海外華龍一號首堆蒸汽旁排閥響應延遲的分析及優(yōu)化方案

戴永扇，趙 旸，李 捷，何海洋

（中核核電運行管理有限公司 對外服務處，浙江 嘉興 314300）

0 引言

巴基斯坦卡拉奇K2機組是目前海外第一臺華龍一號堆型，反應堆熱功率3050MW，電功率1145MW。K2機組于2015年8月20日開工建設，2021年5月20日移交巴方。

RRC57帶廠用電試驗在機組啟動至50%FP、100%FP功率平臺時執(zhí)行，從機組所在功率平臺人為斷開500KV電網(wǎng)斷路器，機組自動甩負荷至帶廠用電負荷，檢驗試驗過程中電廠控制系統(tǒng)維持或恢復主要參數(shù)在它們正常運行范圍內的能力[1]。

50%FP平臺機組甩負荷至帶廠用電期間，多余的蒸汽由TSC汽輪機蒸汽旁路系統(tǒng)排入凝汽器，帶走一回路的熱量。因甩負荷時間短，若蒸汽旁排閥響應速度慢，二回路熱量不能及時排走，一回路溫度壓力將迅速上升，嚴重時將導致機組停機停堆。因此，蒸汽旁排閥的響應速度對機組應對瞬態(tài)十分重要。

1 K2機組汽機旁路系統(tǒng)

機組功率運行期間，發(fā)生停機或甩負荷時，堆芯提供的功率與汽輪機負荷之間會出現(xiàn)不平衡[2]。由于控制棒調節(jié)能力有限，當負荷變化幅度超過10%額定負荷時，需要TSC汽輪機蒸汽旁路系統(tǒng)立即投入運行，為反應堆提供一個“負荷”，從而避免核蒸汽供應系統(tǒng)（NSSS）中溫度和壓力超過保護閾值，確保核電站的安全[3]。

汽輪機蒸汽旁路系統(tǒng)的排放容量設計為滿功率運行時，能將蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生的85%蒸汽量排向凝汽器。

汽輪機蒸汽旁路系統(tǒng)共設置了12個蒸汽旁排閥，分成3組。第1組包括3個蒸汽旁排閥（TSC121VV、TSC117VV、TSC113VV），排 放 容 量 為21.25%額 定蒸汽容量；第2組包括3個蒸汽旁排閥（TSC115VV、TSC119VV、TSC123VV），排 放 容 量 為21.25%額 定蒸汽容量；第3組包括6個蒸汽旁排閥（TSC114VV、TSC122VV、TSC124VV、TSC116VV、TSC118VV、TSC120VV），排放容量為42.5%額定蒸汽容量。

TSC蒸汽旁排閥開啟方式有兩種：調制開啟和快速開啟。調制開啟是指閥門根據(jù)DCS控制指令的大小等比例開啟；快速開啟是指收到快開信號后，閥門快速全開。第1組排放閥調制開啟時，根據(jù)開啟指令大小，121VV、117VV、113VV按順序開啟；快速開啟時，整組同時開啟。第2組、第3組調制開啟和快速開啟，都是整組閥門同時開啟。

汽輪機蒸汽旁路系統(tǒng)有兩種控制模式，溫度模式與壓力模式。溫度模式下，蒸汽旁排閥開啟信號正比于反應堆冷卻劑平均溫度最大值與由汽機負荷整定的冷卻劑參考溫度之差；壓力模式下，維持蒸汽母管壓力接近于給定的設定值[4]。K2機組功率超過25%FP時，汽輪機蒸汽旁路系統(tǒng)由壓力模式切換至溫度模式。

RRC57試驗過程中，TSC汽輪機蒸汽旁路系統(tǒng)工作在溫度模式。溫度模式下，汽輪機蒸汽旁路系統(tǒng)控制有3℃死區(qū)，即反應堆冷卻劑溫度與由汽機負荷整定的冷卻劑參考溫度之差小于3℃時，TSC蒸汽旁排閥不動作，由溫度調節(jié)棒R棒控制平衡一二回路功率。在沒有緊急停堆信號時，溫差超過6℃，產(chǎn)生第1組閥快開信號；溫差超過8.95℃，產(chǎn)生第2組閥快開信號；溫差超過14.9℃，產(chǎn)生第3組閥快開信號。

2 K2機組50%FP甩負荷至廠用電停堆過程及原因分析

2.1 50%FP甩負荷至帶廠用電試驗過程

執(zhí)行K2機組RRC57帶廠用電試驗，試驗開始前K2機組核功率50%FP，發(fā)電機功率490MWe，各控制系統(tǒng)均處于正常工作狀態(tài)。

