响。


  3.1 关于失去6kV厂用交流电进入应急待命状态


  当机组失去正常段母线后,四台主泵断电惰转,反应堆自动停堆,一回路冷却剂流量降低,主给水泵停运,汽轮机自动打闸停机。在失电工况下,旁排被闭锁,蒸汽发生器压力会上升至打开大气释放阀,通过大气释放阀维持主蒸汽集管压力。由于失去主泵的强制循环,一回路必须建立自然循环。当机组柴油机组能够正常启动向正常运行段母线供电时,启动辅助给水泵向蒸汽发生器供水以确保建立一回路的自然循环。当机组柴油机组不能够正常启动向正常运行段母线供电时,则需要启动由应急段母线供电的应急补水泵向蒸汽发生器供水,并及时采取措施恢复正常段母线的可靠供电。


  按照设计,应急段母线有两路电源,一路为正常段母线供电,另一路为应急柴油机组供电。因此,按照核安全导则HAD002/01-2019《核动力厂营运单位的应急准备和应急响应》中的规定,当机组失去正常运行交流电源后,应急段母线已经失去了较大的冗余性,出现可能危及机组安全的某些特定工况或事件,机组的安全水平已经处于不确定或可能有明显降低的状态下,满足进入应急待命的条件。同时,为了避免瞬态场外电源丧失导致电站进入应急状态的情况发生,应在条款中加入事件持续时间超过15分钟作为辅助判据。


  因此,失去6kV厂用交流电(热态)进入应急待命状态的条款制定为“EAL1-SU1:任何一台机组的所有6kV正常运行供电系统失电或故障,持续时间超过15分钟”。


  6kV正常运行供电系统四段母线BBA、BBB、BBC、BBD非计划地全部失电;和


  6kV应急供电系统四段母线BEA、BEB、BEC、BED中至少有两段非计划地由应急柴油发电机供电。


  适用运行状态:功率运行、最小可监测功率水平、热态、加热、冷却。


  但按照相邻机组供电的设计原则,两台相邻机组的220kV启动变之间存在联络电缆,即当一台机组失去500kV厂外主电源和220kV厂外备用电源后,仍可通过相邻机组启动变联络电缆进行供电,并且这种供电方式在机组上已多次实现,故后续会针对相邻机组启动变联络电缆相互供电的方式进行分析,考虑纳入相关应急行动水平条款中,作为应急状态分级的辅助判据。


  3.2 关于失去6kV厂用交流电进入厂房应急状态


  当各应急段母线对应的应急柴油机组可用或部分可用时,应急柴油机会在收到6kV应急段工作母线失压或低频的信号后15秒内启动并逐级带载。


  下面从这种情况下应急柴油机组可用数量的角度进行分析:


  当四台应急柴油机启动为应急段母线供电时,安全系统设备能够正常运行实现其设计功能,将反应堆维持在安全状态。


  当有三台应急柴油机启动为应急段母线供电时,安全系统减少了必须的冗余,根据技术规格书的要求,低压安注冷却系统在功率运行、最小可监测功率水平、热态、加热、冷却五种状态下必须4列可用,若一列或两列不可用且在31小时内无法恢复,则将机组转为冷态。


  当有两台应急柴油机启动为应急段母线供电时,安全系统进一步减少了必须的冗余,导致电站的安全水平降级,但还有时间采取预防性措施以防止向更高级别的应急状态演变。


  当仅有一台应急柴油机启动为应急段母线供电时,任何附加单一失效都会导致继续失去全部场内交流电源,即全厂失电。此时安全系统中冗余度为4×50%的系统已经无法实现其设计功能,4×100%的安全系统虽然仍然能够实现其设计安全功能,但任何单一故障都会导致所有安全系统不可用。


  按照核安全导则HAD002/01-2019《核动力厂营运单位的应急准备和应急响应》中的规定,此时电站安全水平已经存在实际的大的降级,但事件后果仅限于厂房或场区局部区域,且由于安全系统出现的问题需要操纵员进一步加强对机组安全状态的监控,并尽快组织恢复正常段母线供电或应急柴油机组运行,满足进入厂房应急的条件。同时,为了避免瞬态场外电源丧失导致电站进入应急状态的情况发生,应在条款中加入事件持续时间超过15分钟作为辅助判据。


