核電站凝汽器故障信號(hào)定值設(shè)置分析

黃美華， 蘇 鴻

(深圳中廣核工程設(shè)計(jì)有限公司， 廣東深圳 518172)

核電站凝汽器故障信號(hào)定值設(shè)置分析

黃美華， 蘇 鴻

(深圳中廣核工程設(shè)計(jì)有限公司， 廣東深圳 518172)

某核電廠在調(diào)試期間，因凝汽器壓力定值設(shè)置不合理觸發(fā)凝汽器故障信號(hào)。從核電廠核島、常規(guī)島工藝、儀控專業(yè)全面分析了問題原因。利用傳熱學(xué)原理、凝汽器瞬態(tài)計(jì)算軟件，進(jìn)行了詳細(xì)計(jì)算和風(fēng)險(xiǎn)判斷，最終給出優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。解決方案有效提高了核電廠反應(yīng)堆、汽輪機(jī)運(yùn)行安全性和經(jīng)濟(jì)性。

凝汽器； 故障； 壓力定值； 優(yōu)化設(shè)計(jì)

某核電廠6臺(tái)百萬級(jí)核電機(jī)組，1～4號(hào)機(jī)組采用CPR1000堆型，5～6號(hào)機(jī)組采用ACPR1000堆型。每臺(tái)機(jī)組兩個(gè)低壓缸，配兩個(gè)凝汽器，循環(huán)水泵采用2臺(tái)50%配置方案。

2013年12月29日，1號(hào)機(jī)組沖轉(zhuǎn)過程中，汽輪機(jī)高壓缸1號(hào)瓦振動(dòng)高導(dǎo)致機(jī)組跳機(jī)。機(jī)組惰走過程中，凝汽器真空破壞閥兩次自動(dòng)打開，凝汽器壓力維持在30～45 kPa。真空破壞閥打開對(duì)凝汽器傳熱系數(shù)有重要影響，空氣使凝汽器換熱惡化，真空快速上升。真空達(dá)到閾值觸發(fā)凝汽器故障信號(hào)和凝汽器不可用信號(hào)，導(dǎo)致緊急停堆和閉鎖核島往凝汽器排放蒸汽，某些事故工況下存在核島一回路超溫超壓風(fēng)險(xiǎn)。

筆者對(duì)CPR1000系列堆型“凝汽器故障”“凝汽器不可用”信號(hào)設(shè)計(jì)進(jìn)行簡要說明，分析該電廠當(dāng)前邏輯設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)傳熱學(xué)基本原理，就幾種特殊工況進(jìn)行凝汽器瞬態(tài)計(jì)算分析，給出合理設(shè)計(jì)優(yōu)化方案，最大限度地保證汽輪機(jī)設(shè)備安全情況下，通過合理設(shè)置凝汽器故障定值，避免了不必要的跳堆事件發(fā)生，提高了核電廠的安全性和可用率。

1 信號(hào)設(shè)置的目的和原理

核電廠主蒸汽系統(tǒng)將蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生的主蒸汽送往下游相關(guān)設(shè)備和系統(tǒng)，包括汽輪發(fā)電機(jī)組、通往凝汽器和大氣的蒸汽旁路系統(tǒng)、除氧器、輔助蒸汽轉(zhuǎn)換器等。CPR1000系列百萬級(jí)核電廠3個(gè)蒸汽發(fā)生器通過3條主蒸汽管道送往常規(guī)島廠房內(nèi)的主蒸汽母管，再分配到各用戶。每條蒸汽管道設(shè)置7個(gè)彈簧式安全閥，其中2個(gè)起跳壓力整定值為8.5 MPa，5個(gè)整定值為8.7 MPa。為避免安全閥頻繁動(dòng)作(核電廠二類事件)，需要設(shè)置“凝汽器故障”作為觸發(fā)緊急停堆的信號(hào)，并在緊急停堆后允許核島繼續(xù)向凝汽器排放蒸汽10～12 s。凝汽器壓力上升到一定值時(shí)，觸發(fā)“凝汽器不可用”信號(hào)，閉鎖汽輪機(jī)旁路蒸汽閥，禁止向凝汽器排放[1]。

