AP1000旁排系統(tǒng)調(diào)試經(jīng)驗(yàn)反饋

羅吉江(山東核電有限公司， 煙臺 265116)

AP1000機(jī)組常規(guī)島熱力系統(tǒng)采用單元制，機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷模式為承擔(dān)基本負(fù)荷。核電汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)又稱為旁路排放系統(tǒng)，簡稱旁排系統(tǒng)。AP1000機(jī)組采用一級大旁路形式，即通過旁排系統(tǒng)直接將主蒸汽排至凝汽器。旁排流量按額定工況主蒸汽流量的40%設(shè)計(jì)。在啟動初期和異常情況下，旁排系統(tǒng)將主蒸汽排至凝汽器，避免主蒸汽大氣釋放閥、主蒸汽安全閥和穩(wěn)壓器安全閥的動作。本文對旁排閥調(diào)試過程中產(chǎn)生的問題，如旁排閥控制對象錯(cuò)誤、定位器反饋單元異常及甩負(fù)荷時(shí)旁排閥控制異常等進(jìn)行了分析，并給出了應(yīng)對措施，為后續(xù)同類型機(jī)組的調(diào)試、運(yùn)行提供借鑒。

1 旁排系統(tǒng)的功能

汽輪機(jī)旁排系統(tǒng)是核電站不可或缺的重要組成部分之一，為機(jī)組的啟動、停運(yùn)、正常運(yùn)行和異常瞬態(tài)工況(如汽輪機(jī)跳閘、階梯負(fù)載降低或主蒸汽管道的隔離)提供蒸汽旁路，確保機(jī)組的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。旁排系統(tǒng)具有啟動機(jī)組、泄流、保證機(jī)組安全和實(shí)現(xiàn)機(jī)組特殊工況的功能。

1.1 配合機(jī)組的啟動

壓水堆核電汽輪機(jī)是飽和蒸汽汽輪機(jī)。為降低進(jìn)入汽輪機(jī)的蒸汽濕度，在啟動初期，機(jī)組隨著核島蒸汽壓力的升高而逐漸開啟旁排閥，使汽輪機(jī)進(jìn)汽管路得到充分的暖管。

常規(guī)火電機(jī)組旁排系統(tǒng)對于鍋爐蒸汽溫度與汽輪機(jī)金屬溫度的合理匹配起著至關(guān)重要的作用。而壓水堆核電汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)參數(shù)低，蒸汽溫度與汽輪機(jī)汽缸金屬溫度的匹配對旁排系統(tǒng)沒有要求，這一特點(diǎn)是其與常規(guī)火電旁路功能的最大區(qū)別之一。

1.2 配合機(jī)組的停運(yùn)和正常停堆

機(jī)組的停運(yùn)是啟動的逆過程，當(dāng)負(fù)荷下降到一定值時(shí)，旁排系統(tǒng)投入運(yùn)行，使汽輪機(jī)負(fù)荷與核島反應(yīng)堆功率的匹配。

旁排系統(tǒng)的余熱排出功能是核電機(jī)組所特有的。在核島停堆過程中，核電站需要有足夠的旁路容量和瞬態(tài)響應(yīng)能力，來保證反應(yīng)堆自動控制的穩(wěn)定運(yùn)行，并能夠?qū)崿F(xiàn)手動控制冷卻核反應(yīng)堆，最終將反應(yīng)堆冷卻到余熱排出系統(tǒng)投運(yùn)狀態(tài)。

1.3 確保機(jī)組的蒸汽品質(zhì)

旁排系統(tǒng)能夠提高汽水品質(zhì), 使蒸汽中的固體小顆粒通過旁排進(jìn)入凝汽器, 保證合格的蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)，從而防止汽輪機(jī)調(diào)速汽門、噴嘴及葉片受到硬質(zhì)顆粒的腐蝕。

