核電廠100%功率甩負(fù)荷至廠用電試驗(yàn)分析

□高 賡

甩負(fù)荷到廠用電試驗(yàn)是核電站調(diào)試階段非常重要的一項(xiàng)綜合性試驗(yàn)，其目的是在機(jī)組轉(zhuǎn)入孤島運(yùn)行的瞬態(tài)過程中，驗(yàn)證一二回路各主輔系統(tǒng)設(shè)備協(xié)調(diào)工作的能力；驗(yàn)證各主要調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)性能，并獲取試驗(yàn)數(shù)據(jù)以修改、整定主要調(diào)節(jié)器參數(shù)；根據(jù)汽輪發(fā)電機(jī)組帶廠用電運(yùn)行時(shí)供電頻率和電壓的變化情況以驗(yàn)證廠用電供電可靠性。由于該試驗(yàn)失敗可能導(dǎo)致機(jī)組切換至備用電源供電甚至失去所有廠外電源，因此該項(xiàng)試驗(yàn)一般都置于調(diào)試階段后期進(jìn)行，通過前面一系列的試驗(yàn)盡可能地找出可能影響該試驗(yàn)的缺陷加以消除，對(duì)主要調(diào)節(jié)器的性能進(jìn)行優(yōu)化，保證試驗(yàn)順利實(shí)施。

一、核電機(jī)組正常運(yùn)行方式簡述

正常功率運(yùn)行時(shí)，該核電廠有兩種運(yùn)行模式，模式“N”：基本模式或基本負(fù)荷運(yùn)行模式，機(jī)跟堆運(yùn)行模式；模式“T”：調(diào)節(jié)模式或負(fù)荷跟蹤運(yùn)行模式，堆跟機(jī)運(yùn)行模式；負(fù)荷控制由兩個(gè)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)：反應(yīng)堆功率控制系統(tǒng)(APC)和汽輪機(jī)電液調(diào)節(jié)和保護(hù)系統(tǒng)(DEH)。另外，二回路設(shè)置有蒸汽旁路排放系統(tǒng)，作用是在二回路突然甩負(fù)荷時(shí)可通過將蒸汽旁路汽輪機(jī)直接排入凝汽器以防止主蒸汽集管壓力不可控升高而導(dǎo)致蒸汽發(fā)生器大氣釋放閥或安全閥動(dòng)作，正常該系統(tǒng)處于備用狀態(tài)。

二、試驗(yàn)先決條件

(一)組織準(zhǔn)備。試驗(yàn)前對(duì)所有參與試驗(yàn)人員已進(jìn)行安全和技術(shù)交底，參與試驗(yàn)的人員與配置符合要求；參加試驗(yàn)人員提前準(zhǔn)備好便攜式照明工具及其它個(gè)人防護(hù)用品；確認(rèn)試驗(yàn)區(qū)域通訊系統(tǒng)、應(yīng)急照明可用；確認(rèn)可能因?yàn)樵囼?yàn)導(dǎo)致?lián)p壞或數(shù)據(jù)丟失的系統(tǒng)和設(shè)備已退出或已采取有效控制措施；確認(rèn)消防車、醫(yī)療救護(hù)車已提前在指定地點(diǎn)待命；少一臺(tái)輔助鍋爐處于熱備用狀態(tài)或者可從相鄰機(jī)組供應(yīng)輔助蒸汽。

