Применение приводов локализованных насосов теплоносителя реактора (ГЦН) на АЭС третьего поколения AP1000

1. Введение

Привод насоса охлаждающей жидкости реактора (RCP) — это критически важное электрооборудование с единственной точкой отказа на атомной электростанции AP1000 третьего поколения. Он обеспечивает такие функции, как преобразование частоты и напряжения для RCP, а также ограничивает пусковой ток RCP, выступая в качестве единственного источника питания для RCP. Неожиданный отказ любого привода ГЦН вызовет сигнал отключения реактора по низкому расходу в течение 1,1 секунды, что приведет к незапланированному останову реактора.

Рис. 1. Четыре привода RCP на устройство

Рис. 2. Однолинейная схема исходного источника питания RCP 60 Гц.

Энергоблоки 1 и 2 Шаньдунской атомной электростанции являются одними из первых в мире ядерных энергоблоков AP1000 третьего поколения, а также служат ключевым проектом Китая по собственной разработке ядерно-энергетических технологий третьего поколения. С момента ввода в промышленную эксплуатацию первого энергоблока в 2018 году произошло несколько внеплановых остановов из-за отказов импортных приводов ГЦН. Эти инциденты создали угрозу безопасности атомных энергоблоков и привели к прямым экономическим потерям в размере около 12 миллионов юаней на энергоблок в день, что в общей сложности составило более 100 миллионов юаней. Поэтому решение «узкого места» ГЦН-приводов для дальнейшего повышения надежности оборудования и обеспечения безопасности эксплуатации атомной энергетики является чрезвычайно актуальным.

2. Обзор системного решения

В 2022 году Shandong Nuclear Power Company Ltd. (SDNP), Шанхайский научно-исследовательский и проектный институт ядерной техники (SNERDI) и Shanghai Nancal Electric Co., Ltd. начали сотрудничество и в 2023 году успешно разработали привод RCP для атомной электростанции AP1000 третьего поколения.

Оригинальная конструкция системы электропитания AP1000 RCP показана ниже:

Рис. 3. Исходная система: один диск-один, без горячего резерва

На основе схемы электропитания ГЦН типа реактора АП1000 первоначальная система электроснабжения ГЦН (четыре рабочих привода) была модернизирована за счет добавления одного привода ЭВ-71 в качестве общего источника горячего резерва. Однолинейная схема модернизированной системы выглядит следующим образом:

Рисунок 4. Топология системы «4 рабочих и 1 резервный».

В случае выхода из строя любого RCP-диска можно быстро подключить общий «горячий» резервный диск (активация резервного диска). Отремонтированный диск можно вернуть в работу с помощью технологии Failback (резервный диск восстанавливается в состояние горячего резерва). Кроме того, в экстремальных ситуациях, когда восстановление после сбоя не удается, резервный диск можно повторно активировать. Это значительно повышает эксплуатационную надежность приводов RCP и гибкость переключения приводов RCP в режиме ожидания, что еще больше повышает эксплуатационную надежность и экономическую эффективность атомных энергоблоков AP1000.

3. Базовая конфигурация привода RCP

4. Все оборудование привода RCP.

Рис. 5. Все оборудование привода RCP.

4.1 Распределительный шкаф низкого напряжения и шкаф предварительной зарядки среднего напряжения

Распределительный шкаф низкого напряжения объединяет несколько источников питания вентиляторов 380 В и источников питания управления 220 В. После автоматического переключения эти источники питания распределяются по различным функциональным разделам RCP Drive.

Схема предварительной зарядки использует схему предварительной зарядки среднего напряжения, состоящую из резистора предварительной зарядки и обходного выключателя предварительной зарядки, соединенных параллельно. Перед подачей среднего напряжения на привод конденсаторы постоянного тока силовых ячеек предварительно заряжаются через резистор предварительной зарядки. Это эффективно снижает пусковой ток в момент замыкания выключателя среднего напряжения, сводя к минимуму воздействие на сеть среднего напряжения.

4.2 Трансформаторный шкаф и воздушно-водяное охлаждение

В трансформаторном шкафу размещен фазосдвигающий выпрямительный трансформатор сухого типа номинальной мощностью 12 000 кВА. Первичная сторона получает входное напряжение 10,5 кВ, а вторичная сторона обеспечивает девять наборов выходных сигналов 1650 В, обеспечивая питание девяти силовых элементов.

Для фундаментального решения потенциальных проблем с утечкой воды используется метод воздушно-водяного охлаждения. Тепло, выделяемое сухим трансформатором, рассеивается через внешнюю охлаждающую воду. Вентиляторы охлаждения, расположенные в верхней части шкафа, имеют резервную конструкцию и могут быть заменены онлайн.

