GCT系統(tǒng)在機(jī)組瞬態(tài)下的響應(yīng)及故障處理

趙昌興　許海峰　毛耀軍

【摘 要】本文介紹了GCT系統(tǒng)的基本功能，并結(jié)合其工作原理，對(duì)一些瞬態(tài)工況進(jìn)行了分析，重點(diǎn)論述了在滿功率停機(jī)不停堆工況下，GCT121VV未正常開啟時(shí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的響應(yīng)過程。并從機(jī)組控制的角度對(duì)操縱員的如何進(jìn)行故障處理進(jìn)行了探討。

【關(guān)鍵詞】GCT控制原理；故障；瞬態(tài)；響應(yīng)

Response and Fault Treatment of GCT System Under Transient Condition

ZHAO Chang-xing XU Hai-feng MAO Yao-jun

（Nuclear Power Operation Management Co.，Ltd.，CNNC，Haiyan Zhejiang 314300，China）

【Abstract】This paper introduces the basic functions of the GCT system，Based on its working principle，some transient working conditions are analyzed，This paper mainly discusses the response process of the system when the GCT121VV is not normally opened under the condition of full power turbine trip only.Under the condition of this kind of trouble，how to control the generator unit is discussed.

【Key words】GCT control principle；Fault；Transient；Response

0 前言

在秦二廠，反應(yīng)堆對(duì)負(fù)荷的適應(yīng)性跟不上汽輪機(jī)對(duì)負(fù)荷的適應(yīng)性，當(dāng)需要大幅降負(fù)荷時(shí)，汽輪機(jī)能夠很快關(guān)小調(diào)節(jié)汽閥，降低汽機(jī)出力，但反應(yīng)堆只能以5-10%的速率逐步降功率，這樣就產(chǎn)生了一個(gè)功率差，所以設(shè)置了汽機(jī)旁路排放系統(tǒng)（GCT）。在汽輪發(fā)電機(jī)組突然減負(fù)荷或在汽輪機(jī)脫扣的情況下，排走蒸發(fā)器內(nèi)部產(chǎn)生的過量蒸汽，避免蒸汽發(fā)生器安全閥動(dòng)作；在熱停堆和最初冷卻階段，排出由裂變產(chǎn)物和運(yùn)轉(zhuǎn)主泵所產(chǎn)生的剩余釋熱和顯熱，直至余熱排出系統(tǒng)投入使用。做為秦二廠五大調(diào)節(jié)系統(tǒng)之一，GCT系統(tǒng)雖然不具有核安全功能，但在防止一回路過熱和二回路超壓、防止一回路過冷、實(shí)現(xiàn)安全停堆方面具有安全功能。分析系統(tǒng)工作原理及在機(jī)組瞬態(tài)工況下的響應(yīng)對(duì)加強(qiáng)操縱人員的事故干預(yù)能力、保證機(jī)組安全上具有重要意義。

1 GCT系統(tǒng)控制原理簡(jiǎn)介

每個(gè)GCT的氣動(dòng)控制閥接受兩類信號(hào)：一類是控制開啟信號(hào)，包括調(diào)制信號(hào)及快開信號(hào)，另一類是邏輯允許信號(hào)。其基本控制原理見下圖。

圖1

在氣動(dòng)排放閥的供氣管線上有3個(gè)電磁閥及一個(gè)氣動(dòng)定位器，電氣轉(zhuǎn)換器來(lái)的調(diào)制信號(hào)經(jīng)氣動(dòng)定位器轉(zhuǎn)換為開啟排放閥開度的比例的氣壓，此空氣源由壓縮空氣系統(tǒng)供給，經(jīng)過3個(gè)電磁閥允許后去打開GCT排放閥。在某些瞬態(tài)情況下，快開信號(hào)直接作用在電磁閥S3上，使壓縮空氣經(jīng)S3的2—3路通，再經(jīng)邏輯允許信號(hào)電磁閥S2、S1的1—3路通，將GCT排放閥快速打開。考慮安全的因素，使用了一些邏輯允許閉鎖信號(hào)，此信號(hào)具有冗余，分A/B列，任一列信號(hào)產(chǎn)生，均導(dǎo)通電磁閥S2、S1的2—3路，使閥門排氣后關(guān)閉。