汽輪機(jī)旁路排放系統(tǒng)(GCT)通常包括三個(gè)部分：向凝汽器排放系統(tǒng)、向除氧器排放系統(tǒng)和向大氣排放系統(tǒng)[2]。對(duì)于某些核電廠，向凝汽器排放系統(tǒng)設(shè)計(jì)流量約為74%主蒸汽流量(核島名義熱功率在2 905 MW下的主蒸汽流量，下同)。而該核電廠取消了向除氧器排放系統(tǒng)設(shè)計(jì)，使排凝汽器的旁路蒸汽流量達(dá)到85%主蒸汽流量。由此可見，該核電廠凝汽器某些工況下的工作條件更惡劣，“凝汽器故障”“凝汽器不可用”信號(hào)的合理設(shè)置，對(duì)堆、機(jī)運(yùn)行安全至關(guān)重要。

2 當(dāng)前設(shè)計(jì)及其風(fēng)險(xiǎn)分析

2.1 緊急停堆邏輯設(shè)計(jì)

汽輪機(jī)跳機(jī)會(huì)使一、二回路功率瞬時(shí)失衡，使一回路溫度和壓力迅速上升，一定條件下必須緊急停堆。反應(yīng)堆緊急停堆(簡稱跳堆)保護(hù)有幾個(gè)方面[2]，其中因汽輪機(jī)跳機(jī)觸發(fā)的情況如下：

(1) 當(dāng)堆功率超過10%額定核功率時(shí)，如果汽輪機(jī)跳機(jī)信號(hào)(分A、B列兩列冗余信號(hào)送核島，每一列3取2送出一個(gè)跳機(jī)信號(hào)，任何一列信號(hào)存在都發(fā)出跳機(jī)信號(hào)給核島)存在；同時(shí)“凝汽器故障”(分A、B兩列，取或門)，或“凝汽器不可用”(分A、B兩列，取或門)、或汽輪機(jī)旁路蒸汽調(diào)節(jié)閥手動(dòng)閉鎖信號(hào)存在，或者一回路平均溫度低于284 ℃時(shí)，則發(fā)出跳堆信號(hào)。

(2) 當(dāng)堆功率超過40%額定核功率時(shí)，如果汽輪機(jī)“跳機(jī)”，延時(shí)1 s，并且主蒸汽旁路GCT(核島)不可用信號(hào)存在，發(fā)出跳堆信號(hào)。

該核電廠汽輪機(jī)跳機(jī)保護(hù)引發(fā)的跳堆邏輯關(guān)系可簡化為圖1。

圖1 汽輪機(jī)跳機(jī)引發(fā)的跳堆保護(hù)邏輯示意圖

2.2 跳機(jī)邏輯設(shè)計(jì)

該核電廠汽輪機(jī)保護(hù)系統(tǒng)跳機(jī)信號(hào)的產(chǎn)生有：

(1) 發(fā)電機(jī)瓦溫高(>107 ℃)。

(2) 發(fā)電機(jī)瓦振高(>10.5 mm/s)。

(3) 汽輪機(jī)軸瓦溫度高(>130 ℃)。

(4) 汽輪機(jī)軸瓦振動(dòng)高(>10.5 mm/s)。

(5) 凝汽器壓力高(30 kPa)。

(6) 凝汽器液位高高(>3 125 mm)。

上述信號(hào)任意一個(gè)條件成立，則觸發(fā)跳機(jī)，上述信號(hào)同時(shí)與凝汽器真空破壞閥控制、凝汽器故障、凝汽器不可用信號(hào)邏輯設(shè)計(jì)密切相關(guān)。

2.3 凝汽器故障、不可用邏輯設(shè)計(jì)

2.3.1 凝汽器故障

凝汽器故障信號(hào)生成示意圖見圖2。

圖2 凝汽器故障信號(hào)生成示意圖

“凝汽器故障”信號(hào)采用冗余設(shè)計(jì)，分A、B兩列，由GCT產(chǎn)生并送往核島反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)。以A列為例(B列與A列相同)，當(dāng)任意一列凝汽器(兩個(gè)凝汽器)熱井水位達(dá)到高Ⅱ值；或凝汽器壓力高于30 kPa；或失去控制電源；或核島任一列低壓缸噴淋閥閉鎖信號(hào)消失15 s，同時(shí)噴淋閥開啟信號(hào)發(fā)出10 s后，閥后水壓小于定值時(shí)，發(fā)出“凝汽器故障”信號(hào)。

2.3.2 凝汽器不可用

凝汽器不可用信號(hào)生成示意圖見圖3。

圖3 凝汽器不可用信號(hào)生成示意圖

當(dāng)凝汽器熱井任意一列水位達(dá)到高Ⅲ值，同時(shí)凝汽器液位高高信號(hào)持續(xù)12 s；或凝汽器壓力高于30 kPa觸發(fā)跳機(jī)延時(shí)12 s，同時(shí)高于60 kPa；或失去控制電源；或核島任一列低壓缸噴淋閥閉鎖信號(hào)消失15 s，同時(shí)噴淋閥開啟信號(hào)發(fā)出10 s后，閥后水壓小于定值，延時(shí)12 s，發(fā)出“凝汽器不可用”信號(hào)。

