核電廠蒸汽排放系統(tǒng)安全性分析及改進(jìn)

楊旭

(中核海洋核動(dòng)力發(fā)展有限公司 上海 200125)

1 GCTc功能及運(yùn)行方式

在壓水堆核電廠中，汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)（GCT）設(shè)計(jì)功能是提供一個(gè)人工負(fù)荷，平衡反應(yīng)堆和汽輪機(jī)之間的功率差，將多余蒸汽量排向凝汽器（蒸汽凝汽器排放系統(tǒng)（GCTc），其設(shè)計(jì)容量可接納85%的最大蒸汽流量）和大氣（蒸汽大氣排放系統(tǒng)（GCTa）），保證反應(yīng)堆安全運(yùn)行。在汽輪機(jī)出現(xiàn)大負(fù)荷變化時(shí)，汽輪機(jī)能夠很快關(guān)小調(diào)節(jié)汽閥，降低汽輪機(jī)輸出功率，而反應(yīng)堆功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)只能慢慢地以5%～10%速度逐步降功率，兩者間功率差通過汽機(jī)旁路系統(tǒng)來吸收，提供一個(gè)暫時(shí)的緩沖功能。蒸汽大氣排放系統(tǒng)（GCTa）是在蒸汽凝汽器排放系統(tǒng)（GCTc）不可用時(shí)投入使用。汽機(jī)旁路系統(tǒng)允許將反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)冷卻到余熱排出系統(tǒng)能夠投入工作的工況點(diǎn)、把蒸汽發(fā)生器控制在零負(fù)荷時(shí)的壓力，并維持冷卻劑平均溫度（Tavg）保持在其熱停堆值附近、在瞬態(tài)過程中可避免蒸汽發(fā)生器安全閥的開啟。此外，在汽輪機(jī)啟動(dòng)前GCTc承擔(dān)主蒸汽管道的暖管和升溫的控制，并協(xié)助汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)、升速直至帶上0%～15%負(fù)荷。在反應(yīng)堆正常停堆或緊急停堆時(shí)導(dǎo)出反應(yīng)堆殘余熱量，直至一回路設(shè)備余熱排除系統(tǒng)投入運(yùn)行為止。

蒸汽凝汽器排放既可以用蒸汽壓力控制，也可以用冷卻劑平均溫度控制。所謂溫度控制是它產(chǎn)生的GCTc 開啟信號正比于反應(yīng)堆冷卻劑平均溫度與代表蒸汽負(fù)荷大小的參考平均溫度之差。所謂壓力控制是將蒸汽集管的壓力維持在手動(dòng)預(yù)定值水平，控制回路是比例積分回路。兩種控制模式的切換采用手動(dòng)控制。

在兩種控制方式下，通過調(diào)節(jié)傳感器來的信號控制每一個(gè)閥門連續(xù)的開啟，開啟順序是逐級進(jìn)行的，即只有當(dāng)前面的閥門或閥門組全開時(shí)，才依次開啟后面的閥門或閥門組；第一組閥門是逐個(gè)開啟的，先GCT121VV，其次GCT117VV，最后開啟GCT113VV；第二組和第三組各組中的閥門是一起開啟的。當(dāng)接收到調(diào)節(jié)開關(guān)命令時(shí)，按相反的次序動(dòng)作，最后開啟的首先關(guān)閉。每組閥都有調(diào)節(jié)開啟和快速開啟兩種開啟方式，快開信號的動(dòng)作點(diǎn)對應(yīng)于調(diào)節(jié)全開的信號，以免調(diào)節(jié)開啟和快速開啟之間切換時(shí)對系統(tǒng)產(chǎn)生較大的擾動(dòng)；由于壓力控制在低功率下（15%功率）使用，為避免閥門動(dòng)作過快造成對一回路的沖擊，不設(shè)置快開功能。為了避免閥門故障開啟對反應(yīng)堆的不利影響，在啟動(dòng)蒸汽旁路時(shí)設(shè)置了聯(lián)鎖，主要有凝汽器不可用（C9非）、平均溫度低（P12）、停堆信號（P4）、ATWT信號、汽機(jī)負(fù)荷變化信號（C7A、C7B）和短電網(wǎng)故障信號，同時(shí)在主控室配有閉鎖開關(guān)。

