核电厂的备用能源系统,不可小觑!

2021-12-17 15:16  来源:嘿嘿能源heypower    核电设备

核电厂的备用供电系统可以为停堆反应堆中产生的衰变热提供冷却,并维持反应堆、涡轮发电机和辅助设备的各项服务(如系统控制、照明、通信和通风)。


核电厂的备用供电系统可以为停堆反应堆中产生的衰变热提供冷却,并维持反应堆、涡轮发电机和辅助设备的各项服务(如系统控制、照明、通信和通风)。

1、备用系统电力

备用系统所需的电力,将随反应堆规模、效率、设计、乏燃料和废物管理系统的不同而变化。

安全部门和运营商面临的第一个问题是,“在最坏的情况下,核电厂需要多长时间的备用能源供应?”

要想知道答案,就需要进行风险/危害分析,再加上从福岛核事故中获得的经验教训和一点保守的估计。

第二个问题是,如果使用蓄电池储能,则进入储能装置的电流将为交流电,而储能装置放电为直流电,因此还必须确保整流器、逆变器和超高速开关的性能和可靠性。

备用和辅助电源可采用多种形式。如果连接是可操作的,并且可以调用可靠的可调度电源,那么连接到电网显然是直接的选择。

第二种备用燃料通常是使用柴油、轻质燃油或其他合适燃料的发电机,在设计上也存在冗余,包括多个集合和成对集合,有时由距离分隔。

在某些情况下,燃气涡轮机组可以取代往复式柴油机机组,也有用于冷启动柴油发电机和电源控制、安全和通信系统的电池(可通过压缩空气提供冷启动能量)。

2、新电池系统

一个多世纪以来,主要的可充电工业电池都是铅酸型的。它们仍然是柴油电动潜艇的主要储能设备,是唯一可以应用于电动车辆供电和启动应急柴油发电机的现实电池技术。

正在开发的电池系统具有更高的功率密度(每单位质量或体积储存的能量)、更快的充电速度、更高的充电和放电效率(消耗更少的热能)、更低的自放电率、更高的储存寿命、更高的恒定峰值电压放电时间关系、更高的循环耐久性,极低的热失控倾向和低火灾爆炸危险性。

它们可能会取代核电厂容量有限的铅酸电池,并可能取代或补充柴油发电机,以提供短期应急电源,例如在紧急关闭几小时后的供电。

具有旋转机械部件的电源装置,需要几秒钟启动和供电,并且需要外部燃料(质量有保证)。

助燃空气和主动冷却系统不适合作为核电厂的主要备用电源系统。福岛核事故表明,柴油备用发电机可能被洪水淹没。

与柴油发电机相比,新电池技术可能具有优势,应进行试验和量化。如果证明其优越性,则应在现有和未来的核电厂中使用。

3、核电站电池要求

在过去的二十年里,电池技术有了很大的进步。尤其是在笔记本电脑、移动电话等设备,以及最近的电动汽车领域,它们可以在能源效率方面与燃油汽车竞争。

新的电池技术仍在发展中,现在说具体应用的赢家和输家还为时过早,包括核电站等关键基础设施的重型备用电源方面的应用仍在研究中。

核电站的电池应提供:安全的可调度功率输出;极高的充放电循环性能;不受控制的级联放电安全性;零气体放电;内部充放电电阻低;被动冷却;无活动部件(如电解液循环);可接受的能量效率、高能量密度;和可接受的成本。

在一个耗资数十亿美元的核电站上,主要危险降低系统的成本,不应成为其建设、运行或维护的主导因素。

备用电池系统必须坚固耐用。福岛地震和海啸清楚地表明,支持系统、接入、输电线路完整性和通信的重要性。高度依赖于正常通信是一个潜在的重大隐患。

应注意电池、柴油发电机和外部电源,并将其包括在应急计划中,但它们不应是核心。

定期进行安全演习以确定新技术的稳定性,定期的危险评估应包括对备用电源系统的分析,包括各级备用电源的输入(和输出)方式。

4、核电冷却和其他用电系统

当前的备用系统(有限的电池供应,连接回电网和现场柴油发电)提供完全可调度和可变的供应,以满足反应堆和辅助服务的需求。

在某些情况下,柴油往复式发动机可以用燃气涡轮机组代替,但后者具有更长的启动和满功率时间。在快速启动的情况下,它们需要挥发性燃料。

柴油发电机组使用的一些燃料,包括补充柴油和凝析油的天然气;这样的燃料不应该在核电站使用,因为它们的易燃性很高。

燃气轮机只有在其位于外围安全距离之外时,才应在应急发电中发挥作用。

新的核电站可能使用海水冷却。可供选择的冷却方式有空气冷却、淡水冷却和混合冷却(空气冷却由辅助水冷却推动),但在热带、亚热带和许多温带地区,为了达到可接受的冷却效率,需要海水提供高水通量直接冷却。福岛事故后需要新的故障安全冷却系统。

配备同位素生产和研究设施的核装置,也需要不间断电源;这些单位及其部门应与发电厂的备用电源相连。

5、理想的电池特性

电池/备用电源系统的设置,电池可以从电网(通常做法)充电。

用于核电厂备用的电池,必须能够快速提供其设计的应急电源(MW)和能量(MWh)(满功率小于10秒),且在长时间内和发生多个突发事件时,性能不会出现显著偏差。

无论充电前的初始充电水平如何,电池都必须完全可充电——即使在充电前处于零充电状态。新电池需要具有极低或零“死电荷”(即无法访问的电荷)。

在核设施的安全规定中,有关于火灾或加热威胁的规定。一些电池类型具有化学级联的倾向,并且比正常工作加热范围内的温度更高。这些电池可能着火,核设施中的任何火灾都是应报告的事件。