由上可見，閥門開啟有兩個(gè)必要的信號(hào)：一個(gè)邏輯允許信號(hào)和一個(gè)模擬控制信號(hào)。

1.1 閥門調(diào)節(jié)的控制模式

蒸汽排放控制模式有兩種，即溫度模式和壓力模式。所謂溫度控制模式，它產(chǎn)生的GCT開啟信號(hào)正比于反應(yīng)堆冷卻劑平均溫度與代表二回路負(fù)荷的整定溫度之差，溫度模式用于自動(dòng)控制運(yùn)行，如甩負(fù)荷、甩到廠用電、汽輪機(jī)脫扣、反應(yīng)堆緊急停堆等。所謂壓力控制模式，它是將蒸汽母管的壓力維持在手動(dòng)設(shè)定值水平?？刂苹芈肥潜壤e分回路。此通道用于低負(fù)荷控制棒手動(dòng)期間或蒸汽排放閥開啟情況下低負(fù)荷長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行（反應(yīng)堆啟動(dòng)或冷卻）。

1.2 閥門運(yùn)行

這兩種模式下，通過調(diào)節(jié)傳感器來(lái)的調(diào)節(jié)信號(hào)控制每一個(gè)閥門，可以連續(xù)的調(diào)節(jié)閥門或閥門組的開啟，當(dāng)前面的閥門或閥門組全開時(shí)，則依次打開后面的閥門或閥門組。當(dāng)接受關(guān)閉指令時(shí)，按相反的次序執(zhí)行。第一組閥門（GCT121/117/113VV）是逐個(gè)開啟的，開啟順序?yàn)镚CT121VV-GCT117VV-GCT113VV，其余兩組閥門都是各閥一起開啟。第一組三個(gè)閥全開占總開度的25%，第二組三個(gè)閥全開將GCT總開度從25%增加到50%，第三組六個(gè)閥全開將GCT總開度由50%增加到100%。第一組閥的快開時(shí)間為2.5S，第二組、第三組閥的快開時(shí)間均為2S，三組閥的調(diào)節(jié)開啟時(shí)間均為10S。

1.3 控制模式轉(zhuǎn)換

為了避免控制模式從溫度模式轉(zhuǎn)換到壓力模式時(shí)蒸汽排放閥開度突變，造成機(jī)組大的瞬態(tài)，這種轉(zhuǎn)換僅在蒸汽母管蒸汽壓力控制回路發(fā)出的信號(hào)與反應(yīng)堆冷卻劑平均溫度控制回路發(fā)出的信號(hào)偏差小于2%時(shí)才有效。

2 瞬態(tài)工況下系統(tǒng)的響應(yīng)

機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)一回路溫度由棒控系統(tǒng)來(lái)調(diào)節(jié)，但在機(jī)組瞬態(tài)時(shí)一回路溫度變化很大，僅靠調(diào)節(jié)棒難以匹配一二回路功率平衡，故瞬態(tài)時(shí)需要GCT系統(tǒng)參與調(diào)節(jié)使得一回路功率與二回路負(fù)荷匹配。下面對(duì)一些常見瞬態(tài)工況下系統(tǒng)的響應(yīng)進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。（下文中Tavg指一回路平均溫度次高選值，Tref指一回路參考平均溫度，C7A指兩分鐘內(nèi)汽機(jī)甩負(fù)荷≥15%Pn，C7B指兩分鐘之內(nèi)汽機(jī)甩負(fù)荷≥50%Pn）。

2.1 汽機(jī)甩負(fù)荷

這里指部分甩負(fù)荷，在溫度模式下，如果甩負(fù)荷幅度觸發(fā)C7A或C7B信號(hào)，就會(huì)導(dǎo)致旁路排放系統(tǒng)動(dòng)作，旁排系統(tǒng)在此瞬態(tài)過程中的響應(yīng)如下：

