三門核電站停機(jī)不停堆的運(yùn)行分析

車濟(jì)堯

(三門核電有限公司，浙江 三門 317112)

三門核電站停機(jī)不停堆的運(yùn)行分析

車濟(jì)堯

(三門核電有限公司，浙江 三門 317112)

三門核電AP1000反應(yīng)堆在滿功率情況下發(fā)生汽輪機(jī)故障停機(jī)事件時(shí)，通過(guò)快速降功率系統(tǒng)、旁排系統(tǒng)和棒控系統(tǒng)等的快速響應(yīng)，一回路的參數(shù)不會(huì)突破安全限值，避免了反應(yīng)堆停堆，降低了該瞬態(tài)對(duì)反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)的沖擊。文章對(duì)停機(jī)不停堆的實(shí)現(xiàn)方式和運(yùn)行特點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)的分析和闡述，以幫助電站人員對(duì)停機(jī)不停堆的理解，并提高他們面臨瞬態(tài)的響應(yīng)能力。

三門核電；AP1000；停機(jī)不停堆；甩負(fù)荷

三門核電AP1000反應(yīng)堆的汽輪機(jī)停機(jī)信號(hào)不會(huì)直接產(chǎn)生反應(yīng)堆停堆信號(hào)，即汽輪機(jī)信號(hào)不作為反應(yīng)堆安全保護(hù)信號(hào)。面臨汽輪機(jī)停機(jī)事故時(shí)，反應(yīng)堆在快速降功率系統(tǒng)、旁排系統(tǒng)和棒控系統(tǒng)等控制系統(tǒng)的共同配合下，反應(yīng)堆功率下降到低功率水平并穩(wěn)定運(yùn)行，而不會(huì)觸發(fā)反應(yīng)堆停堆定值。相比二代反應(yīng)堆，避免了反應(yīng)堆停堆的瞬態(tài)，減少重啟反應(yīng)堆的時(shí)間。

本文通過(guò)對(duì)AP1000停機(jī)不停堆的設(shè)計(jì)和運(yùn)行特點(diǎn)進(jìn)行分析，并闡述了該瞬態(tài)可能出現(xiàn)的預(yù)期。

1 停機(jī)不停堆的實(shí)現(xiàn)方式

電廠甩去全部負(fù)荷時(shí)，反應(yīng)堆快速降功率系統(tǒng)具有迅速降低50%反應(yīng)堆功率的能力，旁排系統(tǒng)具有承擔(dān)40%額定蒸汽流量的能力，反應(yīng)堆棒控系統(tǒng)具有調(diào)節(jié)10%負(fù)荷階躍變化的能力。

假設(shè)反應(yīng)堆初期穩(wěn)定運(yùn)行在滿功率水平，發(fā)生汽輪發(fā)電機(jī)組故障停機(jī)，不考慮單一故障，電站的主要響應(yīng)如下所示。

1）汽輪機(jī)甩去全部負(fù)荷，汽輪機(jī)主汽門的快速關(guān)閉（約0.15 s），通往汽輪機(jī)的蒸汽流量快速終止。

2）快速降功率系統(tǒng)將預(yù)設(shè)的幾束控制棒掉落堆芯，約15 s內(nèi)將反應(yīng)堆功率降至50%以下，如圖1所示。

3）同時(shí)，旁排系統(tǒng)開(kāi)啟以提供熱阱，將蒸汽排放到凝汽器。

4）控制棒自動(dòng)下插，使反應(yīng)堆功率繼續(xù)降低，并最終穩(wěn)定在低于15%的功率水平。

5）等待汽輪發(fā)電機(jī)組故障消除后，重新并網(wǎng)和升功率并恢復(fù)正常運(yùn)行。

圖 1 停機(jī)不停堆的反應(yīng)堆功率Fig.1 Reactor power in turbine trip without reactor trip

2 停機(jī)不停堆的意義

停機(jī)不停堆的設(shè)計(jì)特點(diǎn)提高了電站的經(jīng)濟(jì)性，減少了停堆后又重啟反應(yīng)堆的時(shí)間，特別是避免了碘坑對(duì)重啟反應(yīng)堆的重大影響，這種情況很可能在汽輪機(jī)誤停機(jī)事件時(shí)發(fā)生。

另外，停機(jī)不停堆降低了對(duì)反應(yīng)堆的瞬態(tài)沖擊，提高了反應(yīng)堆的可靠性。同時(shí)，停機(jī)不停堆也降低了電站運(yùn)行人員的負(fù)擔(dān)。

