百萬千瓦級核電機組和火電機組的主蒸汽超壓保護裝置比較

柏冰，舒茂龍，盧艷東，王淑紅，余長軍，田洪志

(1．國核工程有限公司，上海 200233;2．國華寧海電廠，浙江 寧波 315612;3．中機國能電力工程有限公司，上海 200061;4．安徽電氣工程職業(yè)技術(shù)學院，安徽 合肥 230051)

0 引言

近年來，隨著經(jīng)濟技術(shù)的發(fā)展和電網(wǎng)容量的不斷擴大，國內(nèi)核電機組和具有高參數(shù)大容量火力發(fā)電機組得到迅猛發(fā)展，AP 1000核電機組和百萬超超臨界火電機組成為其中的典型代表。而主蒸汽保護系統(tǒng)是任何機組在非正常工況下保證機組安全的關(guān)鍵設(shè)施，它的安全可靠與否直接關(guān)系著機組運行的安全可靠性。

AP 1000核電機組是由美國西屋電氣公司設(shè)計的第3代壓水堆核電機組，安全性能好，設(shè)計壽命為60年，發(fā)電功率為1 250MW［1］。目前，正在我國浙江三門和山東海陽分別建設(shè)2臺機組，其中三門#1機組作為第1臺AP 1000核電機組，預(yù)計2013年發(fā)電。

關(guān)于1000MW火電機組，當今美國、日本及歐洲諸國基本采用超超臨界技術(shù)，由于地域和技術(shù)流派的差異，在主蒸汽保護系統(tǒng)上有不同的技術(shù)特點。美國和日本基本采用在鍋爐過熱器出口安裝過熱安全閥的方式;而歐洲諸國在百萬千瓦級機組上采用100%高壓旁路配置取代過熱器安全閥功能。在國外技術(shù)的不斷引進吸收下，現(xiàn)在我國已經(jīng)形成了完整的超超臨界火電機組研發(fā)、設(shè)計、制造和運行基礎(chǔ)，初步掌握了超超臨界發(fā)電技術(shù)，達到了國際先進水 平［2－3］。 本 文 以 浙 江 國 華 寧 海 電 廠 二 期1000MW超超臨界發(fā)電機組為實例，與AP 1000核電機組在主蒸汽的超壓保護方面做出比較分析。

1 AP 1000核電機組主蒸汽系統(tǒng)超壓保護裝置簡介

AP 1000核電機組為單堆布置兩環(huán)路機組，核島內(nèi)的壓力容器、蒸汽發(fā)生器、反應(yīng)堆冷卻劑泵和冷卻劑管道構(gòu)成2個一回路(反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng))，將反應(yīng)堆產(chǎn)生的熱量通過蒸汽發(fā)生器傳遞到二回路(主蒸汽系統(tǒng))［4］。主蒸汽系統(tǒng)有2條管線，每條管線的安全保護裝置主要有:主蒸汽安全閥、大氣釋放閥、主蒸汽隔離閥及其旁通閥和汽輪機旁路排放系統(tǒng)等，如圖1所示。

機組在運行期間，主蒸汽系統(tǒng)能夠承受±10%階躍負荷擾動以及每分鐘±5%線性負荷變化，而不必投用汽輪機旁路系統(tǒng)或主蒸汽安全閥。當機組從滿功率階躍下降10%～50%或汽輪機在低于50%滿功率停機時，汽輪機旁路排放系統(tǒng)與核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)的控制系統(tǒng)一起運行，以保證系統(tǒng)排出熱量和機組安全。當機組發(fā)生50%～100%滿功率甩負荷時，汽輪機旁路排放系統(tǒng)、核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)的控制系統(tǒng)和快速功率下降系統(tǒng)一起運行。當汽輪機旁路排放系統(tǒng)不可用時，主蒸汽系統(tǒng)通過大氣釋放閥和主蒸汽安全閥向大氣排汽，進行卸壓和調(diào)節(jié)。

在發(fā)生必須停堆事件時，主蒸汽隔離閥及其旁路閥關(guān)閉，主蒸汽管線上相關(guān)的其余閥門關(guān)閉，大氣釋放閥打開，向大氣排放蒸汽，將反應(yīng)堆衰變熱移出，直到堆芯冷卻到正常余熱排出系統(tǒng)能夠正常工作的狀態(tài)。當大氣釋放閥開啟后仍然無法滿足系統(tǒng)泄壓時，安全閥將順序動作提供超壓保護。在機組冷停堆時，大氣釋放閥由蒸汽管道壓力自動控制，操縱員從主控室或遠程停堆工作站手動調(diào)節(jié)壓力整定值，以階梯方式手動調(diào)低壓力整定點，以獲得最大停堆速率。

