百萬千瓦級核電機組和火電機組的主蒸汽超壓保護裝置比較

柏冰，舒茂龍，盧艷東，王淑紅，余長軍，田洪志

(1．國核工程有限公司，上海 200233;2．國華寧海電廠，浙江 寧波 315612;3．中機國能電力工程有限公司，上海 200061;4．安徽電氣工程職業技術學院，安徽 合肥 230051)

0 引言

近年來，隨著經濟技術的發展和電網容量的不斷擴大，國內核電機組和具有高參數大容量火力發電機組得到迅猛發展，AP 1000核電機組和百萬超超臨界火電機組成為其中的典型代表。而主蒸汽保護系統是任何機組在非正常工況下保證機組安全的關鍵設施，它的安全可靠與否直接關系著機組運行的安全可靠性。

AP 1000核電機組是由美國西屋電氣公司設計的第3代壓水堆核電機組，安全性能好，設計壽命為60年，發電功率為1 250MW［1］。目前，正在我國浙江三門和山東海陽分別建設2臺機組，其中三門#1機組作為第1臺AP 1000核電機組，預計2013年發電。

關于1000MW火電機組，當今美國、日本及歐洲諸國基本采用超超臨界技術，由于地域和技術流派的差異，在主蒸汽保護系統上有不同的技術特點。美國和日本基本采用在鍋爐過熱器出口安裝過熱安全閥的方式;而歐洲諸國在百萬千瓦級機組上采用100%高壓旁路配置取代過熱器安全閥功能。在國外技術的不斷引進吸收下，現在我國已經形成了完整的超超臨界火電機組研發、設計、制造和運行基礎，初步掌握了超超臨界發電技術，達到了國際先進水 平［2－3］。 本 文 以 浙 江 國 華 寧 海 電 廠 二 期1000MW超超臨界發電機組為實例，與AP 1000核電機組在主蒸汽的超壓保護方面做出比較分析。

1 AP 1000核電機組主蒸汽系統超壓保護裝置簡介

AP 1000核電機組為單堆布置兩環路機組，核島內的壓力容器、蒸汽發生器、反應堆冷卻劑泵和冷卻劑管道構成2個一回路(反應堆冷卻劑系統)，將反應堆產生的熱量通過蒸汽發生器傳遞到二回路(主蒸汽系統)［4］。主蒸汽系統有2條管線，每條管線的安全保護裝置主要有:主蒸汽安全閥、大氣釋放閥、主蒸汽隔離閥及其旁通閥和汽輪機旁路排放系統等，如圖1所示。

機組在運行期間，主蒸汽系統能夠承受±10%階躍負荷擾動以及每分鐘±5%線性負荷變化，而不必投用汽輪機旁路系統或主蒸汽安全閥。當機組從滿功率階躍下降10%～50%或汽輪機在低于50%滿功率停機時，汽輪機旁路排放系統與核蒸汽供應系統的控制系統一起運行，以保證系統排出熱量和機組安全。當機組發生50%～100%滿功率甩負荷時，汽輪機旁路排放系統、核蒸汽供應系統的控制系統和快速功率下降系統一起運行。當汽輪機旁路排放系統不可用時，主蒸汽系統通過大氣釋放閥和主蒸汽安全閥向大氣排汽，進行卸壓和調節。

在發生必須停堆事件時，主蒸汽隔離閥及其旁路閥關閉，主蒸汽管線上相關的其余閥門關閉，大氣釋放閥打開，向大氣排放蒸汽，將反應堆衰變熱移出，直到堆芯冷卻到正常余熱排出系統能夠正常工作的狀態。當大氣釋放閥開啟后仍然無法滿足系統泄壓時，安全閥將順序動作提供超壓保護。在機組冷停堆時，大氣釋放閥由蒸汽管道壓力自動控制，操縱員從主控室或遠程停堆工作站手動調節壓力整定值，以階梯方式手動調低壓力整定點，以獲得最大停堆速率。