1.4 溢流作用

溢流作用即協(xié)調(diào)汽輪機(jī)與核島間的不平衡蒸汽量。旁排系統(tǒng)容量和閥門操作響應(yīng)時(shí)間與反應(yīng)堆控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)相匹配，可以保證主蒸汽大氣釋放閥、穩(wěn)壓器或主蒸汽安全閥在以下工況不動作：反應(yīng)堆從100% 負(fù)荷跳堆；100%負(fù)荷下汽輪機(jī)跳閘，而反應(yīng)堆未停堆或甩負(fù)荷。

1.5 安全功能

旁排系統(tǒng)具有防止反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)過冷卻的功能，旁排系統(tǒng)在失去動力時(shí)將關(guān)閉旁排閥。旁排系統(tǒng)同時(shí)具有防止蒸汽發(fā)生器燒干的功能，當(dāng)蒸汽發(fā)生器寬量程水位低時(shí)，閉鎖旁排系統(tǒng)投入，關(guān)閉旁排閥。當(dāng)機(jī)組發(fā)生異常，比如出現(xiàn)核島反應(yīng)堆功率與汽輪機(jī)功率不匹配，或發(fā)生大于10%的負(fù)荷階躍或負(fù)荷變化率大于5%時(shí)，旁排系統(tǒng)與反應(yīng)堆控制系統(tǒng)共同動作，維持主蒸汽系統(tǒng)壓力穩(wěn)定，防止系統(tǒng)超壓。

1.6 實(shí)現(xiàn)停機(jī)不停堆及快速甩負(fù)荷(FCB)功能

FCB功能是指機(jī)組在電網(wǎng)故障時(shí)能快速減負(fù)荷并自動轉(zhuǎn)為只帶廠用電，作“孤島運(yùn)行”的功能。從理論上講,當(dāng)汽輪機(jī)凝結(jié)水及循環(huán)水等系統(tǒng)運(yùn)行正常時(shí), 選擇合適容量的旁排系統(tǒng)，能保證任何電負(fù)荷下將發(fā)電機(jī)解列而汽輪機(jī)不停機(jī)，或汽輪機(jī)停機(jī)不停堆，以及實(shí)現(xiàn)FCB功能。旁排系統(tǒng)的設(shè)計(jì)考慮了電網(wǎng)故障、發(fā)電機(jī)機(jī)組故障、機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)反應(yīng)堆單獨(dú)運(yùn)行的情況和帶廠用電運(yùn)行的情況。

1.7 回收工質(zhì)和熱量

旁排系統(tǒng)將從蒸汽發(fā)生器過來的蒸汽排放至凝汽器，回收機(jī)組的蒸汽，從而最大程度地減少機(jī)組在啟動、異常工況及停機(jī)時(shí)的工質(zhì)和熱量損失。

2 旁路排放系統(tǒng)配置

2.1 旁路排放系統(tǒng)布置

汽輪機(jī)旁排系統(tǒng)是從主蒸汽管道引出一個(gè)旁路，以可控的方式將蒸汽引入凝汽器,使反應(yīng)堆能夠在汽輪發(fā)電機(jī)負(fù)載瞬態(tài)大幅度變化后仍然保持運(yùn)行，并能夠獨(dú)立于汽輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行。旁路排放系統(tǒng)由6個(gè)蒸汽旁排閥及與主蒸汽、凝汽器相連接的管道組成，每個(gè)凝汽器與兩個(gè)旁排閥相連接，布置在凝汽器循環(huán)水出水側(cè)的7.5 m平臺,如圖1所示。

圖1 旁排系統(tǒng)簡圖

旁路排放系統(tǒng)在進(jìn)入凝汽器內(nèi)部管路設(shè)置了消能裝置——雙層多孔管，防止旁路蒸汽直接沖擊凝汽器管束，并且在凝汽器的受沖擊區(qū)域采用0.7 mm厚的管子。

為防止進(jìn)入凝汽器的旁排熱蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)，在每個(gè)旁排系統(tǒng)的消能裝置正上方布置了水幕噴水，以達(dá)到對進(jìn)入凝汽器的高溫蒸汽降溫的目的。減溫水來自機(jī)組的凝結(jié)水系統(tǒng)。