2 GCTc運(yùn)行事件及相應(yīng)的改造

2.1 1GCT117VV 的鎖定閥壞引起1 號機(jī)組甩負(fù)荷事件

2.1.1 事件描述

2005 年10 月12 日，1號機(jī)組670MW滿功率運(yùn)行。14∶55 分，1#機(jī)組開始進(jìn)行1GRE024MP 的T1 試驗(yàn)，14∶56分，主控操縱人員突然注意到主控室電功率表在快速降低，立即轉(zhuǎn)身查看控制棒和DEH，發(fā)現(xiàn)控制棒在持續(xù)下插，DEH 上出現(xiàn)RUNBACK 信號，且MW回路已退出，同時(shí)出現(xiàn)報(bào)警1RGL405AA（Tavgmin低）、1RGL506AA(環(huán)路1、2 超功率△T)、1RGL502AA報(bào)警（C2報(bào)警）。

2.1.2 直接原因

當(dāng)進(jìn)行1#機(jī)組的T1 試驗(yàn)時(shí)，需要對1GRE024MP加測試信號，此時(shí)1GCT旁排調(diào)節(jié)信號1GCT402CS2有輸出，汽機(jī)旁路排放閥1GCT117VV閥門開啟。主蒸汽母管壓力從5.522 MPa 降低至5.462 MPa，發(fā)電機(jī)負(fù)荷由67O MW 降至660 MW 從而加大閥門開度從49%～59%，同時(shí)蒸汽流量從1 880 t/h 上升至2 008 t/h；由于參考溫度（Tref）增加需要棒組D 快速提升，但是1RGL502EC信號C2閉鎖了棒的提升，引起超功率信號C4 觸發(fā)約33 s，從而觸發(fā)機(jī)組RUNBACK 約33 s，使機(jī)組負(fù)荷最終降至613 MW。

1GCT117VV的鎖定閥油脂干固，引發(fā)鎖定閥不能正常工作導(dǎo)致了閥門誤開啟。

2.1.3 故障分析及技改

原設(shè)計(jì)中汽機(jī)旁路系統(tǒng)溫度控制模式下的調(diào)節(jié)回路中使用的壓力信號與反應(yīng)堆功率調(diào)節(jié)、蒸發(fā)器給水調(diào)節(jié)是同一個(gè)信號（GRE023/024MP），在每次T1 試驗(yàn)時(shí)功率調(diào)節(jié)和給水調(diào)節(jié)信號可以主控手動(dòng)切換，不影響這兩大調(diào)節(jié)系統(tǒng)，而GCTc調(diào)節(jié)回路中的信號不能切除，在試驗(yàn)過程中會產(chǎn)生100%的調(diào)節(jié)信號（通過GRE024MP 產(chǎn)生）或汽機(jī)負(fù)荷變化信號（C7A、C7B）和短電網(wǎng)故障信號（通過GRE023MP 產(chǎn)生），若閥門氣回路的鎖定閥故障會使閥門快速開啟，就會造成一回路超功率或過冷甚至出現(xiàn)安注等重大事故。

為了避免TI實(shí)驗(yàn)時(shí)對GCTc控制回路引入真實(shí)信號，就地增加兩塊壓力變送器直接進(jìn)入GCTc的控制回路，使旁路調(diào)節(jié)和功率調(diào)節(jié)、給水調(diào)節(jié)獨(dú)立，減少T1試驗(yàn)的風(fēng)險(xiǎn)和對一回路的影響。在變送器安裝時(shí)考慮到不能在高壓缸重新開孔安裝引壓管線，而送DEH的汽機(jī)負(fù)荷信號（VVP031/032/033MP）參與的壓力控制回路沒有投運(yùn)，綜合考慮從VVP031/032MP 的引壓管線上通過三通直接引到新增變送器GRE025/026MP。