圖1 AP 1000核電機組主蒸汽系統(tǒng)圖

汽輪機旁路排放系統(tǒng)位于汽輪機廠房內(nèi)，屬于非安全級設(shè)備，不執(zhí)行安全相關(guān)的功能。它在機組啟動、階躍減負荷、甩負荷或停堆時，將主蒸汽以可控的方式旁通汽輪機，輸送到凝汽器中，汽輪機旁路排放系統(tǒng)能夠把滿負荷時主蒸汽流量的40%旁通到主凝汽器。

主蒸汽安全閥和大氣釋放閥位于安全殼外的輔助廠房內(nèi)，安全閥的安全等級為二級，大氣釋放閥為3級，它們的抗震等級均為抗震Ⅰ類。在每根主蒸汽管線上，設(shè)置了1臺大氣釋放閥和6臺安全閥。6臺安全閥的整定壓力值各不相同，排氣量隨著整定壓力值的增加而增大，避免了系統(tǒng)蒸汽壓力過大波動、造成反應(yīng)堆功率較大瞬態(tài)(見表1)。每條主蒸汽管線的安全閥排汽總量為3783 t/h，能夠滿足在任何情況下蒸汽壓力不超過系統(tǒng)110%設(shè)計壓力的要求［5］。

2 寧海電廠1000MW火電機組主蒸汽系統(tǒng)的超壓保護裝置

浙江國華寧海電廠二期2臺1 000MW超超臨界發(fā)電機組2009年投產(chǎn)，目前機組運行總體良好。寧海二期百萬千瓦級機組采用由上海鍋爐廠引進的法國Alstom公司的超超臨界塔式鍋爐。在鍋爐3級過熱器上設(shè)計了2個出口集箱，每個集箱兩端引出2條過熱蒸汽出口管線，總計有4條過熱蒸汽管線。為消除熱偏差，每個集箱的出口管線與另外一個集箱的出口管線兩兩合并，形成2根主蒸汽管線去汽輪機高壓缸。在過熱器集箱出口位置、沒有并線的4根過熱蒸汽管線上，各設(shè)計了1條高壓旁路管線去再熱器進口聯(lián)箱，每條旁路設(shè)置1個再熱器安全閥，如圖2所示。

在正常運行時，高壓旁路閥全關(guān)，處于滑壓溢流跟蹤模式。當汽輪機機前壓力超過設(shè)定值時，高壓旁路閥將自動開啟進行溢流，以限制主蒸汽壓力的進一步增大，提高汽輪機運行的安全性。當機組異常(例如汽機突然跳閘導致主蒸汽超壓)時，主蒸汽壓力開關(guān)任一動作(大于29．3MPa)可使高壓旁路閥安全快開，高溫高壓蒸汽快速進入再熱器進行泄壓，同時配有高壓旁路減溫水進行減溫。當機組因真空故障導致低壓旁路閉鎖時，再熱蒸汽壓力超過額定值(大于7．5MPa)，二級再熱器出口集箱的再熱器安全閥安全快開，迅速排出工質(zhì)，起到超壓保護作用。

表1 AP 1000核電機組的主蒸汽安全閥和大氣釋放閥設(shè)計參數(shù)

圖2 1000MW火電機組主、再熱蒸汽系統(tǒng)圖

整個高壓旁路系統(tǒng)的主要設(shè)備包括高壓旁路控制閥、高壓旁路噴水控制閥、高壓旁路噴水隔離閥。旁路系統(tǒng)動力采用NBF400/630型液壓控制，專配動力供油站，具有油溫自動控制裝置、在線自動凈化過濾裝置及沖洗裝置。在電源故障的情況下，油站蓄能器所儲能量能提供足夠的液壓動力，使旁路系統(tǒng)所有閥門完成1～2次全行程的開或關(guān)。

旁路系統(tǒng)的控制策略在西門子SPPA T3000冗余控制器中組態(tài)運行，實現(xiàn)旁路系統(tǒng)的監(jiān)視和控制功能。旁路供油系統(tǒng)(油站)的控制設(shè)備(包括控制柜和就地控制箱)采用分散控制系統(tǒng)(DCS)。

整個高壓旁路系統(tǒng)采用100%容量配置，由于高壓旁路已具有100%容量的快速卸壓功能，因此，過熱器出口不需裝設(shè)任何鍋爐過熱器安全閥，但需同步配置100%容量再熱器安全閥。高壓旁路閥為液壓傳動，其快速開啟時間為1～3 s，能實現(xiàn)快速自動跟蹤超壓保護。在保證主蒸汽超壓保護的同時，通過調(diào)節(jié)控制汽壓可適應(yīng)機組不同工況的滑參數(shù)啟、停和運行，事故排除后機組即可重新帶負荷，既減少了鍋爐啟、停次數(shù)，又減輕了對汽輪機的熱沖擊，縮短恢復(fù)帶負荷時間，可滿足各種啟動工況的要求。

