EPR三代核电厂常规岛直流系统研究及优化.pdf

0引言核电厂的直流系统在电厂占有较为重要的地位，它的主要功能是向电气传动装置、中低压配电盘、继电保护装置、交流不间断电源等重要设备提供动力、控制、保护电源，它的可靠性直接关系到各个电气系统的正常稳定运行，直流系统的不可靠及故障将直接或间接导致设备停机、系统冗余性降低，甚至机组降功率等严重后果。文献1-2介绍了直流系统在电站运行中的重要作用，一旦直流系统发生故障或者直流系统运行不可靠，均可能引发较为严重的后果，因此提高直流系统的可靠性对核电厂的重要性不言而喻。本文主要研究某EPR三代核电厂常规岛直流系统的组成、存在的问题及改进优化措施。1系统构成文献3-4介绍了常规电厂的直流系统设计、组成及原理，核电厂的直流系统构成与常规电厂相似。文献5-7介绍了核电厂直流系统的设计，核电厂直流电源系统由交流配电盘引来交流电经蓄电池充电装置整流成直流电向直流负荷供电，同时向蓄电池组浮充电，当失去交流电源或充电装置故障时，蓄电池组保证在规定的时间内能不间断地向直流负荷供电。它通常由一组蓄电池和一台或两台蓄电池充电装置及直流配电盘组成。采用一台充电装置时，该充电装置一般是高频开关电源模块形式，接线形式如图1（a）所示；采用两台充电装置时，该充电装置一般是相控式充电形式，接线形式如图1（b）所示。根据直流负荷的需求，电压等级一般分为DC220 V/110 V/48 V。考虑到设备的成熟性及可靠性，现有核电厂直流系统的充电装置大多选用相控式充电装置，即图1（b）的接线方式。2问题及分析2.1问题某EPR三代核电厂常规岛专设了三段直流系统LAW/LAV，主要功能是向交流不间断电源、常规岛配电盘、发变组保护等设备提供动力、控制和保护电源。2016年，常规岛直流系统1LAW启动过程中发现充电模块故障，导致1LAW配电盘由蓄电池带载，经过紧急抢修，设备恢复正常运行，此时蓄电池带载运行19 h（设计要求蓄电池带载能力仅为2 h，该段时间许多连续负荷并未带载），若充电装置仍未完成维修，1LAW母线下游负荷将失电。常规岛直流系统失去将导致常规岛失去一套发电机、变压器的电气量保护，失去主变、厂变的非电量保护。2.2原因分析常规岛直流系统LAW/LAV电压等级为DC220V，为常规岛动力、控制、保护负荷供电，其接线方式均为单母线接线，其中LAV为两段单母线接线，LAW为一段单母线接线。如图2所示，每单段母线系统由一台相控式充电装置、一组蓄电池、直流配电盘、放电回路组成。当充电装置故障时，直流母线只能由蓄电池带载，蓄电池设计为2 h供电，容量为3 000 Ah，根据EPR三代核电厂常规岛直流系统研究及优化吴潇伟（苏州热工研究院有限公司系统工程技术中心，江苏 苏州 215004）摘要：EPR三代核电厂机组常规岛直流系统LAW/LAV主要是向交流不间断电源、常规岛配电盘、发变组保护等设备提供动力、控制和保护电源。当前常规岛直流系统LAW/LAV仅有一路充电装置电源，当充电装置发生故障时，完全由蓄电池带载，无其他电源可用。为解决常规岛直流系统LAW/LAV的充电装置故障导致下游重要负荷失电的问题，同时提升常规岛直流系统LAW/LAV的电源冗余性及可靠性，需要为常规岛直流系统新增备用充电装置。鉴于此，介绍了一种增加热备用充电装置的设计方式，可提升EPR三代核电厂常规岛直流系统LAW/LAV的电源可靠性及冗余性。关键词：直流系统；备用充电装置；优化中图分类号：TM645.1文献标志码：A文章编号：1671-0797（2023）18-0016-05DOI：10.19514/32-1628/tm.2023.18.004电气工程与自动化Dianqi Gongcheng yu Zidonghua16LAW/LAV的负荷清单测算，单段带经常连续运行负荷最大电流为178.2 A，蓄电池可使用约16 h，一旦蓄电池容量使用完，若故障仍未消除，直流母线将失电。同时常规岛直流系统的设计方式不完全符合规范DL/T 50442014电力工程直流电源系统设计技术规程 中第3.4.2节要求：“1组蓄电池时，充电装置的配置应符合下列规定：采用相控式充电装置时，宜配置2套充电装置。”