停機不停堆后的風險分析及其控制措施探討

杜春列，吳雪松

（海南核電有限公司，海南 ?？?570125）

1 滿功率運行時發(fā)生停機不停堆后，反應堆控制系統(tǒng)的控制目標

核電機組由于其特殊性和設計上的原因，一般不參與調(diào)峰。另外，因核電屬于清潔能源，符合我國提倡節(jié)能減排、發(fā)展低碳經(jīng)濟的指導方針，所以除大修期間外，一般處于滿功率運行，此時，一回路產(chǎn)生的功率與二回路功率匹配，同時一回路平均溫度（Tav）=一回路參考溫度（Tref）=310 ℃。當汽輪機停機后[汽輪機跳閘（C8）信號產(chǎn)生]，GCT凝汽器排放系統(tǒng)運行，此時汽輪機進汽壓力為零，不能代表二回路的總負荷。在這種情況下，需要人為設置一個功率數(shù)值（20%Pn），我們稱為最終功率整定值。此時，反應堆控制系統(tǒng)的控制目標將會是什么？停機后，一回路負荷都是一定的嗎（20%Pn）？

圖1 反應堆功率調(diào)節(jié)和最終功率整定值Fig.1 Nuclear power regulation and final power set point

由圖1可以看出，當汽輪機停機，C8信號產(chǎn)生，則繼電器RGL402XR帶電，將停機前汽輪機壓力記憶，同時旁路MS的信號，接通記憶的汽輪機壓力信號與20%Pn的低選值，該低選值（20%Pn）送GCT系統(tǒng)，同時與當前實際的汽輪機壓力（停機后，調(diào)門關閉，汽輪機壓力為零）高選后，送控制棒功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)（還是20%Pn）。經(jīng)參考平均溫度函數(shù)發(fā)生器，變成Tref，此時Tref＝20%/100%×（310-290.8）＋290.8=294.64，而此時一回路平均溫度Tav由于汽輪機停機，二回路負荷減少，而先升溫（如圖2、圖3所示），則Tav大于Tref16 ℃左右，根據(jù)棒速單元曲線，控制棒將以最大速率插棒（即72步/min）。查物理曲線，在C棒未疊步下插時，D棒的平均微分價值為5 pcm/步左右。棒速乘以棒的微分價值則可以估算出控制棒每分鐘引入360 pcm的負反應性，因此對壽期初的核電機組來說（功率虧損大約是1 200 pcm），每分鐘功率下降20%左右；對壽期末的核電機組來說（功率虧損大約是2 400 pcm），每分鐘功率下降15%左右，而15%的功率對應的參考溫度為3 ℃左右。

當一、二回路溫差超過2.8 ℃時，控制棒就會失去控制能力。所以僅僅依靠控制棒下插，是跟不上二回路負荷變化的。此時就需要GCTC旁路系統(tǒng)運行來帶走一回路多余的熱量。為了防止控制棒與GCT-C的功能重疊，GCT-C在溫度模式下設置了3 ℃的死區(qū)，只有當一、二回路溫差超過3 ℃，GCT-C才有開度。為了加快GCT-C的響應速度，還設置了快開方式。一旦GCT排凝汽器閥開啟后，隨著Tav與Tref溫差的減少，GCT-C開度將逐漸減少，當高選冷卻劑溫度Tavg,max與Tref差值低于3 ℃時，這部分開度為零。即當Tavg,max高出Tref在3 ℃以內(nèi)時，由棒控系統(tǒng)來調(diào)節(jié)。而棒控系統(tǒng)調(diào)節(jié)的最終目標是Tavg,max與Tref的偏差在±0.83 ℃。所以反應堆停機不停堆后，反應堆控制系統(tǒng)的最終目標是Tavg,max在294 ℃左右，而不是20%Pn。那么停機不停堆后，核功率是多少呢？

