核电厂移动式应急交流电源的可行性研究

摘 要：福岛事故后，各国针对核电厂应对超设计基准事故采取了各项应急准备措施，移动式应急交流电源作为其中快捷有效的方案而被广泛推荐使用。目前，移动式电源设备在国内石化、通信、电力等诸多行业有着成熟的应用，并有多种配置方式。文章着重从核电厂移动电源的运行工况出发，结合核电厂设备技术要求的特点和国内普通行业上的成熟应用，对核电厂移动式应急交流电源进行了初步可行性研究，并提出了较完整的配套方案；同时，对于文章尚不能解决的内容，提出相关问题以待进一步的研究。

关键词：福岛；核电厂；移动电源；柴油发电机组

中图分类号：TM623 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2013）05-0044-03

近几十年全球环境变化剧烈，各种特大自然灾害时有发生，公众对核电的安全性越来越关注，当局对核电厂运行的安全性要求也越来越高。为此，核电厂应针对各种大型自然灾害引起的超设计基准事故工况做好充分准备。我国目前有数十座已建和在建核电厂，厂址均在沿海地区，在面临严重自然灾害的情况下，特别是像日本福岛特大地震和特大海啸叠加的自然灾害时，可能存在因失去场内外电源而引发核事故的潜在危险。

本文通过对普通移动式交流电源的选型配置、设计方案、功能配套和运行操作等方面的研究，结合核电厂安全运行和日常管理的特殊要求，提出能够适用于国内核电厂的移动式应急交流电源的方案，可在原有应急电源在超设计基准运行工况下发生共模故障失效后起到短期电源供应，满足应急电源保障的安全性要求，降低严重事故发生的概率，使核电厂原有的安全性得到进一步加强。

1 背景分析

2011年3月11日，日本发生了由特大地震和特大海啸灾害叠加引起的福岛核电厂核事故。地震发生时，福岛第一核电厂1-3号机组运行，4-6号机组换料大修，地震使核电厂同时失去正常厂用电和外部电源，此时，运行中的机组启动自动停堆程序，应急柴油发电机组启动向余热导出系统供电，特大地震使3台柴油发电机组失效，但仍有10台能维持正常运转，满足机组安全停堆要求。

约1h后的海啸侵袭，使得其中9台柴油发电机和配电设备（1-4号机组布置于常规岛或核岛之下）受到海水浸泡，从而导致冷却水泵和电机受到损坏而停止工作，仅剩1台柴油发电机组向5、6号机组供电， 5、6号机组的自动停堆程序得以维持运行，因此，这2台机组未像1-4号机组一样发生氢爆。

虽然福岛电站后来也临时调来了移动式应急电源，但因接口不匹配而无法使用；重新施工从外部引入电源耗时较长，从而错过最佳救援时机而酿成特大事故。鉴于此，“确保紧急情况下的电源”被日本政府列入福岛事故的经验教训之一。

对比国内现有的已建和在建核电厂，核电厂内应急柴油发电机组的固定安装位置的一般在绝对标高9.0～10.0 m的水平上，同样处于海拔高度较低的位置，如面临福岛遭受到的特大地震和特大海啸冲击，仍可能存在较大的失效风险。

核电厂除了可通过设置多类应急电源、采用环境适应性高的配电盘和电池充电用电动机、增加高位应急电源等措施来增加原有应急电源的可靠性外，对于现有已建和在建核电厂，还应考虑配备具备系统独立、分散存放、机动灵活、快速响应、多台快速并联大功率输出等优势突出的移动式应急电源装置。作为核电厂原有应急电源的补充和后备，移动式移动电源可在原有应急电源在超设计基准事故工况下失效后起到短期电源保障的作用，以降低严重事故发生的概率，进一步加强核电厂安全可靠性。

2 常规移动电源现状

目前，国内的移动电源在石化、通信、电力等诸多行业有着广泛和成熟的应用，并有多种配置方式：按电源种类可划分为移动式蓄电池组、移动式汽油发电机组、移动式柴油发电机组、移动式燃气轮机发电机组等；按车辆形式可划分为手推车式、底盘拖车式、挂车式移动电源。

从国内发动机制造业水平和各行业使用业绩来看，对于容量不超过2 000 kW的移动电源设备，国内已具备较为成熟的供货和运行经验；但对于容量超过2 000 kW的移动电源设备，一方面是市场需求不足，另一方面，因柴油机一体化程度降低，国内制造和成套水平不足，目前尚无成熟的供货和运行经验。

3 核电厂移动式应急电源配置技术要求

3.1 厂区内布置

为使移动式应急电源能承受地震和洪水的叠加效应，该移动电源日常应存放于抗震和防水的储存厂房内，储存厂房应选择高于设计基准洪水位至少10 m以上的地点，且应设置在离核电厂房直线距离至少1 km以外。