2.4 凝汽器真空破壞閥控制邏輯設(shè)計(jì)

當(dāng)汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)任意一個(gè)軸瓦振動(dòng)高于10.5 mm/s(指同一個(gè)軸瓦上的兩個(gè)絕對(duì)振動(dòng)值同時(shí)高)；或汽輪機(jī)任意一個(gè)軸瓦溫度高于130 ℃(指同一個(gè)軸瓦上的兩個(gè)溫度同時(shí)高,下同)；或發(fā)電機(jī)任意一個(gè)軸瓦溫度高于107 ℃；或事故油泵運(yùn)行持續(xù)5 s；且在機(jī)組轉(zhuǎn)速高于180 r/mim，同時(shí)凝汽器壓力低于相應(yīng)定值時(shí)(圖4中B、C區(qū)域分界線)，自動(dòng)打開真空破壞閥。凝汽器真空破壞閥啟閉條件與凝汽器壓力、汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速密切相關(guān)(見圖4)。當(dāng)達(dá)到一定條件時(shí)，真空破壞閥自動(dòng)關(guān)閉，凝汽器真空破壞閥自動(dòng)打開控制示意圖見圖5。

圖4 凝汽器真空破壞閥工作區(qū)域圖

圖5 凝汽器真空破壞閥自動(dòng)打開控制邏輯示意圖

A域?yàn)檎婵掌茐拈y保護(hù)關(guān)閉；B區(qū)域?yàn)榫彌_帶，真空破壞閥啟閉狀態(tài)取決于其工作情況和機(jī)組狀態(tài)；C區(qū)域允許打開真空破壞閥；額定轉(zhuǎn)速為1 500 r/min。

2.5 風(fēng)險(xiǎn)分析

從上述邏輯設(shè)計(jì)分析可以看出：當(dāng)核電廠在核功率大于10%額定核功率(約為廠用電工況)情況下，汽輪發(fā)電機(jī)組中14個(gè)軸瓦溫度、軸承絕對(duì)振動(dòng)測點(diǎn)中任意一個(gè)或以上超過了定值，會(huì)觸發(fā)汽輪機(jī)跳機(jī)，此時(shí)凝汽器真空處于圖4中C區(qū)域，真空破壞閥自動(dòng)打開，緊急停機(jī)過程中，凝汽器真空會(huì)很快升高到30 kPa，觸發(fā)凝汽器故障信號(hào)，導(dǎo)致反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)動(dòng)作觸發(fā)跳堆。也就是說在機(jī)組正常運(yùn)行中，任意一個(gè)軸瓦溫度、軸承振動(dòng)高觸發(fā)跳機(jī)，會(huì)觸發(fā)不必要的跳堆。在相關(guān)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則中，此工況不需要跳堆。汽輪發(fā)電機(jī)組瓦溫、瓦振高觸發(fā)跳堆邏輯關(guān)系見圖6。

圖6 瓦溫、軸振觸發(fā)跳堆邏輯關(guān)系圖

3 解決方案分析計(jì)算

為解決當(dāng)前邏輯設(shè)計(jì)觸發(fā)不必要的跳堆風(fēng)險(xiǎn)，有必要進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，解決的思路如下：

(1) 提高觸發(fā)凝汽器故障信號(hào)真空壓力定值。

(2) 修改真空破壞閥工作范圍，其關(guān)閉壓力整定值小于凝汽器故障閾值。

(3) 取消真空破壞閥自動(dòng)控制邏輯，改為操作員判斷，手動(dòng)操作。

筆者采用第一種解決思路，重點(diǎn)對(duì)觸發(fā)凝汽器故障定值進(jìn)行深入分析計(jì)算。

3.1 空氣影響下凝汽器傳熱系數(shù)的計(jì)算

當(dāng)真空破壞閥打開后，空氣會(huì)進(jìn)入凝汽器，對(duì)管束傳熱系數(shù)影響顯著，在相關(guān)文獻(xiàn)中有介紹詳細(xì)分析計(jì)算方法[3-5]。筆者選擇包絡(luò)性簡化計(jì)算，采用凝汽器變工況進(jìn)行總傳熱系數(shù)的推算。