(二)機(jī)組狀態(tài)準(zhǔn)備。機(jī)組出線兩側(cè)500KV開關(guān)同期裝置的試驗(yàn)已完成；備用電源處于可用狀態(tài)；可靠段及應(yīng)急段母線上的柴油機(jī)處于熱備用狀態(tài)；安全系統(tǒng)處于備用工況；一回路容積及硼控系統(tǒng)泵全部可用且系統(tǒng)除氣儲(chǔ)箱里有足夠的一回路冷卻劑已補(bǔ)償功率變化引起的一回路液位變化量；對(duì)于可能因全廠斷電事故而造成的安全殼誤噴淋和蒸汽發(fā)生器應(yīng)急給水誤注入的風(fēng)險(xiǎn)，已采取有效措施得以消除；汽輪機(jī)相關(guān)停機(jī)試驗(yàn)已完成；汽輪發(fā)電機(jī)相關(guān)油系統(tǒng)的直流油泵可用；二回路旁路排放系統(tǒng)系統(tǒng)可用，蒸汽發(fā)生器大氣釋放閥可用，二回路各調(diào)節(jié)器工作正常；儀控相關(guān)系統(tǒng)運(yùn)行正常；為應(yīng)對(duì)可能發(fā)生的全廠斷電事故，其他相關(guān)安措已經(jīng)完成，如：廢水接收系統(tǒng)和地坑液位保持在下限，供電母線及負(fù)荷的控制電源已轉(zhuǎn)由不間斷電源供電，停運(yùn)不需連續(xù)運(yùn)行系統(tǒng)的輔助加熱蒸汽等。

三、試驗(yàn)過程及數(shù)據(jù)分析

(一)試驗(yàn)過程。試驗(yàn)當(dāng)日07:10分，拉開最后一個(gè)500kV開關(guān)后，機(jī)組轉(zhuǎn)孤島運(yùn)行。反應(yīng)堆根據(jù)主變高壓側(cè)開關(guān)斷開信號(hào)觸發(fā)快速預(yù)保護(hù)和反應(yīng)堆功率限制動(dòng)作，快速預(yù)保護(hù)動(dòng)作后核功率迅速降至52.5%左右，隨后功率限制系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)棒組繼續(xù)降低反應(yīng)堆功率至40%以下，動(dòng)作結(jié)束后反應(yīng)堆功率控制系統(tǒng)(APC)投入N模式維持當(dāng)前功率。汽輪機(jī)根據(jù)超速預(yù)保護(hù)信號(hào)(OPC)關(guān)閉高壓主調(diào)門和低壓主調(diào)門，待轉(zhuǎn)速降低后逐漸打開高低壓主調(diào)門，汽輪機(jī)電液調(diào)節(jié)和保護(hù)系統(tǒng)DEH投入自動(dòng)并維持汽機(jī)轉(zhuǎn)速，蒸汽旁路排放系統(tǒng)根據(jù)甩負(fù)荷信號(hào)打開以維持主蒸汽集管壓力6.27MPa，機(jī)組進(jìn)入孤島運(yùn)行狀態(tài)后機(jī)組各主要性能參數(shù)趨于穩(wěn)定，試驗(yàn)結(jié)束。07:24通過500kV同期裝置并入電網(wǎng)。接著提升汽輪機(jī)功率至蒸汽旁路排放系統(tǒng)閥門關(guān)閉，隨后按照計(jì)劃繼續(xù)提升功率。

(一)數(shù)據(jù)分析。

1.反應(yīng)堆功率。在接收500kV開關(guān)斷開信號(hào)后，快速預(yù)保護(hù)動(dòng)作，核功率迅速降至52.3%，隨后因?yàn)楣β守?fù)反饋核功率回升至56.8%左右，由于500kV開關(guān)斷開信號(hào)存在，限制核功率在40%以下，故功率限制系統(tǒng)繼續(xù)通過調(diào)節(jié)棒組降低核功率至40%，降功率速率約為0.36%/s。限功率信號(hào)消失后反應(yīng)堆功率控制系統(tǒng)(APC)自動(dòng)投入N模式，維持當(dāng)前功率。熱功率下降速度比核功率略慢，經(jīng)過300秒后基本保持與核功率相當(dāng)。瞬態(tài)過程中，反應(yīng)堆功率限制系統(tǒng)正確動(dòng)作，滿足設(shè)計(jì)要求。