储存厂房应配有通风、照明、消防、起吊等配套设施，同时还应包括电源设备的试验及工具间。

同时厂区内还应考虑设置多条抗震道路以符合专用交通的安全性、可达性和多样性，且专用交通道路应尽量保证减少弯道和过陡区段。

另外，为分散共模失效的风险，保证震后设备使用的有效性，也应考虑该移动电源设备在厂区内进行分散布置。

3.2 日常管理

移动电源应进行日常维护，保证处于热备用状态，以便紧急情况下能够快速投入使用；移动电源应定期进行启动试验和满载试验，在移动电源车库内设移动或固定式试验负载，或设计为可并网模式进行定期试验，以保障机组性能。在定期试验的同时，对于连接电缆应定期检查绝缘等状态参数，以保证连接电缆的可靠性。

同时，核电厂还应定期组织移动电源的应急演习，以保证操作人员的熟练操作。核电厂运行与应急管理规程中应对移动电源的人员配备、应急准备、车辆启动、抵达时间评估、路线选择、运行操作等要求作出规定。

3.3 供电时间

从缓解事故影响的角度来看，移动电源应尽可能具备长时运行能力。结合国内核电厂外部电源恢复的强制时间要求，移动电源应具备至少72 h的长时不间断持续运行能力，并能通过在线燃料补给或在线充电等方式延长供电时间，为恢复外电源、防止LOCA等发挥作用。

3.4 启动和停机

每套移动式电源设备应配备两套独立完整的启动系统，以提高冗余程度来增加设备启动可靠性。

移动电源应通过手动操作启停，且应具有紧急停机装置和满足低温条件下启动的措施。当移动电源发生起动不成功或运行中发生故障而停机时，应能发出故障报警信号，如就地报警或者短信通知等告知运行操作人员当前机组状态。

3.5 抗震和减震

移动电源设备自身及其辅助设备均应考虑采用抗震结构，与外部承载箱体的连接和安装也应采用减震系统，并通过承载箱体与车辆底盘进行二级防震处理，以满足抗震和减震要求。

同时，为进一步保证移动电源设备的抗震或减震能力，应通过设置挡板、拉锁等装置，在储存厂房内设置防溜车、防侧翻等辅助机械设施。

3.6 全天候工作

移动电源整体布局应采用在特殊路况下运输和使用中优先保护电源机组的方式，以减少机组的故障，延长使用寿命，并预留合理的燃料补给箱、电缆绞盘和日常维护作业的操作空间；整车应配置可调节液压或机械支撑系统，通过四点或更多支撑以减轻车辆轮胎在作业中的承重受压；通过调节手摇杆或液压杆的支撑高度，以维持在不平整地面停放车辆时的整体水平度，并在车辆长时间不用时，保护车辆轮胎及悬架系统。

移动电源承载厢体应采用全封闭结构，可充分做到防雨、防尘、隔热、防火、防锈、降噪；电源机组与厢体、控制系统、加热系统、交直流输入输出系统等应配有与车架组成的可靠接地，配有接地线及接地桩，电源车照明和检修用电部分有相应的漏电保护系统；高温部分结构应使用防火、阻燃、隔热材料，如有消声器装置，其结构必须避免聚火的可能性，同时，车厢内可设置智能式消防灭火系统，并必须配备不少于两套灭火器。

车辆的改装、外部升降式灯柱和外部警报装置的增设应符合交通法规的要求。

总体上移动电源应操作简便，坚固耐用，可全天候开展应急工作。

3.7 电力接口

移动电源设备与厂内原有配电系统相连的外部接口应设置在便于移动电源到达的位置，并满足防水和抗震要求，且不应影响原有系统的正常运行。

移动式电源设备也可通过连接电缆直连应急母线的方式实现快速敷设和连接，接头可采用快速插头或铜鼻子方式安装，对于中压移动电源的输出电力电缆接口连接，不宜采用专有插头。

对于日常情况下移动电源本身因热备用所需要的电力供应，应在移动电源设备本身设置对外接口与储存厂房内供电电源的连接

4 核电厂移动应急电源建议方案

4.1 移动电源选择

考虑全厂失电叠加厂内原有应急发电机组全部失效的极端情况下，移动应急电源起到替代厂内原有应急发电机组的全部或部分功能，在规定的不干预时间内，为冷却水泵或维持轴封水泵进行供电，保障事故应急的电源需求，同时也为厂内部分测量、监视、控制等负荷进行供电，起到缓解事故的作用。