1）汽機(jī)入口壓力突降到電功率對(duì)應(yīng)值；

2）Tavg與Tref之間產(chǎn)生偏差，402GD產(chǎn)生輸出，輸出值決定閥門開度；

3）控制棒下插，Tavg下降；

4）Tavg與Tref之間偏差減小，旁排閥門隨之關(guān)小，當(dāng)偏差小于3℃時(shí)旁排閥全關(guān)；

5）控制棒繼續(xù)調(diào)節(jié)Tavg，直到Tavg與Tref相等；

6）機(jī)組在當(dāng)前功率狀態(tài)下穩(wěn)定，瞬態(tài)結(jié)束；

7）操縱員復(fù)位C7A和C7B。

2.2 帶廠用電運(yùn)行

機(jī)組的500kV出線開關(guān)斷開，但汽輪發(fā)電機(jī)組未跳閘，最終功率整定值回路觸發(fā)，產(chǎn)生最終功率整定值，旁路排放系統(tǒng)響應(yīng)如下：

1）汽機(jī)入口壓力突降到廠用電功率對(duì)應(yīng)的壓力值；

2）Tavg與汽機(jī)入口壓力之間的偏差（402GD與403GD之和）決定旁路排放閥門的開度；

3）控制棒下插；

4）Tavg下降，402GD輸出減小，閥門逐漸關(guān)??；

5）當(dāng)Tavg與最終功率整定值對(duì)應(yīng)的Tref之間偏差小于3℃時(shí)，閥門保持固定開度，開度由403GD的輸出決定（一個(gè)固定開度）；

6）控制棒繼續(xù)下插，直到Tavg與最終功率整定值對(duì)應(yīng)的Tref相等；

7）機(jī)組在當(dāng)前狀態(tài)下穩(wěn)定，瞬態(tài)結(jié)束；

8）操縱員將控制棒置于手動(dòng)，再將GCT-C切換到壓力模式，降功率穩(wěn)定后等候重新并網(wǎng)。

2.3 汽機(jī)脫扣而反應(yīng)堆未緊急停堆

下列情況下汽機(jī)脫扣C8將導(dǎo)致反應(yīng)堆緊急停堆：

凝汽器不可用■，并伴隨有核功率大于30% Pn（P16信號(hào)），則反應(yīng)堆緊急停堆；

有P16信號(hào)，如果同時(shí)出現(xiàn)下列情況之一，則延時(shí)1s后，反應(yīng)堆緊急停堆：

1）2組閥的閉鎖信號(hào)存在；

2）第3組閥的閉鎖信號(hào)存在，且甩負(fù)荷大于50% Pn；

3）任一手動(dòng)隔離閥非全開；

4）無(wú)控制信號(hào)（Tavg-Tref+△T>1.75℃不存在）。

否則，汽機(jī)脫扣時(shí)并不引起反應(yīng)堆緊急停堆。汽機(jī)脫扣而沒有引起反應(yīng)堆緊急停堆與帶廠用電運(yùn)行時(shí)的情況類似，在瞬態(tài)過程穩(wěn)定后，同樣需要將控制棒切換到手動(dòng)，然后將GCT-C切換到壓力模式，然后等待汽機(jī)重新啟動(dòng)。

2.4 反應(yīng)堆緊急停堆（P4）

反應(yīng)堆緊急停堆將引起汽機(jī)脫扣而使蒸汽發(fā)生器壓力升高。如果凝汽器是可用的，GCT動(dòng)作就可以避免蒸汽發(fā)生器安全閥的動(dòng)作。反應(yīng)堆緊急停堆引起GCT的排放是由冷卻劑平均溫度與控制回路產(chǎn)生的零負(fù)荷時(shí)的參考溫度Tref.0之差來(lái)控制的，隨著Tavg的逐步下降，閥門開度也逐步減小。在緊急停堆時(shí)，為防止一回路過冷而使安注動(dòng)作，閉鎖第3組閥開啟。

GCT壓力模式下控制一般用于低負(fù)荷，此時(shí)，GCT只根據(jù)實(shí)測(cè)母管壓力與整定壓力之差來(lái)控制GCT閥門的開啟，壓力模式下無(wú)快開信號(hào)。