2.一回路壓力。由于反應(yīng)堆快速預(yù)保護(hù)動(dòng)作使反應(yīng)堆功率快速下降，一回路壓力跟隨反應(yīng)堆功率下降而開始減低，下降的過程中由于功率負(fù)反饋和一回路穩(wěn)壓系統(tǒng)電加熱器的投入而短暫回升一點(diǎn)，之后繼續(xù)下降。最低15.31MPa，約600秒后基本回到額定壓力。瞬態(tài)過程中，一回路壓力相關(guān)聯(lián)鎖邏輯正確動(dòng)作，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.一回路穩(wěn)壓系統(tǒng)儲(chǔ)罐(穩(wěn)壓器)液位。由于反應(yīng)堆快速預(yù)保護(hù)動(dòng)作反應(yīng)堆功率迅速下降一回路被冷卻收縮穩(wěn)壓器液位在試驗(yàn)開始后就快速下降。最低6.39m，約80秒后液位開始逐漸回升，期間一回路容積及硼控系統(tǒng)備用小泵根據(jù)根據(jù)液位偏差自動(dòng)啟動(dòng)向一回路補(bǔ)水。瞬態(tài)過程中，穩(wěn)壓器液位相關(guān)聯(lián)鎖邏輯正確動(dòng)作，滿足設(shè)計(jì)要求。

4.蒸汽發(fā)生器液位。瞬態(tài)過程中四臺(tái)蒸汽發(fā)生器液位變化趨勢基本一致。開始階段，核功率下降使主冷卻劑泵的載熱量降低，蒸汽發(fā)生器給水調(diào)節(jié)閥從73%迅速關(guān)閉至55%，期間蒸汽發(fā)生器液位略有下降，給水調(diào)節(jié)閥動(dòng)作正常。隨著主蒸汽集管壓力升高，蒸汽發(fā)生器液位開始下降，期間給水調(diào)節(jié)閥根據(jù)液位略有波動(dòng)，經(jīng)過2分鐘的周期性振蕩后蒸汽發(fā)生器液位恢復(fù)穩(wěn)定。

5.汽機(jī)轉(zhuǎn)速變化。斷開最后一個(gè)500KV開關(guān)后第1秒高壓主調(diào)閥和再熱主調(diào)閥全部關(guān)閉，第3秒汽機(jī)轉(zhuǎn)速上升到最高1544rpm，第5秒后轉(zhuǎn)速就開始下降，同時(shí)再熱主調(diào)閥開始打開，隨后2號(hào)高壓主調(diào)閥開始緩慢開啟，第58秒其他高壓主調(diào)閥開始緩慢開啟，轉(zhuǎn)速在第60秒降到最低點(diǎn)1492rpm，最后穩(wěn)定在1496rpm。操縱員手動(dòng)修改轉(zhuǎn)速定值為1503rpm，實(shí)際轉(zhuǎn)速即恢復(fù)額定值1500rpm。

6.主蒸汽集管壓力。試驗(yàn)初始階段，超速預(yù)保護(hù)OPC的動(dòng)作導(dǎo)致主蒸汽集管壓力迅速上升，在第1秒時(shí)所有旁路排放系統(tǒng)閥門根據(jù)汽輪機(jī)甩負(fù)荷信號(hào)投入自動(dòng)并觸發(fā)快開動(dòng)作，所有旁路排放系統(tǒng)閥門均已全開，第7秒快開動(dòng)作結(jié)束，旁路排放系統(tǒng)進(jìn)入調(diào)節(jié)模式并逐漸回關(guān)到40%左右，但實(shí)際的主蒸汽集管壓力仍在上升中，經(jīng)過3秒后旁路排放系統(tǒng)閥門又開始逐漸開大，第14秒主蒸汽集管壓力達(dá)到最高值6.54MPa，第18秒時(shí)所有旁路排放系統(tǒng)再次到達(dá)全開，此次全開為正常根據(jù)壓力調(diào)節(jié)全開，非快開動(dòng)作，之后慢慢跟隨主蒸汽集管壓力的下降最終維持在6.27MPa；瞬態(tài)過程中主蒸汽集管最高壓力為6.517MPa。

7.除氧器的壓力和液位。凝結(jié)水出口壓力和流量根據(jù)降功率過程變化動(dòng)作正常；試驗(yàn)過程中汽輪機(jī)熱力機(jī)械參數(shù)均正常，沒有超出報(bào)警限值；試驗(yàn)期間汽輪機(jī)最大軸承振動(dòng)是30MKD12CY003，最大轉(zhuǎn)子振動(dòng)30MAD02CY001，相比正常運(yùn)行期間無較大變化。