3 停機(jī)不停堆的設(shè)計(jì)和運(yùn)行分析

有許多可能的停機(jī)信號(hào)會(huì)導(dǎo)致汽輪機(jī)停機(jī)，包括發(fā)電機(jī)停機(jī)、冷凝器真空低、喪失潤(rùn)滑油、汽輪機(jī)推力軸承故障、汽輪機(jī)超速、兩個(gè)循泵停泵等。但并非所有停機(jī)事件都不會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)堆停堆。比如凝汽器真空低觸發(fā)停機(jī)時(shí)，旁排不可用，反應(yīng)堆仍然將停堆。

停機(jī)不停堆需要一定前提條件，這個(gè)前提條件也就是先前提到的，需要快速降功率系統(tǒng)、旁排系統(tǒng)和棒控系統(tǒng)等控制系統(tǒng)的配合，同時(shí)還需要一、二回路其他控制系統(tǒng)的配合，比如穩(wěn)壓器壓力控制系統(tǒng)、蒸汽發(fā)生器水位控制系統(tǒng)等。只要其中任意一項(xiàng)功能失效，反應(yīng)堆由穩(wěn)壓器高壓力、穩(wěn)壓器高水位、蒸汽發(fā)生器低水位和超溫ΔT等停堆信號(hào)提供保護(hù)停堆，詳細(xì)情況如下所示。

（1）快速降功率系統(tǒng)

快速降功率系統(tǒng)是有別于二代反應(yīng)堆的重大設(shè)計(jì)特點(diǎn)，它通過(guò)預(yù)設(shè)在堆頂?shù)膸资刂瓢簦O(jiān)測(cè)到甩負(fù)荷大于50%額定功率時(shí)，直接掉落堆芯，降低50%額定功率。預(yù)設(shè)的幾束控制棒根據(jù)反應(yīng)堆燃耗、堆芯功率分布等計(jì)算得出?？焖俳倒β氏到y(tǒng)只有在甩負(fù)荷大于50%時(shí)才會(huì)啟動(dòng)。

如果快速降功率系統(tǒng)由于機(jī)械卡澀等故障功能失效，反應(yīng)堆功率無(wú)法降低到旁排系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能力，反應(yīng)堆將很快由于穩(wěn)壓器高壓力、穩(wěn)壓器高水位或超溫ΔT等信號(hào)停堆。

（2）旁排系統(tǒng)

旁排系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到汽輪機(jī)甩負(fù)荷時(shí)，快速開(kāi)啟旁排閥，將蒸汽排放到凝汽器。隨后，由于棒控系統(tǒng)的插棒動(dòng)作逐步降低反應(yīng)堆功率，（Tavg-Tref）信號(hào)不斷降低，旁排閥逐漸關(guān)小。反應(yīng)堆功率降低至15%以下時(shí)，旁排系統(tǒng)切換至蒸汽壓力模式，承擔(dān)約5%的負(fù)荷。

旁排功能的實(shí)現(xiàn)需要一定的條件，為了防止凝汽器超壓，在失去全部3臺(tái)凝泵或失去全部2臺(tái)循泵或凝汽器真空低時(shí)，旁排閥將被閉鎖開(kāi)啟。旁排功能喪失，反應(yīng)堆同樣會(huì)由保護(hù)信號(hào)停堆。

（3）棒控系統(tǒng)

正常運(yùn)行時(shí)，棒控系統(tǒng)根據(jù)（Tavg-Tref）信號(hào)維持反應(yīng)堆冷卻劑溫度在正常范圍。當(dāng)汽輪機(jī)停機(jī)時(shí)，（Tavg-Tref）信號(hào)增大，棒控系統(tǒng)以最快速度向堆底插棒降低反應(yīng)堆功率，隨著反應(yīng)堆功率不斷降低至15%以下時(shí)，（Tavg-Tref）信號(hào)減小，棒控系統(tǒng)切換至低功率控制模式，維持反應(yīng)堆在低功率水平。棒控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有響應(yīng)±10%負(fù)荷階躍瞬態(tài)的能力。

（4）其他控制系統(tǒng)的響應(yīng)

汽輪機(jī)停機(jī)對(duì)一回路的主要沖擊體現(xiàn)在穩(wěn)壓器壓力和水位的波動(dòng)，瞬態(tài)初期，反應(yīng)堆冷卻劑溫度升高，穩(wěn)壓器壓力和水位增加，穩(wěn)壓器壓力和水位控制系統(tǒng)使壓力和水位限制在正常范圍。

汽輪機(jī)停機(jī)對(duì)二回路的沖擊很大，尤其蒸汽發(fā)生器水位的波動(dòng)很大，考慮到蒸汽發(fā)生器水位低-2信號(hào)會(huì)觸發(fā)反應(yīng)堆停堆信號(hào)，因此汽輪機(jī)停機(jī)初期，需要主給水泵運(yùn)行以維持蒸汽發(fā)生器水位在正常范圍（見(jiàn)圖2），待反應(yīng)堆功率下降至15%后，可切換至啟動(dòng)給水補(bǔ)充蒸汽發(fā)生器。