2 滿功率運行時發(fā)生停機不停堆后，影響反應堆功率的因素

由圖1可以看到，GCT-C溫度模式下，反應堆不停堆時的開度信號由兩部分組成：一部分是上面提到的，用來補償控制棒調(diào)節(jié)能力的不足，這部分開度最終為零；另一部分則用來補償實際汽輪機負荷與最終功率整定值的不足部分。對于汽輪機停機來說，這部分開度始終是19%。所以停機不停堆瞬態(tài)過后，GCT-C的最終開度是19%。按照GCT-C系統(tǒng)手冊上的設計基準，這部分對應的負荷大約是19%×0.85=16%，再加上二回路其他的可能用汽量，包括蒸汽轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（STR）、汽輪機軸封系統(tǒng)（CET）、給水除氧器系統(tǒng)（ADG）等，二回路負荷在20%左右，符合最終功率整定值為20%的設計要求。

但是GCT-C固定19%開度這部分的負荷不是固定不變的，取決于凝汽器是否為真空狀態(tài)、蒸汽母管的壓力等，而二回路其他用汽量也有可能變化。所以停機不停堆時，二回路的功率并不是固定的，但通過反應堆自穩(wěn)性的作用，一回路功率能達到與二回路負荷相匹配。所以我們可以肯定的是，如果把每次停機不停堆瞬態(tài)過后與達到穩(wěn)定的數(shù)據(jù)比較的話，Tavg,max一定都在（294.6±0.83）℃，而一回路功率會有偏差。如圖2曲線所示：停機不停堆瞬態(tài)過后，Tavg,max與Tref的偏差在±0.83 ℃內(nèi)，GCT-C開度固定為18.97%，最終功率整定值為20%，而核功率為26%。圖3給出了機組上滿功率運行發(fā)生停機不停堆的曲線。從圖中也可以看出，停機不停堆穩(wěn)定后，平均溫度為294.6℃，核功率為23%。

3 滿功率運行時發(fā)生停機不停堆后，當反應堆核功率超過30%時的停堆風險及應對措施

如果瞬態(tài)過后，由于二回路負荷增加導致核功率超過30%Pn（堆功率大于定值（P16信號）存在），有沒有停堆的風險呢？由圖4可以看到，此時C8信號存在，P16信號存在，能否停堆取決于是否有凝汽器不可用信號或GCT-C不可用信號。

GCT-C不可用信號包括3個子信號：GCT旁通隔離閥未全開、蒸汽排放閉鎖信號及無GCT402XU2信號。我們僅僅討論此時核功率大于P16，但小于50%的情況，所以只考慮GCT-C前兩組排放閥的閉鎖信號，他們包括凝汽器不可用信號（C9非）、冷卻劑平均溫度低于定值（P12）、GCT502CC置于閉鎖位置、無汽輪機甩負荷15%FP/2S（C7A）信號。

停機不停堆瞬態(tài)后，Tavg,max在294 ℃左右，所以P12不存在；GCT502CC滿功率時在“正?！蔽恢茫磺懊鍳CT-C能夠開啟，說明C7A存在，如果操縱員不復位的話，則C7A信號仍在。所以這時蒸汽排放閉鎖信號只有凝汽器不可用信號（C9非）。所以概括起來，由于二回路負荷增加，導致一回路功率超過P16時，只有當凝汽器不可用或GCT旁通隔離閥未全開或GCT402XU2存在時才會導致停堆。

我們主要研究GCT402XU2信號，即圖1中的信號2，它由兩部分信號相加得來。加法器右邊的信號，即Tavg,max與Tref的偏差信號，前面我們已經(jīng)討論出其偏差在±0.83 ℃內(nèi)；加法器左邊的信號為2.78 ℃，兩個信號相加，在1.95～3.61 ℃之間，而GCT402XU2的閾值為1.75 ℃，如果在一、二回路功率平衡的情況下，即加法器的輸出信號大于閾值，則GCT402XU2是動作的，即GCT402XU2信號是存在的。但我們也要看到，1.95 ℃與1.75 ℃的偏差只有0.2 ℃，如果二回路負荷增加導致一回路過冷，當過冷溫差（Tavg,max－Tref）超過-0.83 ℃，控制棒將提升，如果控制棒的提升不能立即引起溫度回升，就有可能使加法器的輸出小于閾值，GCT402XU2不動作，從而導致停堆。