因此，现有直流系统存在供电电源单一，可靠性及冗余度不足的问题，需要对现有直流系统进行优化和改进，提高其可靠性。3改进方案按照一般方案进行设计，常规岛直流系统LAW/LAV共计3段母线，则每段直流母线新增一个备用充电装置，设计方案为图1（b）的形式，每段直流母线均有两台充电装置，在一台充电装置故障后，另一台充电装置可马上投入，解决一台充电装置故障可能导致直流母线失电的问题，系统的可靠性及冗余性大大提升，可解决常规岛直流系统LAW/LAV的充电装置故障导致下游重要负荷失电的问题。经过现场尺寸测量及与设备尺寸对比，现场LAW/LAV直流盘所在房间空间狭小，仅能满足安装一台充电装置尺寸要求，其他电气间也无多余空间满足设备安装要求。若要满足安装要求，需要将LAV直流盘对应房间的配电盘布局进行调整，涉及两段直流配电盘及一个UPS配电盘位置调整，施工量包含大量土建和电气施工，且要求的停电周期长达一个月，机组日常期间无窗口实施，大修期间实施将使得大修关键路径延长，影响机组发电时长，经济性较差、施工成本极高，不满足现场的实际要求。其次，将单个系统作为一个整体考虑，LAV两段母线作为整体，LAW一段母线作为一个整体，新增两台备用充电装置，具体接线方式如图3（a）（b）所示，云图部分为新增部分，其中图3（a）新增一台备用充电装置，通过新增加的联络开关连接两单段直流母线，新增备用充电装置为两段母线的备用充电装置，这样也可解决一台充电装置故障可能导致直流母线失电的问题。与一般方案相比，该方案减少了一台充电装置，但因现场空间不足，仍需重新调整配电盘布局，施工量巨大且停电周期较长，不满足现场的实际要求。图1直流系统图2常规岛直流系统接线方式Dianqi Gongcheng yu Zidonghua电气工程与自动化17为了解决一台充电装置故障可能导致直流母线失电的问题，本文提出一个新的技术思路，新增一台备用充电装置作为三段母线的总备用，即“三用一备”的方式，具体如下：由于三段直流配电盘LAW/LAV均在同一层楼，且位于相邻房间，距离极近，可将LAW/LAV视为一个整体，新增一台备用充电装置给三段母线供电，方案如图4所示。云图部分为新增设备，新增一台总备用充电装置，在每段母线上新增一个母线联络开关，用于连接备用充电装置，在一台充电装置故障后，备用充电装置可马上投入，解决一台充电装置故障可能导致直流母线失电的问题。这样既可解决现场空间不足无法安装多台备用充电装置的问题，又降低了成本，提高了系统可靠性。考虑到LAW/LAV直流盘充电装置故障时，蓄电池持续放电将导致母线电压降低，需将备用充电装置马上投入，因此备用充电装置将设置为热备用状态，即备用充电装置持续运行，联络开关保持断开状态。与一般设计的备用充电装置采用冷备用方式相比，热备用缩短了送电时间，提高了系统可靠性。母联互锁设计：母线联络开关之间通过专用钥匙互锁，共用一套钥匙，一次只能闭合一个开关，其他联络开关此时闭锁分闸，可避免当2个或3个联络开关同时合闸时，发生两段直流母线互串报警的问题。运行方式：正常运行模式：新增备用充电装置与三条母线之间的联络开关均断开，备用充电装置将设置为热备用状态。故障模式：在主控或就地巡盘发现原充电装置故障后，只需将故障回路配电盘进线断路器分闸，隔离故障回路，再将对应联络开关解锁后合闸，即可保证配电盘可用性。图3LAW/LAV方案示意图电气工程与自动化Dianqi Gongcheng yu Zidonghua18并机带载运行230.5正常模拟工况电压/V配电盘状态显示备用单机空载运行231.9正常备用单机带载运行230.4正常并机空载运行232.2正常小于 1%纹波小于 1%小于 1%小于 1%加载负荷电流NA平均 150 ANA平均 300 A是否带蓄电池组不带带不带带检修模式与故障模式相似，退出待检修充电装置，投入热备用充电装置。共模故障情况分析：（1）当备用充电装置故障或停运时，LAW/LAV的三段母线失去总备用充电装置，系统可靠性降低至设计前的水平；（2）当原充电装置故障或检修时，备用充电装置投入运行，另外两段母线失去总备用充电装置，系统可靠性降低。在以上两种工况发生时，叠加一个充电装置发生故障的工况，且在蓄电池放电完成前，充电装置未能恢复供电功能，此时导致一段直流母线不可用。