4.3 Шкаф силовых ячеек

Шкаф силового элемента является основным компонентом привода. Каждая фаза привода состоит из трех последовательно соединенных силовых ячеек, всего девять силовых ячеек на три фазы. Каждый силовой элемент представляет собой трехфазный входной и однофазный выходной инвертор напряжения переменного-постоянного-переменного тока. Три силовых элемента на фазу создают 7-уровневое выходное напряжение. В экстремальных условиях привод по-прежнему может обеспечивать выходную мощность при полной нагрузке даже при отключении двух силовых элементов.

4.4 Шкаф управления

Шкаф управления содержит главную плату управления, ПЛК, человеко-машинный интерфейс (HMI) и т. д. Основная плата управления, оптоволокно, а также устройства измерения входного/выходного тока и напряжения имеют резервированную конструкцию с типичным временем переключения <1 мс.

4.5 Шкаф водяного охлаждения

Охлаждающая жидкость с постоянным давлением и расходом непрерывно циркулирует через теплообменник, отводя тепло от контура силового элемента привода RCP. Резервированная конструкция применяется к охлаждающим насосам, ионообменному сосуду, пластинчатому теплообменнику, баллону с азотом и основным приборам.

5. Основные этапы локализации привода RCP

Чтобы повысить надежность электроснабжения RCP для атомной электростанции AP1000, компания Nancal Electric помогла Shandong Nuclear Power во внедрении поэтапной «трехфазной» стратегии локализации RCP Drive, предоставив воспроизводимое и масштабируемое «Shandong Nuclear Solution» для аналогичной станции в Китае.

С октября по ноябрь 2023 года на энергоблоках 1 и 2 завершилась модернизация «4 рабочих и 1 резервный», добавив по одному резервному локализованному приводу RCP на каждый блок.

В сентябре 2024 года на энергоблоке №2 выполнена первая локализованная замена привода ГЦН. Практическое применение полностью подтвердило целесообразность и правильность данного технического маршрута.

В октябре 2025 года завершилась замена оставшихся трёх приводов ГЦН на энергоблоке 2 на локализованные версии. Все испытания при полной нагрузке прошли успешно с первой попытки, что сделало это первым в Китае заводом AP1000, работающим при полной нагрузке и полностью полагающимся на локализованные приводы RCP.

Замена оставшихся четырех приводов ГЦН на энергоблоке №1 запланирована на первую половину 2026 года.

6. Ключевые технические показатели переключения основного/резервного привода

6.1 Кодирование оборудования

6.2 Сценарий первый: переключение с неисправного основного диска на резервный.

Главные приводы EV-31/41/51/61 управляют RCP в номинальной рабочей точке, в то время как резервный привод EV-71 находится в состоянии горячего резерва. Имитируя отказ главного привода, выходной переключатель вышедшего из строя главного привода размыкается. После того, как выходной переключатель полностью разомкнут, выходной переключатель резервного привода EV-71 замыкается. При замыкании EV-71 сначала выполняет отслеживание с фазовой синхронизацией на основе измеренного остаточного магнитного напряжения двигателя. Как только отслеживание фазовой автоподстройки частоты станет эффективным, он может напрямую выводить крутящий момент для работы. Общее время от отказа до прекращения падения скорости не превышает 400 мс.

Рисунок 6. Переключение с неисправного основного диска на резервный.

6.3 Сценарий второй: восстановление резервного диска на отремонтированный основной диск

После ремонта неисправного основного диска можно выполнить онлайн-восстановление с резервного диска на основной без необходимости выключения устройства. Время восстановления после отказа составляет ≤30 мс.

Рисунок 7. Восстановление резервного диска на основной диск.

7. Награды и признания

2024: добавлен в список первого крупного технического оборудования в энергетическом секторе Национальной энергетической администрации.

2025: Награжден второй премией за достижения в области науки и технологий Китайской ассоциацией ядерной энергии (CNEA).

8. Заключение

В системе электропитания RCP Drive атомной электростанции AP1000 используется решение «4 режима и 1 режим ожидания». В случае отказа любого диска RCP диск горячего резервирования может автоматически взять на себя управление в течение 360–700 мс, что значительно повышает надежность источника питания RCP. Отремонтированный диск RCP можно вернуть в работу в течение 30 мс с помощью технологии восстановления после отказа, возвращающей резервный диск в состояние горячего резерва.

Основная система управления RCP Drive имеет резервированную конструкцию. Типичное время переключения между основной и резервной системами управления составляет менее 1 мс, а замена компонентов возможна в режиме онлайн. Эта технология является ведущей в мире и обеспечивает долгосрочную, непрерывную и стабильную работу устройства и значительно повышает внутреннюю надежность привода RCP.

Инженерная практика локализационной модернизации первой очереди Шаньдунской атомной электростанции полностью подтвердила осуществимость и правильность этого технического маршрута. Его можно продвигать и применять в системах электропитания RCP блоков AP1000/CAP1000.