  因此,失去6kV厂用交流电(热态)进入厂房应急状态的条款制定为“EAL1-SA1:任何一台机组6kV正常运行供电系统四段母线全部失电,并且6kV应急供电系统母线仅有一段可以供电,持续时间超过15分钟”。


  6kV正常运行供电系统四段母线BBA、BBB、BBC、BBD非计划地全部失电;和


  6kV应急供电系统四段母线BEA、BEB、BEC、BED中仅有一段可由应急柴油发电机供电。


  适用运行状态:功率运行、最小可监测功率水平、热态、加热、冷却。


  3.3 关于失去6kV厂用交流电进入场区应急状态


  随着事件进一步升级,当机组失去正常段母线且四台应急柴油机均无法实现向应急段母线供电时,机组将失去所有安全系统、主控室控制系统、放射性监测系统、通讯系统,仅剩蓄电池所带的不间断电源通过UPS机向部分低压母线供电,而蓄电池仅能维持1-2小时的供电。


  丧失安全系统将导致无法实现以下设计功能:


  通过高压安注系统向一回路注入硼酸溶液,保证堆芯的冷却和淹没;


  通过低压安注系统、安全壳喷淋系统与余热导出系统组成余热导出回路,参与反应堆装置的冷却;


  通过安全壳喷淋系统向安全壳内喷注硼酸溶液,降低安全壳内压力和温度,确保第四道安全屏障的完整性以及充注堆内构件检查井确保熔融物的长期冷却。


  通过应急补水系统向蒸汽发生器供水,保证一回路的冷却;


  通过双壳环形空间应急负压系统使从内层安全壳漏入的放射性裂变产物(放射性气溶胶和碘)经烟囱排入大气之前得到净化;


  按照核安全导则 HAD002/01-2019《核动力厂营运单位的应急准备和应急响应》中的规定,此时电站的工程安全设施已经严重失效,安全水平发生重大降级,事故后果可能已经扩大到整个场区,满足进入场区应急的条件,场区内的人员应采取核事故应急响应行动。但为了避免瞬态场外电源丧失导致电站进入应急状态的情况发生,仍应在条款中加入事件持续时间超过15分钟作为辅助判据。


  因此,失去6kV厂用交流电(热态)进入场区应急状态的条款制定为“EAL1-SS1:任何一台机组丧失全部6kV厂用电系统,所有6kV母线不能恢复供电的时间超过15分钟”。


  6kV正常运行供电系统四段母线BBA、BBB、BBC、BBD非计划地全部失电;和


  6kV应急供电系统四段母线BEA、BEB、BEC、BED全部失电。


  适用运行状态:功率运行、最小可监测功率水平、热态、加热、冷却。


  3.4 关于失去6kV厂用交流电进入场外应急状态


  在接下来机组工况的衍变过程中,放射性物质将通过以下方式释放至环境:


  蒸汽发生器将失去正常、辅助和应急给水,蒸汽发生器压力逐渐升高至打开蒸汽发生器安全阀,短时带出一回路热量。根据《某永利集团站3、4号机组最终安全分析报告》第15章事故分析中全厂失电事件序列,全厂失电1.27个小时后,蒸汽发生器烧干,一回路丧失热阱,自然循环被破坏。二次侧无法导出热量后,一回路热量无法及时排出,堆芯温度快速上升、一回路压力快速升高继而打开稳压器安全阀,通过该安全阀排放的一回路冷却剂在泄压箱内达到0.69Mpa后将通过爆破膜直接排放到安全壳内,导致高温高压且带有放射性的一回路冷却剂在安全壳内聚集。与此同时,由于堆芯热量无法导出,热量不断积聚将导致堆芯沸腾,冷却剂仍不断地排放到安全壳内,而此时非能动的中压安注系统也无法将硼酸溶液注入压力高于6Mpa的堆芯,反应堆压力容器液位继续下降导致堆芯裸露。随后,传热进一步恶化,堆芯温度继续上升,锆合金将会与饱和蒸汽发生反应释放大量热量并产生氢气,加剧了氢爆和蒸汽爆炸的风险,安全壳的完整性可能遭到破坏,导致放射性物质释放到环境中去。因此,在制定该应急行动水平进入场外应急状态的条款时,考虑将无法恢复至少一列母线供电的时间规定为1小时比较合适。