3 滿功率停機(jī)不停堆，GCT121VV未正常開啟時(shí)系統(tǒng)的響應(yīng)分析

初始工況：機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行

事故情況：汽機(jī)跳閘，反應(yīng)堆未停堆

疊加故障：GCT121VV故障未能開啟。

3.1 平均溫度整定值Tref生成

汽機(jī)跳閘，C8信號(hào)觸發(fā)，由于機(jī)組最初為滿功率運(yùn)行，根據(jù)最終功率整定值生成邏輯，可知，最終功率整定值為20%Pn。在GCT-C的邏輯圖上，由于B列C8觸發(fā)，GRE406XR的輸出為0%Pn，最終功率整定值與0%Pn高選經(jīng)401GD生成Tref=294.64℃{（310-290.8）×20% +290.8=294.64}。可知在上面介紹的工況中，一回路平均溫度整定值Tref是定在294.64℃不變的。下面調(diào)節(jié)系統(tǒng)的響應(yīng)就是控制一回路平均溫度使之等于整定值。

3.2 GCT-C快開

在汽機(jī)跳閘的瞬態(tài)，Tavg=310℃，Tref=294.64℃，溫度修正信號(hào)△T=2.78℃，Tavg-Tref+△T=18.14℃，在沒有緊急停堆的溫度模式下，GCT-C第一二三組閥的快開定值分別為6℃、8.95℃、14.9℃，由此可知，汽機(jī)跳閘瞬態(tài)，GCT-C的三組閥將全部快開。同時(shí)由于一回路平均溫度大于其整定值，棒速驅(qū)動(dòng)信號(hào)Tavg-Tref+d（P1-P2）/dt≈15.36℃，可知，控制棒將以最大速度下插。在以上兩種調(diào)節(jié)系統(tǒng)的共同作用下，一回路平均溫度快速下降。當(dāng)Tavg-Tref+△T<14.9℃時(shí)，第三組閥的快開信號(hào)消失，6個(gè)GCT閥門關(guān)閉；當(dāng)Tavg-Tref+△T<8.95℃時(shí)，第二組閥的快開信號(hào)消失，3個(gè)閥門關(guān)閉；當(dāng)Tavg-Tref+△T<6℃時(shí)，第一組閥的快開信號(hào)消失，這時(shí)，GCT-C的總開度將取決于調(diào)節(jié)開啟信號(hào)。

3.3 GCT-C調(diào)節(jié)開啟

根據(jù)GCT-C的模擬圖，函數(shù)發(fā)生器410GD的作用為：將最終功率整定值與汽機(jī)入口壓力的功率偏差信號(hào)轉(zhuǎn)換成溫度修正信號(hào)。在上述工況中：最終功率整定值為20%Pn，B列C8信號(hào)引入的汽機(jī)入口壓力為0%Pn，偏差為20%Pn，所以2.78℃的溫度修正將恒定的送入403GD，產(chǎn)生19%的開度信號(hào)。只要滿足以下兩個(gè)條件，此開度要求將一直維持。

a）B列C8信號(hào)存在或GRE025MP的壓力信號(hào)為零；

b）最終功率整定值未被復(fù)位。

Tavg-Tref的偏差信號(hào)經(jīng)402GD轉(zhuǎn)換成開度信號(hào)，402GD與403GD的開度之和作為GCT-C閥門的總開度。在快開信號(hào)消失之后，GCT-C閥門變?yōu)檎{(diào)節(jié)開啟。第一組閥快開信號(hào)消失時(shí)Tavg-Tref+△T<6℃，所以Tavg-Tref<（6℃-2.78℃）=3.22℃，函數(shù)發(fā)生器402GD的輸出將小于（3.22-3）/（14.9-3） =1.85%，403GD恒定輸出19%的開度，所以快開信號(hào)消失后，第一組閥的調(diào)節(jié)開度將是20.85%。隨著一回路平均溫度的繼續(xù)下降，GCT-C的要求開度繼續(xù)減小。當(dāng)-3℃

此種狀態(tài)下的二回路總的負(fù)荷測(cè)算：GCT帶走的負(fù)荷：10.67%*105%=11.2%FP，除氧器及軸封用汽約6%FP，總負(fù)荷為17.2%FP，小于整定負(fù)荷（20%FP），必然會(huì)造成一回路過熱，這時(shí)棒控系統(tǒng)繼續(xù)動(dòng)作，控制棒在溫差信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下下插，由于超調(diào)，控制棒下插過度，最終將導(dǎo)致核功率小于15%Pn，C20信號(hào)出現(xiàn)，閉鎖控制棒的自動(dòng)提升。