為保障旁路調(diào)節(jié)和功率調(diào)節(jié)、給水調(diào)節(jié)三大調(diào)節(jié)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)動(dòng)作，通過每年定期校驗(yàn)變送器的方法保證控制信號的可靠。

2.2 2GCT124VV壓空管線斷裂導(dǎo)致降功率事件

2.2.1 事件描述

2004 年6 月27 日，2＃機(jī)組668MWe 滿功率運(yùn)行。凌晨4∶00，運(yùn)行現(xiàn)操現(xiàn)場巡檢時(shí)發(fā)現(xiàn)2GCT124VV閥門上一壓空管線脫落（壓空漏氣聲音很大），主控緊急呼維修儀控人員現(xiàn)場搶修。儀控人員維修完漏氣的壓空管線后，運(yùn)行現(xiàn)操恢復(fù)該閥的供氣。6時(shí)26分，在重新供氣的過程中，閥門氣控回路的另一路GCT快開信號的壓空管線斷開，失去壓空后，2GCT124VV閥門打開，開度為42.32%；6 時(shí)27 分引起反應(yīng)堆超功率ΔT 保護(hù)動(dòng)作（觸發(fā)C4信號），汽機(jī)甩負(fù)荷，電功率從666 MW甩到590 MW。主控迅速穩(wěn)定機(jī)組狀態(tài)，并讓現(xiàn)場人員關(guān)閉2GCT124VV 前的手動(dòng)隔離閥2GCT112VV，開啟2GCT127VL，重新投入兆瓦回路，最后機(jī)組電功率穩(wěn)定在585 MW。

2.2.2 直接原因

由于蒸汽旁排系統(tǒng)振動(dòng)大，管子接頭處承受的負(fù)荷比較大，加上機(jī)組瞬態(tài)旁路閥開啟時(shí)的強(qiáng)大振動(dòng)對壓空管線的沖擊使汽機(jī)旁路調(diào)節(jié)閥（2GCT124VV）快開電磁閥下游供汽管線上的一個(gè)螺紋接頭斷裂，導(dǎo)致2GCT124VV 調(diào)節(jié)閥迅速開啟，引起一回路超功率ΔT保護(hù)動(dòng)作（C4信號），汽機(jī)RUNBACK動(dòng)作，汽機(jī)電功率從666 MW甩負(fù)荷到590 MW。

旁排閥門選型不合理，設(shè)計(jì)上有缺陷。這種氣缸式的閥門控制復(fù)雜，供氣回路附件多，設(shè)計(jì)上只考慮到失去壓空總管線壓空后，閥門能保持關(guān)閉狀態(tài)，而沒有考慮失去部分控制回路壓空會造成旁排閥打開，一旦快開電磁閥后面氣管斷裂能使氣缸上部失氣，旁排閥就會開啟。閥門振動(dòng)大。閥門的振動(dòng)分為兩種：一是機(jī)組瞬態(tài)（緊急停機(jī)、停堆等）旁路閥開啟時(shí)很大振動(dòng)對壓空管線的沖擊；二是正常運(yùn)行期間，周圍及旁通管線產(chǎn)生的振動(dòng)，也會造成壓空管（銅管）疲勞損傷。

2.2.3 故障分析及改進(jìn)

1/2號機(jī)組GCTc氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用的是雙氣缸式氣動(dòng)控制閥，氣源（壓縮空氣）通過聯(lián)鎖裝置供給?？捎每扉_和調(diào)節(jié)開啟兩種模式工作。