為避免汽輪機(jī)旁排系統(tǒng)在投運(yùn)時(shí)發(fā)生振動，AP1000旁排系統(tǒng)將控制閥布置在靠近凝汽器的位置，閥門至凝汽器的管道長度僅有5～6 m。另外在旁排閥前的管道上設(shè)置帶疏水罐并聯(lián)氣動疏水閥的疏水系統(tǒng)，使旁排系統(tǒng)在運(yùn)行中保持在熱備用狀態(tài), 避免對旁路的熱沖擊。

2.2 技術(shù)參數(shù)[1]

旁排系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)詳見表1。

表1 旁排系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)

3 旁排系統(tǒng)調(diào)試

3.1 旁排閥的冷態(tài)調(diào)試

旁排閥是氣動調(diào)節(jié)閥，冷態(tài)調(diào)試主要包括就地和遠(yuǎn)方的開關(guān)試驗(yàn)、閥門行程試驗(yàn)。旁排閥的快開、快關(guān)時(shí)間測量滿足設(shè)計(jì)要求。詳見表2。

表2 旁排閥快開、快關(guān)時(shí)間記錄表

3.2 旁排吹掃

在熱試期間，機(jī)組一回路冷卻劑系統(tǒng)處于正常壓力(NOP)、正常溫度(NOT)平臺，利用蒸汽發(fā)生器的蓄熱和主蒸汽管道存汽，通過瞬間開啟旁排閥的方法對主蒸汽管道進(jìn)行爆破式吹掃，清除主蒸汽管道殘存的雜質(zhì)，提高常規(guī)島側(cè)的蒸汽品質(zhì)，為后續(xù)旁排閥正常投運(yùn)及汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)創(chuàng)造條件。

使用快速開啟單個(gè)旁排閥爆破式吹掃的方式，開啟6臺旁排閥逐臺進(jìn)行吹掃，每個(gè)旁排閥至少吹掃三次，開度分別為70%、100%、快開100%。吹掃過程中將反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)(RCS)的溫度控制在不低于280 ℃的水平。當(dāng)RCS溫度接近282 ℃時(shí)關(guān)閉旁排閥，停止吹掃。

每次吹掃前后取凝結(jié)水進(jìn)行濁度和鐵離子化驗(yàn)，依據(jù)化驗(yàn)情況判斷，如果吹掃結(jié)果不理想，以吹掃前后凝結(jié)水中鐵離子增加不超過500ug/L為目標(biāo)，不達(dá)標(biāo)則增加吹掃次數(shù)。

3.3 旁排閥的熱態(tài)調(diào)試

機(jī)組熱試期間，逐一對旁排閥進(jìn)行0%、25%、50%、75%及100%開關(guān)試驗(yàn)，檢驗(yàn)旁排閥動作響應(yīng)特性是否正常。

啟動試驗(yàn)階段，利用手動升降反應(yīng)堆功率的方式來檢驗(yàn)旁排閥在平均溫度模式和蒸汽壓力控制模式下的調(diào)節(jié)響應(yīng)特性，必要時(shí)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

4 旁排系統(tǒng)調(diào)試經(jīng)驗(yàn)反饋

4.1 旁排閥控制對象相反問題

4.1.1 過程描述

某機(jī)組處于熱試階段，一回路溫度232.2 ℃，壓力11.2 MPa，主蒸汽處于暖管階段。操作旁排閥V01C、V02C時(shí)，控制動作正好相反，控制V01C動作時(shí)，V02C動作，控制V02C動作時(shí)，V01C動作。現(xiàn)場進(jìn)行檢查，確認(rèn)同一管道旁排閥動作正好相反，共涉及旁排閥V01A、V02A， V01B、V02B，及V01C、V02C六個(gè)旁排閥。