所以，停機不停堆后，如果二回路其他用汽量超過設計值，導致二回路總負荷超過30%，是有停堆風險的。那我們可不可以避免二回路負荷超過30%呢？前面已經(jīng)討論過，在停機不停堆后，二回路負荷由兩部分組成，二回路其他用汽量（STR、ADG、CET等）和排到GCT-C的用汽量。如果有目的地減少排到GCT-C的用汽量，就會控制二回路負荷，使其不超過30%。

但在GCT-C溫度模式下，在停機不停堆瞬態(tài)過后到汽輪機重新掛閘前，GCT-C的開度是固定的，除非Tavg,max低于Tref3 ℃以上GCT-C開度才減少。Tavg,max低于Tref3 ℃以內(nèi)都要靠提升控制棒，從而提升一回路功率來匹配二回路功率變化。因此在溫度模式下，想通過有目的地減少GCT-C閥門開度來減少二回路負荷是辦不到的。停機不停堆瞬態(tài)過后，操縱員可不可以將GCT-C由溫度模式切到壓力模式呢？經(jīng)過分析后我們認為是可以的。當二回路負荷增加，勢必會導致蒸汽壓力母管下降，在壓力模式下GCT-C開度會自動減少。另外，從水蒸氣P-T圖上也可以看出低負荷時，壓力的變化比溫度的變化更明顯，所以壓力模式下對負荷的變化響應更快。所以認為，在停機不停堆瞬態(tài)過后（溫度已在294 ℃左右），如果一回路功率有緩慢增長的趨勢，且接近30%，可以考慮將GCT-C由溫度模式切到壓力模式。

那么如何將GCT-C由溫度模式切到壓力模式呢？切換時要注意什么問題呢？由圖1可以看到，一旦GCT-C切到壓力模式，則RGL402XR失電，旁路低選值的信號，將MS信號接入，最終功率整定值變?yōu)榱?，對應的參考平均溫度將變?yōu)?90.8 ℃，此時Tavg,max還是294 ℃左右，溫差為3 ℃左右，控制棒將以最大速率自動下插，一回路過冷，平均溫度下降，二回路對應的飽和溫度也下降，蒸汽壓力也隨之下降，在壓力模式下GCT-C自動關小，從而給機組造成很大瞬態(tài)。所以應該先將控制棒置手動，然后在“L”位置調(diào)節(jié)GCT401RC整定值，使GCT401RC的輸出接近19%（大約4個小格），在GCT515LA燈亮的允許下，將GCT-C由溫度模式切到壓力模式。注意此時控制棒在手動模式，控制棒控制的是一回路的功率，溫度由GCT-C來控制。此時GCT402XU2的輸入信號僅僅是Tavg,max與290.8 ℃的差，所以操縱員應該清楚，如果Tavg,max與290.8 ℃的差小于1.75 ℃，則核功率超過30%，反應堆必停堆。按照正常操作，操縱員應該把一回路功率控制在14%左右同時保持一、二回路平衡，即可滿足汽輪機重新沖轉(zhuǎn)要求。

如果發(fā)生凝汽器不可用（凝汽器真空變差或噴淋水壓力低），則蒸汽再往凝汽器排放對設備是不利的。所以也需要操縱員迅速降低一回路的功率，從而用汽輪機旁排系統(tǒng)往大氣系統(tǒng)（GCT-A）排放。為了保證一、二回路平衡，需要降低二回路負荷。如前面所述，GCT-C在溫度模式下開度是固定不變的，不能實現(xiàn)降負荷操作，因此也需要將GCT-C由溫度模式切到壓力模式。

如果發(fā)生GCT旁通隔離閥未全開，很可能是限位發(fā)生問題，這種情況一旦發(fā)生，同時核功率超過30%且停機，則反應堆會立即停堆。

[1] 王志，等編. GCT系統(tǒng)手冊[R]. 北京：核工業(yè)第二研究設計院，1996.

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