浅析电网低频故障对核电机组运行安全的影响

浅析电网低频故障对核电机组运行安全的影响

陈俊

福建福清核电有限公司 福建 福清  350300

摘要：随着信息技术的进步，我国核电正在迅速发展，其在全国发电量中占据着重要的地位。然而，与传统火力发电相比，核电外组对外部供电系统的变化极为灵敏，一旦外界设备的电压频率发生剧烈变化，就会导致核电机组跳闸、紧急停堆，以至可以危及堆芯安全运行。随着发电机组有功功率缺额的不断增加，发电机组崩溃的可能性也越来越大，对供电系统的影响也越来越严重。基于此，就需要加强核电机组和电网相互影响的探究力度。

关键词：电网低频；故障；核电机组

前言

当前，外部国家电网出现故障对核电机组的状态产生直接负面影响，因此，基于实际情况，建立一个有效的核电机组仿真模型，以深入探究国家电网和核电机组之间的相互作用，具有重要的意义。由于采取机组保护，当电网发生频率下降，流速较慢时，堆芯热工参数会受到极大的危害。不过，基于机组运行安全保护措施的落实之下，不会对机组运行安全造成不良的影响。

1、压水堆整体模型开发

在本文中，我们使用模型法构造了压水堆设备模型。在建模过程中，我们保持仿真目标的基本性能不变，并结合相关假设条件予以降价处理。比如，我们把核反应堆的核心简化成了一个小的核反应堆，并且使蒸发器的水平面保持在一个恒定的水平。在此基础上，将仿真目标调整为一、二阶，并进行了线性的附加处理。在模型的建立方法上，选取了反馈参量，建立了一回路系统模型，二回路系统模型，并对关键的反应器进行了实验研究。为了解决这一问题，我们进行了模拟运行，将电网作用负面影响较小的子系统，如稳压器体系和给水系，缩小为堆新热力系统模式，并将其运行原理表示为:能源通过热管段传导到制冷剂，制冷剂再经过蒸气发电机，从而实现制冷剂的有效利用。通过蒸汽发生器一回路的热力，二次形成饱和蒸汽可以带动汽轮机运行，由此，产生电能，并将其传输至国家电网及国产设备，为反应堆功率控制器提供动力，达到蒸汽机组负荷与输出功率相互平衡。另外，还可以利用蒸气旁路排出系统来调节透平负荷与核子函数的匹配，以减少剩余蒸气的排放量。

1.1中子动力学建模

中子动力学模型的目的是为了研究随着时间的推移，中子流量密度对核能量的影响。并将电堆模型的传递函数输入，以探究控制棒导致化学反应性的改变以及反应堆慢化剂温度影响导致的反射性改变。

1.2堆芯热力系统建模

在建模过程中，我们会根据总参量来处理整个堆芯，并且根据堆芯材料有效地处理能源组件的密度和比热。这样做的目的是考虑到核电机组在运行过程中的平稳性，并且参数变化范围非常小。最新的热力模块系统可以根据投入和功率变化或冷却剂质量流量改变来测量燃油水温和制冷机水温的改变。

1.3蒸汽发生器建模

在建模蒸汽发生器时，我们将传递过程作为一个整体来处理，并将二次测量的水流量和焓值作为独立变量来考虑。

1.4蒸汽旁路排放系统建模

在正常功率过程中，蒸汽旁路控制系统通常采取平均温度调节模型，因此，我们可以根据这一模型来构建旁路系统模型，以确保控制系统的稳定性和可靠性。

1.5反应堆功率控制系统建模

在此基础上，通过对核动力与蒸汽动力的联合追踪，实现了对核动力与蒸汽动力的同步监控，实现了对核动力与蒸汽动力的有效控制。在这种模式下，功率控制系统由冷却剂、平均温度控制器和功率调节器组成，以确保系统的有效运行。

1.6验证整体模型的有效性

为更好地验证整体模型的有效性，本文采用系统仿真程序对核电厂运行工况进行比较，包括稳态和瞬态典型运行工况，并且建立一个等值模型，以精确模拟电网和技术之间的相互影响，从而满足核电机组建模的要求。