圖 2 停機(jī)不停堆的給水流量Fig.2 Feedwater flow in turbine trip without reactor trip

由于主給水泵的運(yùn)行需要一定的凈正吸入壓頭（NPSH），這對(duì)除氧器的壓力控制提出了要求。瞬態(tài)初期，除氧器失去正常的抽汽加熱，同時(shí)凝結(jié)水（冷水）的大量補(bǔ)充，兩者會(huì)導(dǎo)致除氧器在瞬態(tài)下壓力過(guò)快下降，不能滿足主給水泵的NPSH要求。為此，凝結(jié)水流量控制閥和輔助蒸汽供除氧器的壓力控制閥設(shè)計(jì)了NPSH控制功能，發(fā)生瞬態(tài)時(shí)，NPSH控制功能迅速減少凝結(jié)水的補(bǔ)充，增大輔助蒸汽加熱除氧器的流量。

（5）電站運(yùn)行人員的響應(yīng)和預(yù)期

停機(jī)不停堆的目的不是在沒(méi)有相關(guān)支持系統(tǒng)的情況下去維持反應(yīng)堆臨界。喪失二回路的一些支持功能仍然會(huì)由于后續(xù)影響而導(dǎo)致反應(yīng)堆停堆，例如SG水位無(wú)法維持。但是，反應(yīng)堆不會(huì)僅僅因?yàn)橥C(jī)信號(hào)的出現(xiàn)而停堆。

雖然AP1000反應(yīng)堆具有自動(dòng)響應(yīng)事故的能力，但是電站運(yùn)行人員面對(duì)該事件，除了重點(diǎn)關(guān)注一回路壓力、水位等重要參數(shù)外，還應(yīng)根據(jù)異常運(yùn)行規(guī)程（AOP）特別關(guān)注二回路的可用性，包括蒸汽發(fā)生器水位、除氧器壓力和凝汽器真空度等參數(shù)，主給水泵、凝結(jié)水泵和循泵等設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。一旦二回路的可用性受到威脅并無(wú)法挽救，運(yùn)行人員應(yīng)立即手動(dòng)停堆。

停機(jī)不停堆與滿功率甩負(fù)荷事件相似，電站的響應(yīng)也基本一致。唯一的區(qū)別是，在滿功率甩負(fù)荷工況下，汽輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行在一個(gè)較低的負(fù)荷，多余的蒸汽通過(guò)旁排送到凝汽器，而停機(jī)不停堆工況下，汽輪發(fā)電機(jī)組退出運(yùn)行，所有的蒸汽都通過(guò)旁排送到凝汽器。

4 總結(jié)

AP1000反應(yīng)堆在停機(jī)時(shí)不觸發(fā)停堆，可以重新匹配一、二回路熱力平衡，保證瞬態(tài)下反應(yīng)堆系統(tǒng)參數(shù)不會(huì)挑戰(zhàn)安全限值。運(yùn)行人員應(yīng)對(duì)一、二回路的運(yùn)行工況有全面的預(yù)期，面對(duì)意外情況快速響應(yīng)，避免不必要的反應(yīng)堆停堆，降低瞬態(tài)對(duì)電站的影響。

Operational Analysis of Turbine Trip without Reactor Trip in Sanmen Nuclear Power Plant

CHE Ji-yao
（Sanmen Nuclear Power Co.，Ltd.，Sanmen of Zhejiang Prov. 317112，China）

Reactor is tripped after turbine trip in generate II plant, which prevents the temperature, pressure and water level of reactor coolant system exceeding safety limits and protect the safety of reactor. While Sanmen nuclear power plant is designed to sustain a turbine trip from 100-percent power, without generating a reactor trip, the rapid power reduction system, in conjunction with automatic steam dump control system, and rod control system, is provided to accommodate this abnormal load rejection and to reduce the effects of the transient imposed on the reactor coolant system. In this paper, the design and operation characteristics of turbine trip without reactor trip are analyzed and explained in detail to facilitate the understanding of the concept of turbine trip without reactor trip, and to improve the response ability of plant personnel in the transient.

Sanmen NPP；AP1000；turbine trip without reactor trip；load rejection

TM623 Article character：A Article ID：1674-1617(2014)03-0261-05

TM623

A

1674-1617(2014)03-0261-05

2014－03－25

車濟(jì)堯（1979—），男，浙江人，碩士研究生，工程師，從事核電廠運(yùn)行工作。