非能動反應(yīng)堆蒸汽排放控制分析

董九虹

摘 要：汽輪機旁路排放系統(tǒng)以可控的方式將主蒸汽母管的蒸汽排放至凝汽器，從而最大程度地減少正常運行工況（包括啟動、停堆和機組冷卻）和非正常瞬態(tài)（包括汽機跳閘和階躍降負(fù)荷）對反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)的影響。該文主要對其運行方式、控制和閉鎖進行了闡述，并進行未能緊急停堆的預(yù)期瞬態(tài)（ATWS）下的事故分析，為運行和維護工作提供指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：甩負(fù)荷蒸汽排放控制器 蒸汽母管壓力控制器 未能緊急停堆的預(yù)期瞬態(tài)。

中圖分類號：U224 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）05（b）-0062-02

1 概述

汽輪機旁路排放系統(tǒng)共設(shè)置六個旁排閥，每臺凝汽器設(shè)置兩個，在額定負(fù)荷主蒸汽壓力時，可將40%額定主蒸汽流量直接排放至凝汽器。結(jié)合快速降功率系統(tǒng)的50%RTP能力和控制棒系統(tǒng)的10%RTP能力，最終可以實現(xiàn)電廠100%RTP甩負(fù)荷能力。

2 控制

汽輪機旁路排放系統(tǒng)有兩種主要運行模式：溫度控制模式和壓力控制模式。

溫度控制模式主要用于工作瞬態(tài)需要蒸汽排放的情況，如：汽輪機跳閘、甩負(fù)荷。此時，采用一回路平均溫度Tavg和根據(jù)汽輪機沖動級壓力計算得到的參考溫度Tref之差，控制旁排閥的開度，最終使反應(yīng)堆功率與汽輪機負(fù)荷相匹配。

6個閥門被分為兩列，第一列（V002A、V002B、V002C）在蒸汽排放需求量小于50%內(nèi)調(diào)節(jié)開啟，在蒸汽排放需求量大于50%時快速全開。第二列（V003A、V003B、V003C）在50%至100%蒸汽排放需求范圍內(nèi)調(diào)節(jié)開啟，在大于100%蒸汽排放需求時快速全開。閥門調(diào)節(jié)開啟和快速全開的切換是通過閥門供氣管線上的電磁閥C來完成的，下面的聯(lián)鎖中會詳細(xì)介紹。

壓力控制模式主要用于低功率運行和電廠冷卻階段。采用蒸汽母管壓力和壓力整定值的差值來控制旁排閥的開度。在低功率運行時，蒸汽發(fā)生器壓力對蒸汽流量的響應(yīng)較快，而一回路平均溫度Tavg則對蒸汽流量的響應(yīng)較慢，無法靈敏控制旁排閥開關(guān)。且此時蒸汽壓力較高與大氣釋放閥的動作值相近，若采用溫度控制模式可能導(dǎo)致蒸汽壓力超過大氣釋放閥的設(shè)定值，而造成大氣釋放閥開啟。因此，在低功率運行和電廠冷卻時，汽輪機旁路排放系統(tǒng)采用壓力控制模式。

系統(tǒng)設(shè)有兩個控制器，分別用于兩種控制模式下：甩負(fù)荷蒸汽排放控制器，用于溫度控制模式；蒸汽母管壓力控制器，用于壓力控制模式。

甩負(fù)荷蒸汽排放控制器：偏差信號是超前/滯后補償?shù)腡avg和根據(jù)汽輪機沖動級壓力計算得到的參考溫度Tref之差。最終使反應(yīng)堆功率與汽輪機負(fù)荷相匹配，溫度偏差在控制棒調(diào)節(jié)能力范圍內(nèi)，終止蒸汽排放，可使電廠穩(wěn)定在準(zhǔn)備汽輪機/發(fā)電機重新投入工作和/或電網(wǎng)同步的狀態(tài)。

蒸汽母管壓力控制器：偏差信號是蒸汽母管壓力和壓力整定值的差值。壓力整定值由操縱員根據(jù)期望的冷卻速率和期望的反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)的溫度手動調(diào)整。

3 聯(lián)鎖

汽輪機旁排閥是彈簧加載式的氣動球閥。在失氣或者沒有控制信號的時候處于關(guān)閉的位置。定位器對控制系統(tǒng)（甩負(fù)荷蒸汽排放控制器或蒸汽母管壓力控制器）來的信號進行轉(zhuǎn)換，為閥門執(zhí)行機構(gòu)提供一個合適的空氣壓力來調(diào)節(jié)閥門的開度。電磁閥位于向旁排閥執(zhí)行機構(gòu)供氣的管線上，具體位置見圖1。它作為一種保護聯(lián)鎖來控制旁排閥的開閉。如果電磁閥動作，使供氣管線失壓，那么由于彈簧力的存在，閥門仍將處于關(guān)閉的位置。下面詳細(xì)介紹一下4個電磁閥的控制信號和功能。