當(dāng)發(fā)生真空破壞閥打開的情況下，汽輪機(jī)停機(jī)過程中，凝汽器壓力在21.5～45 kPa。此時(shí)汽輪機(jī)主調(diào)節(jié)閥關(guān)閉，進(jìn)凝汽器熱負(fù)荷主要是核島排凝汽器蒸汽。根據(jù)表面式換熱器設(shè)計(jì)計(jì)算原理可推導(dǎo)出凝汽器總傳熱系數(shù)[6]：

(1)

ts=f(Ps)

(2)

式中：K為凝汽器總傳熱系數(shù)，w/(m2·K)；m為循環(huán)水質(zhì)量流量，kg/s；cp為冷卻水比定壓熱容，J/(kg·K)；F為凝汽器有效換熱面積，m2；Q為凝汽器熱負(fù)荷，W；t1為冷卻水入口溫度，℃；ts為凝汽器飽和蒸汽溫度，℃；Ps為凝汽器飽和蒸汽壓力，Pa；f(x)為水蒸氣飽和壓力與飽和溫度函數(shù)關(guān)系。

進(jìn)入凝汽器空氣量與核島排入蒸汽量相比很小，計(jì)算中凝汽器飽和蒸汽壓力仍取凝汽器壓力。根據(jù)式(1)、式(2)以及邊界條件，如冷卻水量、冷卻水入口水溫、停機(jī)中核島蒸汽排放參數(shù)等，可計(jì)算出真空破壞閥打開、凝汽器壓力維持在45 kPa時(shí)的凝汽器總傳熱系數(shù)。計(jì)算結(jié)果表明：此時(shí)傳熱系數(shù)僅為正常工作時(shí)的27.9%，可見真空閥打開，空氣對(duì)凝汽器傳熱系數(shù)影響顯著。

3.2 凝汽器瞬態(tài)計(jì)算

筆者根據(jù)文獻(xiàn)介紹過的凝汽器瞬態(tài)計(jì)算方法和軟件[1]，對(duì)該核電廠循環(huán)冷卻水泵失電、不同凝汽器故障定值等邊界條件進(jìn)行凝汽器瞬態(tài)計(jì)算，以便選擇最佳凝汽器故障定值方案。

3.2.1 計(jì)算初始數(shù)據(jù)

凝汽器瞬態(tài)計(jì)算初始數(shù)據(jù)包括凝汽器特性參數(shù)、機(jī)組部分運(yùn)行參數(shù)、循環(huán)冷卻水泵停泵瞬態(tài)流量(見表1)。循環(huán)水泵跳泵后流量變化曲線見圖7。

表1 某電廠凝汽器相關(guān)特性參數(shù)

圖7 循環(huán)水泵跳泵后流量變化曲線

3.2.2 計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 典型工況凝汽器瞬態(tài)計(jì)算結(jié)果表

工況1：機(jī)組夏季工況運(yùn)行(凝汽器背壓7.8 kPa)，2臺(tái)循環(huán)水泵失電停運(yùn)，凝汽器壓力升高到30 kPa時(shí)跳機(jī)，同時(shí)達(dá)到凝汽器故障定值，觸發(fā)跳堆。凝汽器壓力上升到60 kPa時(shí)凝汽器不可用。

工況2：機(jī)組夏季工況運(yùn)行(凝汽器背壓7.8 kPa)，2臺(tái)循環(huán)水泵失電停運(yùn)，2 s后發(fā)出“凝汽器故障”信號(hào)，觸發(fā)跳機(jī)、跳堆。凝汽器壓力達(dá)到60 kPa時(shí)發(fā)出“凝汽器不可用”信號(hào)。

工況3：凝汽器真空破壞閥意外打開，凝汽器壓力升高到30 kPa觸發(fā)跳機(jī)，壓力上升到41 kPa時(shí)循環(huán)水泵失電，2 s之后，凝汽器壓力達(dá)到50 kPa，發(fā)出“凝汽器故障”信號(hào)，觸發(fā)跳堆，旁路蒸汽持續(xù)排放12 s之后，發(fā)出“凝汽器不可用”信號(hào)。

3.3 結(jié)果分析

(1) 根據(jù)循環(huán)水泵瞬態(tài)流量特性、凝汽器結(jié)構(gòu)特性、堆-機(jī)運(yùn)行控制方式等實(shí)際情況，循環(huán)水泵失電停泵信號(hào)必須作為觸發(fā)凝汽器故障信號(hào)條件之一，以保證某些工況下核島對(duì)常規(guī)島凝汽器排放時(shí)間要求。