旁路調(diào)節(jié)閥氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作原理：兩個(gè)聯(lián)鎖連接的三通電磁閥S2、S3，用于開啟和關(guān)閉通向閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)氣源管路。電磁閥S2、S3根據(jù)所接受的允許信號而啟動(dòng)，然后壓縮空氣供給鎖定閥，使定位器的控制氣源能送到旁路閥，調(diào)節(jié)閥門的開度。另一個(gè)電磁閥S1 通過兩位閥（27）切斷氣動(dòng)定位器控制氣源進(jìn)旁路閥的氣缸，它平時(shí)不帶電時(shí)處于1→3通的位置，使得NC兩位閥（27）打開，NO兩位閥（28）關(guān)閉。當(dāng)出現(xiàn)允許信號時(shí)電磁閥S2 和S3 帶電1→3 通，排放閥通過鎖定閥接受來自相關(guān)聯(lián)的氣動(dòng)定位器的調(diào)節(jié)壓縮空氣信號而緩慢開啟。定位器則接受來自電/氣轉(zhuǎn)換器的調(diào)節(jié)信號。當(dāng)快開信號送來時(shí)，并且冗余的允許信號有效（在控制邏輯實(shí)現(xiàn)），定位器旁路電磁閥S1動(dòng)作到2→3通的位置，NC兩位閥（27）關(guān)閉，調(diào)節(jié)氣路斷開。而NO兩位閥（28）打開，使得排放閥上氣缸的壓縮空氣釋放，而下氣缸由總管的壓縮空氣直接供給，導(dǎo)致排放閥快速開啟。當(dāng)冗余的允許信號中有一個(gè)失效或兩個(gè)都失效，則S1電磁閥1→3通，S2、S3電磁閥中有一個(gè)或兩個(gè)2→3 通，從而切除定位器過來的調(diào)節(jié)氣路，同時(shí)NC兩位閥（27）打開，NO兩位閥（28）關(guān)閉，導(dǎo)致總管的壓縮空氣通過鎖定閥直接進(jìn)入調(diào)節(jié)閥的上氣缸，而調(diào)節(jié)閥的下氣缸中壓縮空氣通過鎖定閥排到大氣，實(shí)現(xiàn)旁排閥快速關(guān)閉功能。閥門動(dòng)作時(shí)間是：快開要小于2 s，快關(guān)要小于5 s，調(diào)節(jié)開或關(guān)小于10 s。

改變S1電磁閥的工作方式，S1電磁閥入口管線的連接位置。使S1電磁閥得電進(jìn)壓空去快開閥門，從而避免S1 電磁閥所在管線斷裂再造成閥門快開。為保證閥門的正常動(dòng)作，需要將27#兩個(gè)常閉二位閥與28#常開二位閥位置互換，取消助動(dòng)閥對閥門上附件加裝支撐架，減少壓空管線受力，減少管線斷裂的可能。

3 GCTc系統(tǒng)現(xiàn)存問題及將來的改進(jìn)

3.1 旁路排放閥手動(dòng)閥限位不可靠

由于GCTc 手動(dòng)閥門管線壓差大，現(xiàn)場振動(dòng)大，導(dǎo)致手動(dòng)閥全開信號會時(shí)有時(shí)無。此手動(dòng)閥門非全開將發(fā)出GCTc不可用信號，在汽輪機(jī)跳閘后不能投入旁路排放系統(tǒng)，使反應(yīng)堆自動(dòng)停堆?，F(xiàn)在1/2 及3/4 號機(jī)組都是閉鎖此手動(dòng)閥信號，以TCA方式管理。1/2號機(jī)采取現(xiàn)場將GCT101～112VV手動(dòng)隔離閥的全開行程開關(guān)擺臂用鐵絲綁扎，保持全開信號一直處于觸發(fā)狀態(tài)。3/4號機(jī)則將此閥門送往RPR的保護(hù)直接閉鎖，這樣可以看到現(xiàn)場閥門限位的情況。不論方式如何，都不是治本的辦法。

二廠4 臺機(jī)組對GCTc 管道振動(dòng)問題經(jīng)行過以下技改，在振動(dòng)較大的6根支管上加裝隔而固阻尼器，并在原來的單薄支吊架上用鋼板焊接來加固，調(diào)整失效的支吊架。在GCT 支管的總管VVP 管道上增加一個(gè)液壓阻尼器來固定管道。這樣消除了振動(dòng)方面的原因后續(xù)建議調(diào)研嶺澳二期等國內(nèi)同類型電廠，盡快推動(dòng)旁路手動(dòng)閥技改換型。