電磁閥A/B：當(dāng)收到來自PMS的一回路平均溫度Tavg低2（274℃）或主蒸汽隔離信號時，電磁閥A、B動作使旁排閥供氣管線失壓，所有旁排閥無法開啟。但對于閥門V002A和V002B，可在非1E級遠(yuǎn)程停堆站和主控室1E級PDSP盤上手動復(fù)位該閉鎖信號。

電磁閥C：對于第一列旁排閥（V002A、V002B、V002C），電磁閥C動作的設(shè)定值是50%。在來自于PLS的蒸汽排放需求量小于50%內(nèi)時，電磁閥C不動作，壓縮空氣經(jīng)過定位器，為閥門執(zhí)行機構(gòu)提供一個合適的空氣壓力，從而調(diào)節(jié)閥門的開度。在蒸汽排放需求量大于50%時，電磁閥C動作，將定位器旁路，壓縮空氣直接通過電磁閥C供向閥門執(zhí)行機構(gòu)，閥門快速開啟。對于第二列旁排閥（V003A、V003B、V003C），動作原理同上，只是電磁閥C的設(shè)定值為100%。

電磁閥D：當(dāng)PMS中判斷凝汽器不可用或沒有C7信號（在溫度控制模式下）產(chǎn)生時，電磁閥D動作使旁排閥供氣管線失壓，閉鎖旁排閥開啟，防止在小負(fù)荷擾動時啟動蒸汽排放。C7信號用于監(jiān)測汽輪機降負(fù)荷速率，當(dāng)降負(fù)荷速率超過預(yù)設(shè)值時，產(chǎn)生C7信號，解鎖旁排閥。這個預(yù)設(shè)值相當(dāng)于10%的階躍降負(fù)荷或負(fù)荷線性降低大于5%/min。

4 未能緊急停堆的預(yù)期瞬態(tài)（ATWS）下的事故分析

以上旁排閥的閉鎖信號均來自PMS和PLS，未能緊急停堆的預(yù)期瞬態(tài)（ATWS）時仍存在一定風(fēng)險。當(dāng)核電廠發(fā)生預(yù)期瞬態(tài)事故時，需要反應(yīng)堆緊急停堆系統(tǒng)自動停堆，但由于反應(yīng)堆保護系統(tǒng)發(fā)生共因失效而導(dǎo)致的停堆失效，這類瞬態(tài)稱為未能緊急停堆的預(yù)期瞬態(tài)（ATWS）。導(dǎo)致反應(yīng)堆停堆功能失效的因素有：（1）保護和監(jiān)控系統(tǒng)（PMS）的停堆信號失效；（2）停堆斷路器斷開失效；（3）機械失效，鉤爪失電后棒束控制組件（RCCA）不能落入堆芯。美國三代核電廠（AP1000）設(shè)有多樣化驅(qū)動系統(tǒng)（DAS），在PMS發(fā)生共因失效時，DAS可為電廠提供保護信號并觸發(fā)反應(yīng)堆保護系統(tǒng)動作。

ATWS下，要求核電廠部件滿足美國機械工程學(xué)會（ASME）規(guī)定的C級應(yīng)力限制。AP1000核電廠ATWS事故的驗收準(zhǔn)則為反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)（RCS）峰值壓力小于22.16 MPa。

因此，我們對AP1000 DAS的控制保護邏輯做出改進，修改蒸汽旁排邏輯，SG寬量程低水位觸發(fā)蒸汽旁排隔離。下面，對失去主給水ATWS進行最終工況分析，檢驗AP1000核電廠應(yīng)對ATWS事故的能力。

在基本工況的基礎(chǔ)上，減小蒸汽旁排容量至20%和0%（工況2和工況3），結(jié)果見圖2。2個工況的RCS峰值壓力為23.34 MPa和22.93 MPa，與基本工況相比RCS峰值壓力明顯降低，但仍不滿足驗收準(zhǔn)則。由于蒸汽旁排容量減小，SG水裝量下降速度減緩，一、二次側(cè)傳熱得到改善，從而導(dǎo)致RCS峰值壓力降低。此外，蒸汽旁排容量較大情況下，當(dāng)RCS出現(xiàn)峰值壓力時，SG壓力很低（接近1個大氣壓），SG傳熱管將承受較大壓差。因此及早隔離蒸汽旁排不但可以明顯降低RCS峰值壓力，還能改善SG傳熱管所承受的壓差。結(jié)果表明，采用改進后的DAS控制保護邏輯，有利于緩解最極限的失去正常給水ATWS事故。

5 結(jié)語

文章對汽輪機旁路排放系統(tǒng)的運行控制和閉鎖方式，進行了詳細(xì)描述。并分析了改進后的DAS控制保護邏輯，即SG寬量程低水位觸發(fā)蒸汽旁排隔離，在未能緊急停堆的預(yù)期瞬態(tài)（ATWS）下，電站的事故響應(yīng)能力。結(jié)果表明，采用改進后的DAS控制保護邏輯，有利于緩解極限的失去正常給水的ATWS事故。

參考文獻

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