16時39分44秒，根據(jù)試驗要求，斷開500KV電網(wǎng)斷路器，K2機組帶廠用電正常。廠用電負荷67MWe，汽輪機轉速最高1532rpm，穩(wěn)定后汽輪機轉速1521rpm；16時39分45秒，主蒸汽旁路排放總開度需求2TSC401KM觸發(fā)蒸汽旁排閥調制開啟信號；16時39分47秒，穩(wěn)壓器壓力開始上漲（穩(wěn)壓器初始壓力15.4MPa）；16時39分51秒，蒸汽旁排閥第1組閥快開信號觸發(fā)（2TSC121/117/113VV快開信號），穩(wěn)壓器噴淋閥開始開啟；16時39分53秒，蒸汽旁排閥第1組閥全開（2TSC121/117/113VV全 開 ）；16時39分59秒， 穩(wěn)壓器壓力繼續(xù)上漲至16.47MPa，反應堆停堆（停堆定值16.45MPa），汽輪機跳閘，發(fā)電機解列。試驗過程趨勢如圖1所示。

圖1 K2機組50%FP甩負荷至廠用電試驗趨勢圖Fig.1 Test trend of load rejection from the 50%FP of K2 Unit to sation power supply

2.2 50%FP甩負荷至帶廠用電試驗停堆原因分析

16時39分45秒，TSC需求總開度2TSC401KM觸發(fā)蒸汽旁排閥開度指令，要求TSC第1組蒸汽旁排閥調制開啟，但TSC第1組蒸汽旁排閥信號閥門未動作；16時39分51秒，第1組蒸汽旁排閥快開信號觸發(fā)，閥門開始動作，距調制開啟信號觸發(fā)時間間隔6s；16時39分53秒，第1組蒸汽旁排閥因快開信號全開，開啟時間2s，主蒸汽壓力最高達7.85MPa；穩(wěn)壓器壓力控制輸出響應正常，穩(wěn)壓器噴淋閥開啟，但穩(wěn)壓器壓力上漲至16.47MPa（停堆定值16.45MPa）。

由上述試驗過程分析可知，試驗失敗的根本原因為TSC蒸汽旁排閥調制開啟響應緩慢，從TSC蒸汽旁排閥調制開啟信號觸發(fā)，到TSC蒸汽旁排閥實際開啟，延遲時間過長。穩(wěn)壓器壓力從15.4MPa開始上漲至16.47MPa僅15s，TSC第1組蒸汽旁排閥從旁路閥總需求開度2TSC401KM觸發(fā)，到收到快開信號，時間間隔6s，閥門沒有動作；直到第1組蒸汽旁排閥收到快開信號之后，第1組蒸汽旁排閥才全開，導致一回路過熱，穩(wěn)壓器壓力升至停堆定值以上，觸發(fā)停堆信號。

3 K2機組蒸汽旁排閥響應延遲分析及優(yōu)化

蒸汽旁排閥門接收到調制開啟指令后，第1組閥門未立即動作，接收到快開信號后才動作。可能原因：①閥門定位器工作異常，不能實現(xiàn)調制開啟功能；②閥門氣路響應異常。

3.1 閥門定位器工作異常分析

機組停堆后，對第1組閥門進行靜態(tài)功能驗證，強制蒸汽旁排閥允許開電磁閥S2、S3得電。在DCS側模擬閥門調制開啟指令，閥門正常動作，調制開啟回路能正常工作，延遲2s左右，排除閥門定位器工作異?？赡?。

3.2 閥門氣路響應異常分析

機組從高負荷甩負荷到帶廠用電運行時，蒸汽旁排閥由反應堆冷卻劑溫度與由汽機負荷整定的冷卻劑參考溫度之差控制的負荷需求由指令信號控制。來自核島控制系統(tǒng)的信號，控制每個旁路調節(jié)閥氣路上的3個電磁閥?？扉_電磁閥S1在收到快開信號時，旁通蒸汽旁排閥調制開啟控制回路，快速開啟蒸汽旁排閥。另外兩個電磁閥（S2、S3）為冗余的蒸汽旁排閥開啟允許電磁閥，只有兩個冗余電磁閥同時得電時，蒸汽旁排閥才能打開，蒸汽旁排閥氣路簡圖如圖2所示。

圖2 蒸汽旁排閥氣路簡圖Fig.2 Schematic diagram of turbine bypass valve

K2機組蒸汽旁排閥為雙氣缸設計，采用雙作用式定位器控制。現(xiàn)場閥門氣路結構如圖3所示。因K2機組采用的兩位三通氣控閥（圖3藍框所示）通流能力不足，不能滿足閥門動作時間要求，現(xiàn)場采用3個氣控閥并聯(lián)方案解決該問題。3個氣控閥功能及型號一致，分析時可看作一個整體。