3.2 閥門的控制方式與凝汽器不對稱

對1/2 機(jī)組根據(jù)I CRF 001，如果CRF001PO跳閘，則關(guān)閉GCT 102/104/106/108/110/112VV，發(fā)出GCT-c A 列不可用信號，如上手動(dòng)閥屬于GCT 第三組閥門。如果CRF002PO 跳閘，則關(guān)閉GCT 101/103/105/107/109/111VV，發(fā)出GCT-c B 列不可用信號，如上手動(dòng)閥屬于GCT第一二組閥門。

對于3/4機(jī)組功率運(yùn)行期間，若CRF001PO需要隔離檢修，需要關(guān)閉手動(dòng)隔離閥GCT 101/103/105/107/109/111VV，這6個(gè)手動(dòng)閥門正好對應(yīng)GCT第一二組閥門。按照運(yùn)行技術(shù)規(guī)格書，會造成GCTc前兩組6個(gè)閥門不可用，需要記錄第一組I0（GCTc4：前兩組閥門中有4 個(gè)閥門不可運(yùn)行），8 h 內(nèi)降功率到10%Pn 以下。若CRF002PO 需要隔離檢修，需要關(guān)閉手動(dòng)隔離閥GCT102/104/106/108/110/112VV，這6 個(gè)手動(dòng)閥門對應(yīng)GCT-C 的114/116/118/120/122/124VV（第三組），按照運(yùn)行規(guī)格書，不用記錄I0。對于汽輪發(fā)電機(jī)組來說，CRF001PO 與CRF002PO 作用是相同的，但由于GCTc前兩組閥門都是對應(yīng)CRF001PO 的，直接導(dǎo)致兩臺CRF循泵隔離檢修時(shí)對機(jī)組所造成的核安全影響不相同。且嚴(yán)格說每次大修啟動(dòng)，如果002PO先啟動(dòng)，還無法升到10%Pn以上。

關(guān)閉手動(dòng)閥主要考慮保護(hù)凝汽器鈦管。但根據(jù)凝汽器內(nèi)部結(jié)構(gòu)，循環(huán)水單側(cè)解列，解列側(cè)對應(yīng)CVI抽真空管線隔離，氣流場會變化，中間沒隔板，蒸汽自然往具備冷卻條件的一側(cè)鈦管流動(dòng)。同時(shí)根據(jù)技術(shù)規(guī)格書要求，每臺凝汽器應(yīng)能滿足循環(huán)水單路進(jìn)出運(yùn)行的要求。凝汽器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮短時(shí)能半側(cè)停運(yùn)清洗，另半側(cè)工作。凝汽器半側(cè)運(yùn)行時(shí)，應(yīng)保證機(jī)組能帶75%額定負(fù)荷。

舉例：當(dāng)發(fā)生LGA/LGB 母線失電單一故障時(shí)，凝汽器單側(cè)運(yùn)行并且要經(jīng)歷GCTc旁路排放的惡劣工況，所以凝汽器單側(cè)運(yùn)行后需不需要關(guān)手動(dòng)閥還需論證。若設(shè)計(jì)院有具體要求建議將GCTc12 個(gè)旁路閥的控制進(jìn)行修改，均衡兩臺CRF泵對應(yīng)的前兩組GCTc閥門的數(shù)量（一臺循泵對應(yīng)3個(gè)）。

3.3 提升GCTc的可靠性

二廠1、2 號機(jī)組的設(shè)計(jì)中，VVP 系統(tǒng)每根蒸汽管線上有7臺安全閥，可分為兩組具體如下。

第一組為3 臺加能助動(dòng)式安全閥，其設(shè)計(jì)目的是在二類瞬變工況下限制二次側(cè)壓力值，使之低于蒸汽發(fā)生器的設(shè)計(jì)壓力。助動(dòng)式安全閥的整定點(diǎn)低于蒸汽發(fā)生器和蒸汽管線的設(shè)計(jì)壓力，但高于大氣釋放閥的整定壓力值?？紤]到蒸汽管線的壓降、閥門特性和整定點(diǎn)誤差，其整定點(diǎn)定為8.3 MPa·A。