然而，由于各个核电厂堆型的区别，电源下游负荷均有不同，因此，各核电厂的负荷需求应根据其所配置的安全设施进行分析，以寻找市场上较合适的电源设备。

目前虽然无法具体计算各类核电厂中不同事故工况下的负荷需求，但可以明确，事故工况下的电源设备应保证容量水平尽量大，从而应对事故情况下出现部分不可预想的负荷需求。

根据现有市场上的成熟设备，以满足总结出可能的移动电源设备如下：

蓄电池组具有维护便利等优点，也适用于部分应用范围，但因其寿命较短，负荷范围和供电时间有限，加之对运行环境要求严格等因素，不宜选作移动式应急电源。

燃气轮机发电机组因在尺寸和重量方面相比同功率水平的柴油发电机组要小，在要求功率较高和空间较狭小的情况下，燃气轮发电机组具备优势，但因其经济性较差，其应用范围相对柴油发电机组要小。因此本文推荐采用成熟的移动式柴油发电机组。

4.2 移动式柴油发电机组

移动式柴油发电机组可选择厢式、箱裝式机组。箱装体可采用牵引重型卡车移动，或直接安装在汽车上。采用牵引拖挂车时，箱装体底部应装有车轮和液压或机械支撑及其他固定装置。

厢式电源机组本体应通过减振器安装在箱装体底座上，如采用内燃机驱动的发电机组，则进气可采用厢体内进气，排气经排气管排至厢体外；冷却水散热器安装在箱装体的前部，以便于散热空气的排出。散热器风扇兼作箱装体通风的排风扇，通风入口尽量设置在发电机侧的前顶部，便于发电机的散热，另外设有补水接口。

为延长供电时间需配备较大容量的燃油箱，但燃油箱过大将使机组整体体积、重量增大，影响其机动性能。根据设备和现场的实际需求情况，车载油箱应急时间可按常规标准设定为4～8 h左右，并考虑利用原有固定式柴油发电机组的油箱或者外部油罐车等为其提供在线补给。

燃油箱设有液位指示、补油接口，液位指示等，补油接口设在箱装体的外侧，补油接口采用快接接口，在必要的情况下可增加手动补油泵。

移动式柴油发电机组的启动系统可设置为双冗余系统，每套系统均包括：起动蓄电池组、起动马达（含启动控制器）或者采用压缩空气系统完成机组的启动。蓄电池组充电备用时，应采用直流配电设备由外部正常电源进行充电，机组运行后由柴油机自带的充电机进行充电；采用压缩空气系统启动时，应考虑空气罐内的气压条件是否能改保证满足启动要求。

电气设备安装在远离散热器的一侧，发电输出由出口开关柜进行分合控制，出口开关柜尽量靠近发电机侧，并尽量采用铜排联接，发电输出与电厂的接线端子设置在箱装体的外侧。

柴油发电机组的控制、保护、监测由发电机控制柜和机组控制柜完成，同时，热工参数监测、指示也应在箱装体外侧设置有机组起动、停机等操作面板。

移动电源整车参考外形如表1所示。

对于电力负荷较高的情况，可采取多车并机的方式以满足要求。并机方式需要增加并机功能控制器、开关，并机模块间可通过总线进行快速连接，避免出错并减少现场应急发电准备时间。

5 其他关注的重要问题

本文仅对核电厂移动电源提出初步方案，具体到一个目标核电厂，需对该核电厂原有应急电源、厂址条件、原设计基准等进行分析论证，综合设计院、业主、运营单位的具体情况等诸多因素确定该核电厂的移动式电源。

核电厂建设需严格遵守法律法规，因此须尽快制定核电厂移动式电源标准规范，对移动式电源的车辆以及电源设备抗震能力的检验方法、工作范围和负荷特性、电源输出接口等方面进行规范。

核电厂运营规范也需增加对移动式电源的日常管理、保养、日常的演练演习、事故情况下的介入时机等相关规定。

6 结 论

①国内现有的已建和在建核电厂增配移动式应急电源，是保障核电厂在面临严重自然灾害所导致的超设计基准事故时应急电源供应的有效方法，可为救援争取先机，从而使核电厂的安全性得到进一步提升。

②增配移动式应急电源，可大大降低现有已建和在建核电厂为应对严重自然灾害引起的超设计基准事故而必须进行的对原有应急电源的改进或改造升级费用，保证核电厂在很短时间内完成升级改造，满足当局对核安全的要求。

③国内移动式电源种类繁多，市场供应成熟，只需很短的时间按核电厂要求进行改进、改装，即可作为现有核电厂应急电源投入使用。

参考文献：

[1] 周法清.秦山核电厂自备应急电源系统可靠性分析[J].核动力工程，1989，（1）.

推荐访问:核电厂 可行性研究 应急 移动式 交流电源