锂离子电池是个例子。建议在IAEA管理的设施中不使用锂离子电池;应包括小型直流控制系统中使用的计算机电池、安全照明和不间断电源(UPS)。

6、电池基础、配置、管理和放置

简化的电池组。

电池单元具有指示电压和最大存储能量,以及充电和放电模式。在充电和放电过程中,它们需要散热,并且它们布置在可被动冷却的组中。

在某些情况下,电池组采用液压密封,并能在可能发生洪水的地方浸没。

例如,尺寸为3V的电池,将在电池模块中进行电气连接,电池模块的电压或能量传输符合要求。

电池应完全模块化,能够单独分析和选择性更换,并布置在允许被动冷却的电池组中。

当电池组相互连接时,可将其视为单个电池。电池组监测系统需要在使用期间提供容量和性能保证。

核电站蓄电池储能的直流电网。

核电站的发电和调度为高压交流;电池是直流的。如果使用电池作为备用电源,则需要转换技术。

在直流和交流之间进行转换的现代技术,使用了非常可靠的大规模固态电子设备。但直流系统的可操作性——电池、逆变器、网状布线、开关和监控系统——必须定期进行测试和记录。

柴油机的设计保证了从起动到满载的能力≤10秒;具有适当开关的电池可以在纳秒内完成同样的工作,因此对于“不间断”电源而言,电池优于发电机。

7、各项挑战

电源备份级别,电网、接近环路、扩展环路、环路电池/EDG损耗。

两者都面临挑战。对于发电机组:

燃料质量(包括污染)和使用年限。这对柴油厂来说是一个重大挑战,“旧燃料”应回收给供应商或用于测试。

启动时间。如上所述,燃气轮机可以比柴油发电机组启动更快,但其挥发性燃料不应储存或使用在靠近核装置的地方。

值得注意的是,核电站既有物理边界,也有“推断”边界。物理描述区域包括反应堆、发电厂、燃料储存、服务、现场管理以及后勤和安全。这一领域属于核安全条约、立法和条例的范畴。

但是,如果备用应急电源在物理外围之外,它们间的连接仍然是物理外围不可分割的一部分;就这些条约、立法和法规而言,它们是“推断电厂”。

燃料供应。如果应急柴油发电机的效率为38%,并且使用柴油为一个核机组供电,那么柴油需求量将在0.425升/秒左右,因此超过48小时的柴油需求量将为172000升。

柴油机组包括化学、机械和电气系统。运动部件也容易出现磨损、故障和控制系统问题。美国核标准表明,故障率必须低于初始的1%。

抗压性。在福岛,柴油发电机首先要能够应对垂直和水平方向的被动位移,以及冲击波,然后是海水淹没问题。

就电池而言,挑战在于:

联系。电池需要电网连接来充电,可能需要6.6kV网络,而不是现有的230/240kV连接。

热。如上所述,需要大型固定密封电池组,该电池组能够以被动方式散热,并且能够经受震动和淹没状态。电池被动冷却,即使以牺牲充电所需时间的冷却效率为代价,也可能成为电池选择的主要因素。

在某些情况下,电池模块之间存在空间,可能包含空气、轻微压缩的氮气或氦气或用于散热的导电液体。

散热将通过电池组外壳内部的对流以及外部的热对流和低温辐射来完成。

水——安全。如果电池易于被浸没,则要求密封电池在干燥和浸没时具有足够的散热。

充电和再充电。整流器和逆变器等固态部件也必须能够在突发事件中保持正常性能。

保持测试和维护保养的频率和深度,通过放电演习确保每个电池组(电池组件)充分运行并准备好满足紧急需要。

请注意,电动车辆蓄电池可能不适用,因为它们需要最大的能量密度和比功率,以提供车辆可接受的范围和加速度。能量密度和比功率对于支持核电站的大型固定电池来说并不那么重要。

8、补充技术

电池和发电机并不是相互排斥的。在1300MWe核电厂中,覆盖最初四小时停电的电池需求为20MWh(占南澳大利亚特斯拉电池阵列的15%)。

但在电池首次供电后,柴油可以切入,承担反应堆的负荷,开始电池充电。

大型固定式工业电池的发展,可能为核电行业提供一种新的备用电源,其方式比福岛核灾难期间柴油发电机更彻底、更安全。

新的和翻新的备用系统中,应加入柴油电池充电,从容量过剩的柴油机进行电池充电应该是一个内置选项,这将有助于遵循需求和供应模式,并为意外的二次中断提供电力。

根据总备份的配置方式,将部分备份置于外围之外可能会降低危险级别。周界内有足够的能力来管理衰变热,这对于减少危害措施很重要;如果这种容量是以备用电池的形式存在的,可以在纳秒内提供,并持续几个小时,效果将更加明显。

总之:如果新的电池技术能够提供额外的电力安全性,我们应该将柴油发电机组从备用1级转移到备用2级。



图为技术

深圳核博会

中国核电网


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