圖1 AP 1000核電機組主蒸汽系統圖

汽輪機旁路排放系統位于汽輪機廠房內，屬于非安全級設備，不執行安全相關的功能。它在機組啟動、階躍減負荷、甩負荷或停堆時，將主蒸汽以可控的方式旁通汽輪機，輸送到凝汽器中，汽輪機旁路排放系統能夠把滿負荷時主蒸汽流量的40%旁通到主凝汽器。

主蒸汽安全閥和大氣釋放閥位于安全殼外的輔助廠房內，安全閥的安全等級為二級，大氣釋放閥為3級，它們的抗震等級均為抗震Ⅰ類。在每根主蒸汽管線上，設置了1臺大氣釋放閥和6臺安全閥。6臺安全閥的整定壓力值各不相同，排氣量隨著整定壓力值的增加而增大，避免了系統蒸汽壓力過大波動、造成反應堆功率較大瞬態(見表1)。每條主蒸汽管線的安全閥排汽總量為3783 t/h，能夠滿足在任何情況下蒸汽壓力不超過系統110%設計壓力的要求［5］。

2 寧海電廠1000MW火電機組主蒸汽系統的超壓保護裝置

浙江國華寧海電廠二期2臺1 000MW超超臨界發電機組2009年投產，目前機組運行總體良好。寧海二期百萬千瓦級機組采用由上海鍋爐廠引進的法國Alstom公司的超超臨界塔式鍋爐。在鍋爐3級過熱器上設計了2個出口集箱，每個集箱兩端引出2條過熱蒸汽出口管線，總計有4條過熱蒸汽管線。為消除熱偏差，每個集箱的出口管線與另外一個集箱的出口管線兩兩合并，形成2根主蒸汽管線去汽輪機高壓缸。在過熱器集箱出口位置、沒有并線的4根過熱蒸汽管線上，各設計了1條高壓旁路管線去再熱器進口聯箱，每條旁路設置1個再熱器安全閥，如圖2所示。

在正常運行時，高壓旁路閥全關，處于滑壓溢流跟蹤模式。當汽輪機機前壓力超過設定值時，高壓旁路閥將自動開啟進行溢流，以限制主蒸汽壓力的進一步增大，提高汽輪機運行的安全性。當機組異常(例如汽機突然跳閘導致主蒸汽超壓)時，主蒸汽壓力開關任一動作(大于29．3MPa)可使高壓旁路閥安全快開，高溫高壓蒸汽快速進入再熱器進行泄壓，同時配有高壓旁路減溫水進行減溫。當機組因真空故障導致低壓旁路閉鎖時，再熱蒸汽壓力超過額定值(大于7．5MPa)，二級再熱器出口集箱的再熱器安全閥安全快開，迅速排出工質，起到超壓保護作用。

表1 AP 1000核電機組的主蒸汽安全閥和大氣釋放閥設計參數

圖2 1000MW火電機組主、再熱蒸汽系統圖

整個高壓旁路系統的主要設備包括高壓旁路控制閥、高壓旁路噴水控制閥、高壓旁路噴水隔離閥。旁路系統動力采用NBF400/630型液壓控制，專配動力供油站，具有油溫自動控制裝置、在線自動凈化過濾裝置及沖洗裝置。在電源故障的情況下，油站蓄能器所儲能量能提供足夠的液壓動力，使旁路系統所有閥門完成1～2次全行程的開或關。

旁路系統的控制策略在西門子SPPA T3000冗余控制器中組態運行，實現旁路系統的監視和控制功能。旁路供油系統(油站)的控制設備(包括控制柜和就地控制箱)采用分散控制系統(DCS)。

整個高壓旁路系統采用100%容量配置，由于高壓旁路已具有100%容量的快速卸壓功能，因此，過熱器出口不需裝設任何鍋爐過熱器安全閥，但需同步配置100%容量再熱器安全閥。高壓旁路閥為液壓傳動，其快速開啟時間為1～3 s，能實現快速自動跟蹤超壓保護。在保證主蒸汽超壓保護的同時，通過調節控制汽壓可適應機組不同工況的滑參數啟、停和運行，事故排除后機組即可重新帶負荷，既減少了鍋爐啟、停次數，又減輕了對汽輪機的熱沖擊，縮短恢復帶負荷時間，可滿足各種啟動工況的要求。