四、核電廠在孤島運(yùn)行模式下應(yīng)注意的問題

(一)當(dāng)汽輪機(jī)甩負(fù)荷至孤島運(yùn)行時(shí)，廠用電負(fù)荷設(shè)定值與負(fù)荷實(shí)際值存在偏差。目前汽輪機(jī)電液調(diào)節(jié)和保護(hù)系統(tǒng)(DEH)邏輯的設(shè)計(jì)中，當(dāng)汽輪機(jī)甩負(fù)荷至孤島運(yùn)行時(shí)，汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)進(jìn)入一種特殊的模式：轉(zhuǎn)速模式下的負(fù)荷控制方式，負(fù)荷設(shè)定值自動(dòng)設(shè)置為0，仿真機(jī)模擬廠用電負(fù)荷為90MW，負(fù)荷設(shè)定值和負(fù)荷實(shí)際值之間存在偏差。根據(jù)轉(zhuǎn)速不等率計(jì)算，此時(shí)負(fù)荷偏差對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速偏差為5rpm。DEH邏輯中負(fù)荷和轉(zhuǎn)速共用一個(gè)PI調(diào)節(jié)器，由于負(fù)荷存在偏差，因此實(shí)際轉(zhuǎn)速只能維持在1495rpm，此時(shí)需要操縱員手動(dòng)將轉(zhuǎn)速設(shè)定值從1500rpm修改為1505rpm，這樣實(shí)際轉(zhuǎn)速才能保持1500rpm。另外，孤島運(yùn)行重新并網(wǎng)后，需要操縱員通過控制畫面上的操作按鈕手段將轉(zhuǎn)速模式切換至負(fù)荷控制模式。對(duì)于目前的控制邏輯，在孤島運(yùn)行期間，隨著部分設(shè)備的啟停，負(fù)荷將出現(xiàn)波動(dòng)，如果汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速不能自動(dòng)調(diào)節(jié)，并維持在額定頻率，由此引起的頻率變化將會(huì)對(duì)核島一些重要設(shè)備造成影響。所以，整個(gè)孤島期間，在無需操縱員的干預(yù)下，汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速應(yīng)能維持在1500rpm，同時(shí)在廠用電負(fù)荷發(fā)生波動(dòng)時(shí)，且無操縱員干預(yù)的情況下，汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速應(yīng)自動(dòng)調(diào)節(jié)到額定頻率。同時(shí)，在并網(wǎng)后DEH也應(yīng)自動(dòng)切換至負(fù)荷模式。故建議在孤島運(yùn)行時(shí)，將廠用電時(shí)的負(fù)荷設(shè)定值改為跟蹤實(shí)際負(fù)荷，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速自動(dòng)維持1500rpm，同時(shí)并網(wǎng)后設(shè)置延時(shí)自動(dòng)切換控制模式。

(二)汽輪發(fā)電機(jī)組孤島運(yùn)行時(shí)間。汽輪發(fā)電機(jī)組孤島運(yùn)行時(shí)間應(yīng)該是汽輪發(fā)電機(jī)組的一項(xiàng)性能指標(biāo)，允許時(shí)間越長，對(duì)核安全越有利。當(dāng)然這還與孤島運(yùn)行所帶的廠用電負(fù)荷及核島蒸汽流量有一定的關(guān)系。該核電機(jī)組孤島運(yùn)行所帶的廠用電負(fù)荷初步估計(jì)為60MW，孤島運(yùn)行時(shí)由核島提供的蒸汽流量約為額定功率時(shí)的40%，允許通過蒸汽旁路排放系統(tǒng)將多余蒸汽直接排至冷凝器。但讓汽輪發(fā)電機(jī)長時(shí)間保持在很低的功率運(yùn)行，汽輪機(jī)的鼓風(fēng)作用太小，對(duì)汽輪機(jī)末級(jí)葉片的性能指標(biāo)是一個(gè)考驗(yàn)，另外，長時(shí)間將30%功率左右的新蒸汽通過旁路排入凝汽器，對(duì)凝汽器鈦管形成持續(xù)沖刷，對(duì)其使用壽命也會(huì)產(chǎn)生一定影響。