第二組為4 臺自行動(dòng)作的彈簧加載式安全閥。其設(shè)計(jì)目的是用來限制三類、四類瞬變工況時(shí)SG 二次側(cè)的壓力值，使之不超過110%的蒸汽發(fā)生器設(shè)計(jì)壓力。彈簧加載式安全閥的整定值是蒸汽發(fā)生器和蒸汽管道的設(shè)計(jì)壓力，該值可以使系統(tǒng)最大承載處的最大壓力在緊急和發(fā)生故障情況下不超過110%設(shè)計(jì)壓力，考慮到蒸汽管道壓降、閥門特性以及整定值誤差等因素，整定值定為8.7 MPa·A。

由于助動(dòng)式安全閥可靠性不高誤開起可能導(dǎo)致在發(fā)生蒸發(fā)器傳熱管破裂事故時(shí)放射性物質(zhì)向大氣中失控排放，或加重主蒸汽管道破裂事故的后果。3/4號機(jī)組將原來每一條主蒸汽管線上的3個(gè)加能助動(dòng)式安全閥（整定值（8.3±0.05）MPa）改為兩臺彈簧式安全閥（整定值（8.5±0.05）MPa）；將原來每一條主蒸汽管線上的4 個(gè)彈簧式安全閥（整定值（8.7±0.1）MPa）改為5臺彈簧式安全閥（整定值（8.7±0.1）MPa）。在VVP 系統(tǒng)第一組安全閥的定值提高以后，必須提升GCTc的可用性與可靠性，以保證在Ⅱ類事故工況下GCTc能夠在一定時(shí)間（10 s）之內(nèi)接受蒸汽排放，確保一/二回路超壓處在驗(yàn)收準(zhǔn)則范圍之內(nèi)。所以3/4號機(jī)組GCTc從非核級系統(tǒng)更改為核級系統(tǒng)。并在技術(shù)規(guī)范中如下約束：

功率≥97%Pn 時(shí)，GCTc 的第一組和第二組共6 個(gè)蒸汽排放閥必須可運(yùn)行；

功率≥90%Pn 時(shí)，GCTc 的第一組和第二組共6 個(gè)閥中5個(gè)蒸汽排放閥必須可運(yùn)行；

功率≥83%Pn 時(shí)，GCTc 的第一組和第二組共6 個(gè)閥中4個(gè)蒸汽排放閥必須可運(yùn)行；

功率≥10%Pn 時(shí)，GCTc 的第一組和第二組共6 個(gè)閥中3個(gè)蒸汽排放閥必須可運(yùn)行。

可見安全閥修改后，GCT獨(dú)立承擔(dān)防止在二類事故工況下二回路超過設(shè)計(jì)壓力的重任。特別是在由于冷凝器不可用引起汽機(jī)跳閘以后，必須要求反應(yīng)堆自動(dòng)停堆，以使其核功率水平做相應(yīng)的降低。否則GCTc不能排放多余的熱量，可能導(dǎo)致VVP安全閥開啟。

1/2 號機(jī)組在211 及113 大修期間將實(shí)施技改，更換VVP第一組加能助動(dòng)式安全閥為彈簧式安全閥（整定值（8.4±0.1）MPa）。這樣就必須考慮提高GCTc 的可靠性，對GCTc不可用加以約束以避免二類事故工況下二回路超壓或失控排放。

4 結(jié)語

安全穩(wěn)定運(yùn)行是核電的頭等大事，隨著機(jī)組服役時(shí)間的加長，主要系統(tǒng)設(shè)備或多或少都有技術(shù)變更或是設(shè)備替代，每個(gè)核電員工對這種新的系統(tǒng)設(shè)備都要抱著敬畏之心，不能憑著經(jīng)驗(yàn)主義想當(dāng)然地操作。該文深入淺出地介紹了GCTc 的運(yùn)行方式、運(yùn)行事件，梳理了系統(tǒng)變更的來龍去脈并提出了現(xiàn)存的問題和建議的解決方法，希望對今后該系統(tǒng)的運(yùn)行改造有一定的借鑒作用，也希望核電員工通過不斷的學(xué)習(xí)，能游刃有余地處理GCTc 偶發(fā)故障，避免發(fā)生非計(jì)劃停堆停機(jī)，為機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行保駕護(hù)航。