圖3 蒸汽旁排閥氣路圖Fig.3 The air path diagram of turbine bypass valve

3.2.1 調制開啟氣路分析

儀用壓空（800KPa）經(jīng)過689KPa減壓閥連接S2電磁閥、閥門定位器、下氣缸繼動器、上氣缸繼動器減壓閥（200KPa）。

S1快開電磁閥未得電時，受快開電磁閥S1控制的4個氣動兩位三通閥（圖4黃框所示）控制氣路對空，氣壓為0KPa，氣動閥不動作，兩端氣路連通。

圖4 蒸汽旁排閥調制開啟氣路圖Fig.4 The air path diagram of turbine bypass valve modulation opening

S2、S3允許電磁閥均帶電時，經(jīng)過S2、S3電磁閥的控制氣流向如圖4橙色線所示。對應4個兩位三通氣控閥動作，調制控制氣路連通，如圖4藍色線所示。

定位器將接收到的DCS控制指令轉化為氣信號，分別控制上下氣缸氣路繼動器，通過繼動器控制旁路閥上下氣缸壓力，進而調制開啟蒸汽旁排閥。

3.2.2 快速開啟氣路分析

S1、S2、S3電磁閥均帶電時，如圖5所示。圖中8個氣動兩位三通閥均動作，定位器控制氣路被旁通，下氣缸直接與氣源連接，進氣壓力800KPa，快速進氣。上氣缸通過氣動兩位三通閥（上氣缸氣路黃框所示三通閥）與大氣相通，上氣缸快速排氣。

圖5 K2機組蒸汽旁排閥快速開啟氣路圖Fig.5 The air path diagram of turbine bypass valve fast opening

閥門上氣缸本體裝有1個兩位三通氣控閥，控制氣回路接入S1快開電磁閥后端。當S1失電時，該兩位三通氣控閥不動作，上氣缸不通過該兩位三通氣控閥排氣；當S1得電時，該兩位三通氣控閥動作，上氣缸對空排氣，縮短快開時間。

3.2.3 快速關閉氣路分析

當S2、S3允許電磁閥任一失電時，蒸汽旁排閥氣路連通如圖6所示。上下氣缸氣路中，4個兩位三通氣控閥（圖6綠框所示）均恢復為初始位置，上氣缸直接與氣源相連，下氣缸對空，閥門快速關閉。

圖6 K2機組蒸汽旁排閥快速關閉氣路圖Fig.6 The air path diagram of turbine bypass valve fast opening

3.2.4 試驗過程中蒸汽旁排閥控制氣路切換分析

蒸汽旁排閥控制試驗過程中，氣路切換分析如下：甩負荷試驗前，蒸汽旁排閥無允許開啟信號，電磁閥S2、S3處于失電狀態(tài)，氣路連通狀態(tài)為快關氣路狀態(tài)（如圖6所示），上氣缸與氣源直接連通，壓力800KPa。根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程：

其中，p為理想氣體的壓強；V為理想氣體的體積；n為氣體物質的量（通常是摩爾）；R為理想氣體常數(shù)；T為理想氣體的熱力學溫度。由公式可知，氣體物質的量與體積、氣體壓強成正比，氣體壓力體積、壓強越大，氣體物質的量越大。甩負荷試驗開始后，甩負荷速率大于15%FP/2min，第1組、第2組蒸汽旁排閥允許信號觸發(fā)，電磁閥S2、S3得電，閥門氣路由快關氣路切換至調制開啟氣路。調制開啟過程中，上氣缸氣體通過上氣缸氣路中的繼動器排出，氣缸中氣體壓力越大，氣缸中所含氣體越多，排氣時間越長，閥門開啟時間越長，響應時間越慢。

針對試驗過程中蒸汽旁排閥氣路切換過程分析，蒸汽旁排閥處于快關狀態(tài)下，上氣缸壓力過高是造成閥門調制開啟響應延遲的主要原因。

3.3 蒸汽旁排閥響應延遲解決方案

針對該氣路缺陷，有兩種解決方案：①更換通流能力更強的繼動器或直接采用國內成熟的氣路結構，但K項現(xiàn)場無法提供相關設備，國內調貨嚴重影響調試工期；②直接改進現(xiàn)有氣路結構，在快關氣路增設減壓閥（圖7紅框所示）。與直接安裝在氣源與氣缸氣路連接三通閥后端相比，該安裝位置可在不影響快開氣路的情況下，降低閥門快關狀態(tài)時上氣缸壓力，理論上可有效縮短閥門調制開啟時的響應延遲。