3 2種主蒸汽系統及其保護裝置的比較

AP 1000核電機組與1000MW超超臨界火電機組作為百萬千瓦級發電機組，它們的主蒸汽系統有相似之處，但更多存在有差異的地方。AP 1000核電機組的蒸汽流量大，但工質物理熱力參數相比較低，而1000MW超超臨界火電機組的蒸汽參數很高(見表2)。AP 1000核電機組的主蒸汽是從蒸汽發生器出來的飽和蒸汽，沒有過熱階段，蒸汽在高壓缸做功后，到汽水分離再熱器后進行再熱，最后至低壓缸做功，熱效率為36．6%。而1000MW火電機組熱效率可達45%以上，熱力系統為典型的熱力朗肯再熱循環。蒸汽系統的差異直接影響主蒸汽系統保護功能實現的不同。

表2 AP 1000核電機組與1000MW火電機組的蒸汽參數比較

3．1 主蒸汽保護裝置的系統配置差異

AP 1000核電機組主蒸汽系統的超壓保護設備主要有汽輪機旁路排放系統、大氣釋放閥、安全閥等，這種設計便于保證機組安全運行和停堆操作。由于核電機組蒸汽流量大，對安全閥門的通流能力要求很高，采用多路多組閥門，對各種工況的安全控制條件手段增強。

1 000MW火電機組采用了“100%高壓旁路+100%再熱器安全閥”的配置方法，這種高壓旁路設計，可取代過熱器安全門，不僅消除了高壓安全門啟動時產生的高強度噪音，而且能最大限度地回收工質。

3．2 保護裝置的性能要求差異

AP 1000核電機組的主蒸汽安全閥和大氣釋放閥作為核安全級設備，在安全停堆地震載荷下，不僅能夠保持設備的結構完整性，而且還能夠保持設備的功能和可運行性。火電機組設備卻沒有相關的要求。

1000MW超超臨界火電機組的蒸汽參數很高，因此，主蒸汽系統的管道、閥門等設備的耐高溫高壓要求比核電機組相關設備嚴格得多。

3．3 主蒸汽保護裝置的控制功能差異

AP 1000核電機組的大氣釋放閥具有通過壓力模式調節一回路平均溫度的能力。同時，在安全保護功能上具有閥門閥序的控制要求，實現核電機組各工況下安全保護需求。

1000MW火電機組沒有大氣釋放閥這種裝置，基本上采用單純壓力控制，實現壓力保護與調節。火電機組將安全閥功能與旁路系統功能進行結合，減少了系統配置，有利于機組分散控制系統(DCS)集中控制。

4 結束語

(1)AP 1000核電機組主蒸汽安全保護通過汽輪機旁路排放系統、大氣釋放閥和安全閥來實現，具有調溫調壓雙重功能。1 000MW火電機組具有高可靠性的“100%高壓旁路+100%再熱器安全閥”配置取代過熱器安全閥功能，不僅消除因高壓安全閥動作后產生的高強度噪音且能最大限度地回收工質，提高機組啟動性能。

(2)AP 1000核電機組的主蒸汽參數相對較低，超壓保護裝置更為傳統，這是基于核電設計相對保守的原則。1000MW火電機組熱力系統相對復雜，運行參數高，超壓保護控制功能要求更高。

(3)目前，我國在大力發展核電機組，針對目前核電技術人員缺口較大的狀況，補充一些優秀的火電技術人員投入到核電工作中來，通過學習和培訓，初步扭轉了核電技術人員緊缺的局面。本文通過對比2種發電技術的主蒸汽保護系統，區別兩者之間的異同點，有益于相關專業技術人員進一步掌握AP 1000核電和1000MW超超臨界火電機組技術。

［1］孫漢虹．第三代核電技術AP 1000［M］．北京:中國電力出版社，2010．

［2］張磊．超超臨界火電機組集控運行［M］．北京:中國電力出版社，2008．

［3］朱金利．鍋爐設備系統及運行［M］．北京:中國電力出版社，2010．

［4］林誠格，郁祖勝．非能動安全先進壓水堆核電技術［M］．北京:原子能出版社，2010．

［5］EJ 1189—2005，壓水堆核電廠主蒸汽系統設計要求［S］．