2、电网低频故障对核电机组运行安全影响仿真分析

鉴于核电机组在真实运转时不会参加国家电网的每次调频，因此我们将采用模拟技术来模拟电网频段降至47Hz时，发电机组的调频能力将被关掉，以确保发电机组在解列后不受外界电网事故的威胁。

2.1主泵转速与冷却剂流量影响

在降频情况下主泵速度和制冷剂流速随持续时间的变化情况，可以看出，制冷剂流速与主泵速度对电网效率的变化有着相似的反应趋势。另外，在各种降频速度下，当发电机组效率降至发电机保护工作门槛47 Hz时，主泵速度降至速走过低门槛1397 r/min所需的持续时间与发电机组效率降至47 Hz时的关系曲线，可以更好地说明降频情况下的变化特征。经过仿真研究发现，当电网频段降至47Hz时，如果出现了低频故障，将会使机组在低频工况下运行时间变长，同时还会使主水泵转速明显降低，这将极大地增大堆芯过热风险。所以，对于这种类型的故障，在进一步分析其对反应堆及机组运行的影响时，应予以重视。

2.2冷却剂平均温度变化

在0.1Hz/s的降频速度下，电网出现-三Hz降频情况时，制冷剂平均工作温度和冷热管段温差δT的变化情况。从图中可以看出，当出现低频故障约四十秒时，δT达到最大值，随后略有下降，最终达到0.24℃。随着电网频率的降低，堆芯输出高温的能力也会随之降低，在发生低频故障45~65 s秒后，堆芯过热的概率会比较大，但以M310核电机组的Δ t超温防护图为依据，低频故障不会导致核电站应急停堆

[1]。

2.3核功率变化

在0.1Hz/s的降频速度下，电网产生-三Hz降频事故时，核输出功率的变动情况。可以看出随着冷却剂水温的升高，核功率产生负反应性的改变，大约降低了0.65%。在低频故障发生五秒后，核功率变化率达到极大值，约为0.025%/s，但是根据核功率变化率的限制，这种改变不会导致核电站紧急停堆[2]。

3、核电机组涉网安全保护措施

当电网运行期间，由于供电站锁闭事故或大能量发电厂跳闸等因素，导致发电机组有功功率和负载失衡时，各发电机会产生储存的惯性动力，这些动力会导致发电机速度降低，输出功率减少，主动速度也会相应降低。在核电机组运行期间，采取一系列低频涉网保护措施，以确保安全运行。第一，当主泵转速监测系统检测到转速较低时，将会导致蒸汽船机跳闸;第二，当制冷剂流速小于一定值时，也会引发设备跳闸和应急停堆的情况。第三，当冷热管段淬火剂温度超过预设的工作点极限值时，也会导致发电机组跳跃和应急停堆。在仿真模型过程中，应当关掉发电厂组的调频功能，以防止电网频谱下降时，触发高压开关断开，从而保证发电厂组在解列后，不受外部电网故障的影响。研究表明，当电网频率下降时，低频故障的发生速度较慢，这将导致发电机组在低频工作下运转时间延长，主泵速度的下降幅度也会更大，堆芯过热的风险显著增加[3]。

结语:

综上所述，在现有的电力系统安全保障体系中，这种现象并不会对系统的安全稳定产生什么影响。采用分级建模方法建立的核能技术模型，计算量小，精度高，可以作为大型电力系统分析流程的子模板。然而，由于模式建立过程中引入的假设性条件较多，对某些负荷变动较大，因此在未来的工作中需要进一步优化模型中的某些简化和检测条件，以提高工况仿真的精度。

参考文献

[1]张卫军,张恒,胡启龙,王军刚.Arabelle型核电机组典型振动故障分析与处理对策[J].热力发电,2022,51(12):172-178.

[2]程汉.CANDU6核电机组中压断路器在运行中的常见故障及处理方法[J].科技视界,2022(18):45-47.

[3]李艳艳,张天舒.基于深度学习算法的核电机组传感器故障诊断[J].电子技术应用,2021(S1):260-267.