对于EPR三代机组常规岛直流系统，它在设计上不直接承担反应堆三大安全功能反应性控制、余热排出、放射性物质包容，也不承担其他的核安全功能。对于其他一般系统，设计只考虑为提高系统可靠性而增加相应的冗余度，不再考虑共模故障，因此新增备用充电装置的方案能达到提高直流系统可靠性及冗余性的目的。4改进效果常规岛直流系统LAW/LAV于2021年完成了两台机组的全部现场优化改造，实施完成后，新增热备用充电装置的各项参数（纹波系数、稳压精度等）均满足标准要求，在试验期间也模拟了充电装置各种运行工况，具体情况如表1所示。由表1可知，在备用充电装置单机空载运行及带载运行时，配电盘均可正常运行及显示电流、电压等参数，各项测试值也均满足要求；备用充电装置和原充电装置并机空载运行及带载运行各项参数也满足现场要求。同时也测试了带蓄电池组的兼容情况，结果表明系统运行良好，达到了设计的预期要求。模拟现有充电装置故障工况，具体如表2所示，在一台充电装置因故障突然断开或停机时，热备用充电装置投入使用，无论是否带蓄电池组，系统运行图4新增备用充电装置方案示意图表1试验工况Dianqi Gongcheng yu Zidonghua电气工程与自动化19（上接第15页）点，文中在进行路线优化时建立了类似多车辆路径问题的数学模型。巡检路线规划是将机房编号进行分组排序，优化结果是一系列离散、有边界、元素不重复的整数。对于这种非连续变量的优化问题，文中对基本粒子群算法进行了适当的改进，并通过海宁地区的机房巡检路线规划实例验证了改进粒子群算法能有效解决优化问题。参考文献1 DANTZIGGB,RAMSERJH.ThetruckdispatchingproblemJ.Management Science,1959,6(1):80-91.2 刘云忠，宣慧玉.车辆路径问题的模型及算法研究综述J.管理工程学报，2005，19（1）：124-130.3 冯洪奎，鲍劲松，金烨.混合粒子群优化算法求解多车辆拖动货物问题J.计算机集成制造系统，2010，16（7）：1427-1436.4 朱晓兰，赵一飞.C-W节约算法在装配企业采购物流中的应用J.上海交通大学学报，2007，41（9）：1420-1424.5 王亚楠，闫军，丁鑫培，等.浅论动态规划在我国物流产业的应用研究J.物流科技，2016，39（6）：31-33.6 卢岑岑，吴跨宇，王晓茹.基于PSO算法的直流有功功率调制参数优化研究J.浙江电力，2016，35（1）：1-5.7 袁建清.求解动态车辆调度问题的混合禁忌搜索算法J.计算机应用与软件，2012，29（4）：148-150.8 温惠英，孙博.基于离散粒子群算法的协同车辆路径问题J.公路交通科技，2011，28（1）：149-153.收稿日期：2023-05-30作者简介：王晓明（1989），男，河南信阳人，硕士，工程师，从事电力通信新技术研究、优化算法分析工作。一台充电装置突然停机，带负载，热备用充电装置投入电压正常，正常输出，无异常电压正常，正常输出，无异常故障模拟工况不带蓄电池组带蓄电池组一台充电装置突然停机，不带负载，热备用充电装置投入电压正常，无异常电压正常，无异常均无异常，达到了设计的预期要求。运行情况：在大修期间，原充电装置和上游配电盘停电检修，热备用充电装置正常投入使用，保障了直流配电盘的供电，这验证了热备用充电装置的可靠性，也为后续原充电装置检修和上游配电盘停电检修时间提供了保障，可不再受直流蓄电池容量制约；机组运行期间，在直流系统充电装置故障后，热备用充电装置即可投入运行，提高了系统可靠性及冗余性。5结束语本文以EPR三代核电厂常规岛直流系统LAW/LAV为例，分析了三代核电厂机组的常规岛直流系统构成以及存在的问题，基于现场实际情况，针对该问题提出以新增一台备用充电装置作为常规岛直流系统总热备用的系统性解决方案。新增备用充电装置降低了因LAW/LAV系统电源故障导致下游重要负荷失电的风险，提升了EPR三代核电厂机组常规岛直流系统LAW/LAV的电源可靠性及冗余性，为提高其他三代机组常规岛直流系统的可靠性及冗余性提供了解决方案及成功范例。参考文献1 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