4.1.2 原因分析

乳制品中藥物殘留和環(huán)境污染的問題已經(jīng)拉響我國奶源安全的警報(bào)。多氯聯(lián)苯和有機(jī)氯農(nóng)藥是國際環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域十分關(guān)注的持久性有機(jī)污染物。此類化合物具有親脂性和半揮發(fā)性，難以被生物降解，可通過食物、水、大氣和土壤等環(huán)境介質(zhì)與包括人類在內(nèi)的環(huán)境生物體系接觸，對生態(tài)環(huán)境和人類的健康帶來潛在的危害，因此建立多氯聯(lián)苯和有機(jī)氯農(nóng)藥殘留的檢測方法對于保證乳制品的質(zhì)量十分重要。

經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，2號常規(guī)島廠家供貨的閥門上的兩個(gè)銘牌不一致，而且閥門布置的ISO圖和PI&D圖不一致。以上是導(dǎo)致旁排閥接線錯(cuò)誤的主要原因，而安裝人員沒有仔細(xì)核對，則是旁排閥接線錯(cuò)誤的又一原因。

4.1.3 應(yīng)對措施

閥門及控制柜的規(guī)格型號均一致，無差別，可以互用。按照主蒸汽系統(tǒng)PI&D圖所示的閥門以及儀控設(shè)備布置要求，在現(xiàn)場將同一旁路管道上的兩個(gè)旁排閥的電磁閥電源電纜以及溫度、限位開關(guān)和閥門的儀控電纜進(jìn)行對調(diào)修改，以消除故障。

4.2 旁排閥定位器反饋單元異常

4.2.1 問題描述及分析

旁排閥V01A定位器反饋單元固定板發(fā)生螺栓斷裂、手輪脫落，并產(chǎn)生閥位偏差而報(bào)警。旁排閥閥門開度在80%以上時(shí)，閥門振動劇烈，長時(shí)間投運(yùn)導(dǎo)致上述問題。機(jī)組啟動初期，6個(gè)旁排閥接受旁排指令按順序逐個(gè)開啟，旁排投運(yùn)后先開啟旁排閥V01A，此閥保持長期運(yùn)行，直至機(jī)組并網(wǎng)后，旁排閥逐漸關(guān)閉。

4.2.2 應(yīng)對措施

更改閥門定位器，將原來機(jī)械式連接的定位器更換為磁條式非接觸式定位器，更換對象是經(jīng)常使用的V01A、V01B、V01C三臺閥門。改造效果良好，避免了因閥門振動導(dǎo)致的指令與反饋偏差大的問題。

4.3 蒸汽發(fā)生器(SG)液位出現(xiàn)波動

4.3.1 問題描述

機(jī)組由30%負(fù)荷進(jìn)行甩負(fù)荷后，旁排閥V01A、B、C全開，V02A、B開18%，V02C未動作，主蒸汽母管壓力由初始的6.765 MPa升高，最高升至7.012 MPa，甩負(fù)荷后旁排閥V01A、B、C和V02A的閥位出現(xiàn)波動，并呈現(xiàn)發(fā)散現(xiàn)象；汽輪機(jī)旁排閥預(yù)期動作正常，但是動作開始約500 s過程中震蕩較大。旁排閥V01A、B動作情況詳見圖2。

圖2 30%甩負(fù)荷后旁排閥V01A、B動作情況

4.3.2 原因分析

汽輪機(jī)旁排閥有3種控制模式，即平均溫度控制模式、蒸汽壓力控制模式、蒸汽排放堵塞模式。平均溫度控制模式下，系統(tǒng)具有0%至100%功率范圍內(nèi)自動控制旁排閥的能力。該模式下蒸汽排放量由反應(yīng)堆冷卻劑平均溫度測量值TAVG與參考平均溫度TREF的差值計(jì)算得到。這種模式主要用于運(yùn)行瞬態(tài)需要蒸汽排放的情況[2]。