(2) 凝汽器故障壓力定值提高到50 kPa，同時(shí)滿足核島反應(yīng)堆緊急停堆后持續(xù)往凝汽器排放12 s要求條件，技術(shù)上可行。

3.4 優(yōu)化方案風(fēng)險(xiǎn)分析及選擇

計(jì)算工況3結(jié)果可知：極端工況下凝汽器瞬間壓力峰值達(dá)到81 kPa，對(duì)應(yīng)飽和蒸汽溫度約為94 ℃。根據(jù)汽輪機(jī)供應(yīng)商提供的技術(shù)文件，當(dāng)凝汽器排汽溫度達(dá)90 ℃時(shí)進(jìn)行噴淋，當(dāng)達(dá)到110 ℃時(shí)觸發(fā)跳機(jī)。由此可見，采取提高凝汽器壓力定值解決方案對(duì)汽輪機(jī)低壓缸、凝汽器設(shè)備安全運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)可接受。優(yōu)化后的凝汽器故障、凝汽器不可用邏輯設(shè)計(jì)方案見圖8。

圖8 凝汽器故障、不可用優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

4 結(jié)語

(1) 凝汽器故障、不可用信號(hào)邏輯合理設(shè)計(jì)對(duì)CPR1000堆型核電站反應(yīng)堆、汽輪發(fā)電機(jī)組安全可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有十分重要的影響。

(2) 循環(huán)水泵停泵流量變化對(duì)凝汽器真空影響顯著，凝汽器故障、凝汽器不可用邏輯設(shè)計(jì)中，需要結(jié)合具體項(xiàng)目循環(huán)水泵瞬態(tài)流量進(jìn)行凝汽器瞬態(tài)計(jì)算，以確定是否采用停泵信號(hào)作為觸發(fā)凝汽器故障條件之一。

(3) 為了最大程度保護(hù)汽輪機(jī)低壓缸和凝汽器本體設(shè)備，緊急情況下，0%～100%額定轉(zhuǎn)速下有條件破壞真空停機(jī)運(yùn)行策略技術(shù)上可行。在CPR1000堆型核電廠中，還需要綜合考慮對(duì)反應(yīng)堆安全方面的影響。

致謝：非常感謝中廣核工程有限公司調(diào)試部門提供的調(diào)試數(shù)據(jù)，陽江核電有限公司提供的分析參考資料。

[1] 姜成仁, 丁佳鵬. 核電廠凝汽器故障信號(hào)定值的計(jì)算與分析[J]. 核動(dòng)力工程, 2009, 30(增刊): 39-44.

[2] 廣東核電培訓(xùn)中心. 900 MW壓水堆核電站系統(tǒng)與設(shè)備(上冊(cè))[M]. 北京: 原子能出版社, 2007.

[3] 種道彤, 劉繼平, 嚴(yán)俊杰, 等. 漏空氣對(duì)凝汽器傳熱性能影響的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2005, 25(4): 152-157.

[4] 干昌琦, 田鶴年. 凝氣器漏入空氣量的計(jì)算與試驗(yàn)研究[J]. 電站輔機(jī), 2003(3): 46-50.

[5] 陳曉珊, 張衛(wèi)會(huì). 考慮空氣量影響時(shí)蒸汽凝結(jié)放熱系數(shù)的計(jì)算方法分析[J]. 汽輪機(jī)技術(shù), 2002, 44(6): 333-335.

[6] 楊世銘, 陶文銓. 傳熱學(xué)[M]. 北京: 高等教育出版社, 1998.

Analysis on the Setting of Condenser Malfunction Setpoint in Nuclear Power Station

Huang Meihua, Su Hong

(China Nuclear Power Design Co., Ltd., (Shenzhen), Shenzhen 518172, Guangdong Province, China)

During the commissioning of a certain nuclear power station, the condenser malfunction is activated due to unreasonable setting of the condenser pressure setpoint. The causes were fully analyzed from the aspects of nuclear/conventional island design as well as relevant I&C specialties. Based on the heat-transfer principle and required software, detailed calculation and risk judgment were carried out, and subsequently an optimal design scheme was proposed, which can effectively improve the operation safety and economic performance of relevant nuclear power reactors and steam turbines.

condenser; malfunction; pressure setpoint; design optimization

2016-04-25；

2016-05-24

黃美華(1973—)，男，高級(jí)工程師，主要從事核電廠常規(guī)島系統(tǒng)設(shè)計(jì)與設(shè)備選型，設(shè)計(jì)管理工作。

E-mail: huangmeihua@cgnpc.com.cn

TK264.1

A

1671-086X(2017)01-0043-05