3 2種主蒸汽系統(tǒng)及其保護裝置的比較

AP 1000核電機組與1000MW超超臨界火電機組作為百萬千瓦級發(fā)電機組，它們的主蒸汽系統(tǒng)有相似之處，但更多存在有差異的地方。AP 1000核電機組的蒸汽流量大，但工質(zhì)物理熱力參數(shù)相比較低，而1000MW超超臨界火電機組的蒸汽參數(shù)很高(見表2)。AP 1000核電機組的主蒸汽是從蒸汽發(fā)生器出來的飽和蒸汽，沒有過熱階段，蒸汽在高壓缸做功后，到汽水分離再熱器后進行再熱，最后至低壓缸做功，熱效率為36．6%。而1000MW火電機組熱效率可達45%以上，熱力系統(tǒng)為典型的熱力朗肯再熱循環(huán)。蒸汽系統(tǒng)的差異直接影響主蒸汽系統(tǒng)保護功能實現(xiàn)的不同。

表2 AP 1000核電機組與1000MW火電機組的蒸汽參數(shù)比較

3．1 主蒸汽保護裝置的系統(tǒng)配置差異

AP 1000核電機組主蒸汽系統(tǒng)的超壓保護設(shè)備主要有汽輪機旁路排放系統(tǒng)、大氣釋放閥、安全閥等，這種設(shè)計便于保證機組安全運行和停堆操作。由于核電機組蒸汽流量大，對安全閥門的通流能力要求很高，采用多路多組閥門，對各種工況的安全控制條件手段增強。

1 000MW火電機組采用了“100%高壓旁路+100%再熱器安全閥”的配置方法，這種高壓旁路設(shè)計，可取代過熱器安全門，不僅消除了高壓安全門啟動時產(chǎn)生的高強度噪音，而且能最大限度地回收工質(zhì)。

3．2 保護裝置的性能要求差異

AP 1000核電機組的主蒸汽安全閥和大氣釋放閥作為核安全級設(shè)備，在安全停堆地震載荷下，不僅能夠保持設(shè)備的結(jié)構(gòu)完整性，而且還能夠保持設(shè)備的功能和可運行性?；痣姍C組設(shè)備卻沒有相關(guān)的要求。

1000MW超超臨界火電機組的蒸汽參數(shù)很高，因此，主蒸汽系統(tǒng)的管道、閥門等設(shè)備的耐高溫高壓要求比核電機組相關(guān)設(shè)備嚴格得多。

3．3 主蒸汽保護裝置的控制功能差異

AP 1000核電機組的大氣釋放閥具有通過壓力模式調(diào)節(jié)一回路平均溫度的能力。同時，在安全保護功能上具有閥門閥序的控制要求，實現(xiàn)核電機組各工況下安全保護需求。

1000MW火電機組沒有大氣釋放閥這種裝置，基本上采用單純壓力控制，實現(xiàn)壓力保護與調(diào)節(jié)?；痣姍C組將安全閥功能與旁路系統(tǒng)功能進行結(jié)合，減少了系統(tǒng)配置，有利于機組分散控制系統(tǒng)(DCS)集中控制。

4 結(jié)束語

(1)AP 1000核電機組主蒸汽安全保護通過汽輪機旁路排放系統(tǒng)、大氣釋放閥和安全閥來實現(xiàn)，具有調(diào)溫調(diào)壓雙重功能。1 000MW火電機組具有高可靠性的“100%高壓旁路+100%再熱器安全閥”配置取代過熱器安全閥功能，不僅消除因高壓安全閥動作后產(chǎn)生的高強度噪音且能最大限度地回收工質(zhì)，提高機組啟動性能。

(2)AP 1000核電機組的主蒸汽參數(shù)相對較低，超壓保護裝置更為傳統(tǒng)，這是基于核電設(shè)計相對保守的原則。1000MW火電機組熱力系統(tǒng)相對復(fù)雜，運行參數(shù)高，超壓保護控制功能要求更高。

(3)目前，我國在大力發(fā)展核電機組，針對目前核電技術(shù)人員缺口較大的狀況，補充一些優(yōu)秀的火電技術(shù)人員投入到核電工作中來，通過學習和培訓，初步扭轉(zhuǎn)了核電技術(shù)人員緊缺的局面。本文通過對比2種發(fā)電技術(shù)的主蒸汽保護系統(tǒng)，區(qū)別兩者之間的異同點，有益于相關(guān)專業(yè)技術(shù)人員進一步掌握AP 1000核電和1000MW超超臨界火電機組技術(shù)。

［1］孫漢虹．第三代核電技術(shù)AP 1000［M］．北京:中國電力出版社，2010．

［2］張磊．超超臨界火電機組集控運行［M］．北京:中國電力出版社，2008．

［3］朱金利．鍋爐設(shè)備系統(tǒng)及運行［M］．北京:中國電力出版社，2010．

［4］林誠格，郁祖勝．非能動安全先進壓水堆核電技術(shù)［M］．北京:原子能出版社，2010．

［5］EJ 1189—2005，壓水堆核電廠主蒸汽系統(tǒng)設(shè)計要求［S］．