機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，旁排閥為溫度控制模式，汽輪機(jī)由30%負(fù)荷進(jìn)行甩負(fù)荷后，甩負(fù)荷控制器控制旁排閥的動作，從而控制蒸汽排放量，TAVG-TREF在甩負(fù)荷后最高升至6.17 ℃。由于旁排閥閥位出現(xiàn)波動，TAVG和TREF數(shù)值分別在3.7 ℃、3.96 ℃和2.88 ℃、2.06 ℃之間震蕩，并呈現(xiàn)發(fā)散現(xiàn)象。由于旁排閥開度出現(xiàn)震蕩發(fā)散，導(dǎo)致SG液位和主蒸汽壓力也出現(xiàn)震蕩發(fā)散。將旁排閥控制方式由溫度控制切換至壓力控制后，震蕩消失。

4.3.3 應(yīng)對措施

在旁排控制邏輯LEAD/LAG模塊中，將旁排閥動作延遲時(shí)間由6 s修改為4 s，后續(xù)機(jī)組甩負(fù)荷試驗(yàn)時(shí)未出現(xiàn)旁排閥控制發(fā)散問題。反應(yīng)堆功率低于額定功率的20%后，及時(shí)將旁排閥控制方式由溫度控制切換至壓力控制，這樣能夠避免旁排閥低功率下溫度控制模式開度不穩(wěn)定的問題，避免影響主蒸汽壓力和SG液位的穩(wěn)定。

4.4 旁排減溫水管道振動

4.4.1 問題描述

機(jī)組在熱試期間，一臺凝結(jié)水泵運(yùn)行，凝結(jié)水母管壓力為2.79 MPa，汽輪機(jī)軸封系統(tǒng)投運(yùn)，凝汽器真空為-95.6 kPa，旁排系統(tǒng)投運(yùn)，旁排水幕噴水投運(yùn)。檢查發(fā)現(xiàn)旁排水幕噴水控制閥前后管道振動大，在旁排水幕噴水控制閥到旁排的減溫水管線垂直管段振動最大，南北方向?yàn)?46.7 mm/s，東西方向?yàn)?0.5 mm/s，其他振動數(shù)據(jù)詳見表3。

4.4.2 原因分析

表3 旁排水幕噴水管道振動情況表

旁排水幕噴水控制閥為開關(guān)型閥門， 無調(diào)節(jié)功能，根據(jù)廠家提供的減溫水流量對該閥門進(jìn)行整定，然后固定閥門開度。對旁排水幕噴水管線及控制閥進(jìn)行檢查， 發(fā)現(xiàn)旁排水幕噴水管線的部分支吊架松動，其噴水控制閥開度由之前整定的約50%變?yōu)楫?dāng)前的100%全開狀態(tài)。初步分析認(rèn)為旁排水幕噴水管線振動大原因主要有兩點(diǎn)：一是管道支吊架松動，二是旁排水幕噴水管線超流量工作。

4.4.3 應(yīng)對措施

對松動的支吊架進(jìn)行調(diào)整，恢復(fù)正常狀態(tài)，管道振動有所降低，但是無明顯改善；重新對旁排水幕噴水控制閥開度進(jìn)行整定，旁排水幕噴水管線振動滿足要求[3]，振動數(shù)據(jù)詳見表3。

為避免旁排水幕噴水控制閥開度出現(xiàn)變化和閥門檢修后的重新整定，在減溫水管道加裝節(jié)流孔板，將旁排水幕噴水控制閥保持全開。

5 結(jié) 論

旁排系統(tǒng)是機(jī)組重要的組成部分，AP1000旁排系統(tǒng)經(jīng)過啟動試驗(yàn)的驗(yàn)證，在機(jī)組啟動、甩負(fù)荷等工況下旁排閥動作響應(yīng)正常，能夠滿足機(jī)組連續(xù)安全運(yùn)行的要求。本文對AP1000旁排系統(tǒng)的特點(diǎn)、調(diào)試及調(diào)試過程中出現(xiàn)的問題進(jìn)行了總結(jié)分析，可為后續(xù)核電機(jī)組旁排系統(tǒng)在設(shè)計(jì)、調(diào)試及運(yùn)行方面提供經(jīng)驗(yàn)。