圖7 K2機組蒸汽旁排閥快關氣路優(yōu)化方案Fig.7 Optimization scheme of quick closing air path of turbine bypass valve of K2 unit

3.4 蒸汽旁排閥響應延遲優(yōu)化方案驗證

為保證優(yōu)化方案對降低蒸汽旁排閥響應延遲有效，首先對2TSC119VV加裝減壓閥進行驗證。驗證過程中，若先模擬開啟允許信號，S2、S3電磁閥得電后，閥門氣路狀態(tài)由快速關閉氣路切換至調制關閉氣路，上氣缸壓力高于200KPa，上氣缸繼動器排氣，上氣缸氣壓逐漸下降至200KPa。RRC57試驗過程中，調制開啟命令與允許信號幾乎同時出現(xiàn)，為充分模擬甩負荷試驗工況，調制開啟時先模擬開度指令，再模擬開啟允許信號。

2TSC119VV減壓閥閥后壓力與閥門開啟響應延遲時間關系見表1。開啟延時為指令發(fā)出到閥門閥位發(fā)生變化時間。

表1 加裝減壓閥后壓力與閥門響應延遲數(shù)據(jù)表Table 1 Data table of pressure and valve response delay after installation of reducing valve

通過表1數(shù)據(jù)可知，經(jīng)過減壓閥減壓后，閥門響應延遲時間明顯縮短，且開啟延遲時間隨著減壓閥閥后壓力的減小而縮短。由于氣路中各部件動作均需要時間，延遲時間不可能無限小。考慮帶載時閥門關閉嚴密性，減壓閥閥后壓力設置為300KPa。12個蒸汽旁排閥均加裝減壓閥，設定壓力為300KPa后，逐個測試，所有閥門響應時間數(shù)據(jù)見表2。延遲時間為指令發(fā)出到閥門閥位發(fā)生變化時間，全行程時間為閥門從開始動作到收到全開反饋時間，快開時間為快開指令發(fā)出到收到全開反饋時間，快關時間為快關指令發(fā)出到收到全關反饋時間。

表2 K2機組蒸汽旁排閥氣路優(yōu)化后驗證數(shù)據(jù)表Table 2 Verification data table of turbine bypass valve of K2 unit after air path optimization

由表2可知，加裝減壓閥并設定壓力為300KPa后，所有蒸汽旁排閥響應延遲大大縮短，與預期相符，且動作時間均滿足設計要求（調制開啟要求10s內全開；快開要求第1組2.5s內全開，第2組、第3組2s內全開；快關要求5s內全關）。

4 蒸汽旁排閥響應延遲優(yōu)化后機組瞬態(tài)工況表現(xiàn)

蒸汽旁排閥響應延遲優(yōu)化方案實施及驗證后，機組重新達到50%FP功率平臺，再次執(zhí)行50%FP平臺甩負荷至廠用電試驗。第2次試驗一回路平均溫度較高，快開信號產(chǎn)生較第1次試驗快，第1組蒸汽旁排閥迅速快開，穩(wěn)壓器壓力最高僅到15.67Mpa。其他試驗參數(shù)均穩(wěn)定，試驗順利完成。

機組后續(xù)瞬態(tài)試驗過程中，蒸汽旁排閥響應正常，及時排走系統(tǒng)熱量，一二回路參數(shù)正常，證明該方案有效消除了蒸汽旁排閥氣路設計缺陷，縮短了蒸汽旁排閥調制響應延遲時間，滿足華龍一號蒸汽旁排閥設計要求，增強了K2機組應對瞬態(tài)的能力。

5 結論

海外華龍一號蒸汽旁排閥是該閥門首次應用于核電機組，受蒸汽旁排閥應用工況多及氣路設備能力限制，氣路結構設計比較復雜，且沒有同類機組可供參考，對原因分析提出了極大的挑戰(zhàn)。

對于華龍一號K2機組蒸汽旁排閥響應延遲不同工況下的氣路連通情況進行分解，對機組從50%FP功率甩負荷至廠用電試驗過程中的關鍵參數(shù)趨勢細致分析，查找出快關狀態(tài)下閥門上氣缸壓力大是閥門響應延遲時間長的根本原因，并針對性地提出了快關氣路中加裝減壓閥的處理方案，解決了此技術難題，為K2機組順利完成節(jié)點任務提供了有力保障。同時，此解決方案為K3機組排除了氣路設計缺陷，也為后續(xù)使用該閥門的機組提供了分析該閥門氣路缺陷的思路。