調(diào)節(jié)系統(tǒng)自動(dòng)動(dòng)作，沒有手動(dòng)干預(yù)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)以下狀況：GCT-C閥門開度固定在10.67%，控制棒被閉鎖提升，核功率低于15%Pn?？梢钥闯鲞@時(shí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)失去自動(dòng)調(diào)節(jié)能力，由于一二回路功率不匹配，二回路負(fù)荷大于一回路核功率，一回路平均溫度將持續(xù)下降。

如果沒有手動(dòng)干預(yù)，Tavg將低于Tref，直至Tavg-Tref<-3℃，這時(shí)函數(shù)發(fā)生器402GD開始輸出一個(gè)負(fù)開度值，使得GCT-C閥門總開度變小，GCT113VV關(guān)小。當(dāng)P2（二回路功率）-3℃時(shí)，402GD的輸出重新變?yōu)榱?，GCT-C總開度恢復(fù)至10.67%，P2 > P1，Tavg下降，至Tavg-Tref<-3℃時(shí)，GCT-C再次關(guān)小，如此往復(fù)。402GD在-5℃時(shí)輸出-30%，可使GCT閥門全關(guān)，所以一回路溫度的控制下限為294.64-5=289.64℃，不會(huì)觸發(fā)一回路過冷信號(hào)P12。

最終的狀態(tài)是：一回路平均溫度維持在低于整定值3℃，即291.64℃上下波動(dòng)，GCT113VV頻繁開關(guān)（函數(shù)發(fā)生器402GD在-5℃～-3℃區(qū)間斜率很大，很小的溫度變化就會(huì)引起較大的輸出開度的變化），蒸汽流量大幅波動(dòng)，進(jìn)而使蒸汽發(fā)生器壓力和水位波動(dòng)；蒸汽流量的波動(dòng)也將引起一回路Tavg、穩(wěn)壓器壓力和水位的波動(dòng)。

3.4 故障處理

沒有手動(dòng)干預(yù)的情況，是一個(gè)不穩(wěn)定的工況。事實(shí)上在C20信號(hào)出現(xiàn)后，操縱員就應(yīng)該把控制棒打手動(dòng)，通過手動(dòng)改變棒位使一回路核功率與二回路負(fù)荷匹配，并最終使Tavg=Tref=294.64℃，避免GCT-C閥門頻繁動(dòng)作。

額外的故障風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)：GCT121VV故障不能開啟，但仍然存在意外開啟的可能，如果意外開啟，將瞬間引入8.33%的開度，導(dǎo)致一回路平均溫度、蒸發(fā)器水位大的波動(dòng)，極易引發(fā)停堆事件。為避免遭受此種大的瞬態(tài)，在機(jī)組狀態(tài)穩(wěn)定后，應(yīng)及時(shí)將GCT-C切至壓力模式，并降低反應(yīng)堆功率至P10以下。然后將GCT-C切至GCT-A控制。為檢查停機(jī)原因、處理GCT121VV故障提供安全窗口。

4 結(jié)語(yǔ)

GCT系統(tǒng)的存在使機(jī)組能夠應(yīng)對(duì)瞬態(tài)工況，并平穩(wěn)過渡到穩(wěn)定狀態(tài)。機(jī)組在100%Pn穩(wěn)定運(yùn)行，發(fā)生汽機(jī)跳閘而不停堆的瞬態(tài)時(shí)，控制系統(tǒng)的核心目標(biāo)是使Tavg=Tref，控制手段為GCT-C與RGL兩大調(diào)節(jié)系統(tǒng)。GCT-C在瞬態(tài)初期導(dǎo)出一回路過量的熱功率，過渡到穩(wěn)態(tài)時(shí)為一回路提供一個(gè)恒定的負(fù)荷（20%Pn）；RGL系統(tǒng)通過提升或下插控制棒，使一回路功率跟蹤二回路負(fù)荷，使得P1=P2，Tavg=Tref。穩(wěn)壓器水位與壓力、蒸發(fā)器水位與壓力的調(diào)節(jié)都要受到以上兩大調(diào)節(jié)系統(tǒng)的影響。如果疊加GCT121VV不能開啟故障，控制系統(tǒng)不能達(dá)到自穩(wěn)狀態(tài)，需要操縱員手動(dòng)干預(yù)。

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[責(zé)任編輯：田吉捷]