  在全厂失电引发的超设计基准事故下,电源恢复成为事故处理的关键,应立即启动全厂失电应急预案,执行以下措施:


  通过移动柴油机恢复向对应的母线供电,维持堆芯重要参数的监测和后备盘重要设备的操作;


  调用6kV移动电源车和400V移动电源车接入一段6kV应急段母线和其他3段400V应急段母线,以恢复主控室OT、部分重要参数监测仪表、重要照明等设备供电;


  通过移动泵或消防车向蒸汽发生器二次侧应急补水,以建立自然循环,导出堆芯余热,将反应堆置于安全状态,为恢复电源赢得时间。


  如果以上恢复供电和恢复向蒸汽发生器供水的措施都无法实现,机组将长时间丧失6kV厂用交流电源,堆芯会发生熔化,高压熔融物会破坏安全壳完整性,导致大量放射性物质释放到环境中去,事故的后果扩大到厂区边界之外,已满足进入场外应急的条件。


  因此,失去6kV厂用交流电(热态)进入场外应急状态的条款制定为“EAL1-SG1:任何一台机组长时间丧失6kV厂用交流电源。”


  6kV正常运行供电系统四段母线BBA、BBB、BBC、BBD非计划地全部失电;和


  6kV正常运行可靠供电系统两段母线BDA、BDC全部失电和。


  6kV应急供电系统四段母线BEA、BEB、BEC、BED全部失电;和从丧失开始,1小时不能恢复至少一列母线供电。


  适用运行状态:功率运行、最小可监测功率水平、热态、加热、冷却。


  4 结论


  经上述分析,某永利集团站因失去6kV厂用交流电(热态)类应急行动水平进入四种应急状态的主要判据分别制定为:


  电站进入应急待命状态:任意一台机组的所有6kV正常运行供电系统失电或故障,持续时间超过15分钟;


  电站进入厂房应急状态:任何一台机组6kV正常运行供电系统四段母线全部失电,并且6kV应急供电系统母线仅有一段可以供电,持续时间超过15分钟;


  电站进入场区应急状态:任何一台机组丧失全部6kV厂用电系统,所有6kV母线不能恢复供电的时间超过15分钟;


  电站进入场外应急状态:任何一台机组长时间丧失6kV厂用交流电源,且1小时不能恢复至少一列母线供电。


  5 结束语


  本文制定的该类应急初始条件及应急行动水平符合失去6kV厂用交流电后机组实际工况的发展,能够为人员判断机组事故应急状态提供合理可行的依据,并经过某永利集团站1-4号机组主控室和模拟机房的实际使用验证,具有良好的适用性。本文的分析方法对同行电站在制定和应用此类应急行动水平具有一定参考价值。


  参考文献


  [1] 陈畅其,2016:《反应堆应急行动水平的历史和新发展》,《核安全》第2期.


  作者简介


  兰天,2015年7月毕业于东北电力大学电气工程及其自动化专业。2015年8月入职江苏永利集团有限公司,2015年8月至2019年12月在运行二处参与田湾永利集团站3、4号机组的调试和运行工作,工作期间曾在国家核心期刊《产业与科技论坛》发表技术论文一篇。2020年1月,调入环境应急处应急管理科工作,主要负责田湾永利集团站应急预案、程序编制,组织电站综合、单项应急演习、应急设施设备管理、应急行动水平研究等工作。2020年8月,取得工程师技术职称。电子邮箱:lantian01@cnnp.com.cn。

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