非能動反應堆蒸汽排放控制分析

董九虹

摘 要：汽輪機旁路排放系統以可控的方式將主蒸汽母管的蒸汽排放至凝汽器，從而最大程度地減少正常運行工況（包括啟動、停堆和機組冷卻）和非正常瞬態（包括汽機跳閘和階躍降負荷）對反應堆冷卻劑系統的影響。該文主要對其運行方式、控制和閉鎖進行了闡述，并進行未能緊急停堆的預期瞬態（ATWS）下的事故分析，為運行和維護工作提供指導。

關鍵詞：甩負荷蒸汽排放控制器 蒸汽母管壓力控制器 未能緊急停堆的預期瞬態。

中圖分類號：U224 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）05（b）-0062-02

1 概述

汽輪機旁路排放系統共設置六個旁排閥，每臺凝汽器設置兩個，在額定負荷主蒸汽壓力時，可將40%額定主蒸汽流量直接排放至凝汽器。結合快速降功率系統的50%RTP能力和控制棒系統的10%RTP能力，最終可以實現電廠100%RTP甩負荷能力。

2 控制

汽輪機旁路排放系統有兩種主要運行模式：溫度控制模式和壓力控制模式。

溫度控制模式主要用于工作瞬態需要蒸汽排放的情況，如：汽輪機跳閘、甩負荷。此時，采用一回路平均溫度Tavg和根據汽輪機沖動級壓力計算得到的參考溫度Tref之差，控制旁排閥的開度，最終使反應堆功率與汽輪機負荷相匹配。

6個閥門被分為兩列，第一列（V002A、V002B、V002C）在蒸汽排放需求量小于50%內調節開啟，在蒸汽排放需求量大于50%時快速全開。第二列（V003A、V003B、V003C）在50%至100%蒸汽排放需求范圍內調節開啟，在大于100%蒸汽排放需求時快速全開。閥門調節開啟和快速全開的切換是通過閥門供氣管線上的電磁閥C來完成的，下面的聯鎖中會詳細介紹。

壓力控制模式主要用于低功率運行和電廠冷卻階段。采用蒸汽母管壓力和壓力整定值的差值來控制旁排閥的開度。在低功率運行時，蒸汽發生器壓力對蒸汽流量的響應較快，而一回路平均溫度Tavg則對蒸汽流量的響應較慢，無法靈敏控制旁排閥開關。且此時蒸汽壓力較高與大氣釋放閥的動作值相近，若采用溫度控制模式可能導致蒸汽壓力超過大氣釋放閥的設定值，而造成大氣釋放閥開啟。因此，在低功率運行和電廠冷卻時，汽輪機旁路排放系統采用壓力控制模式。

系統設有兩個控制器，分別用于兩種控制模式下：甩負荷蒸汽排放控制器，用于溫度控制模式；蒸汽母管壓力控制器，用于壓力控制模式。

甩負荷蒸汽排放控制器：偏差信號是超前/滯后補償的Tavg和根據汽輪機沖動級壓力計算得到的參考溫度Tref之差。最終使反應堆功率與汽輪機負荷相匹配，溫度偏差在控制棒調節能力范圍內，終止蒸汽排放，可使電廠穩定在準備汽輪機/發電機重新投入工作和/或電網同步的狀態。

蒸汽母管壓力控制器：偏差信號是蒸汽母管壓力和壓力整定值的差值。壓力整定值由操縱員根據期望的冷卻速率和期望的反應堆冷卻劑系統的溫度手動調整。

3 聯鎖

汽輪機旁排閥是彈簧加載式的氣動球閥。在失氣或者沒有控制信號的時候處于關閉的位置。定位器對控制系統（甩負荷蒸汽排放控制器或蒸汽母管壓力控制器）來的信號進行轉換，為閥門執行機構提供一個合適的空氣壓力來調節閥門的開度。電磁閥位于向旁排閥執行機構供氣的管線上，具體位置見圖1。它作為一種保護聯鎖來控制旁排閥的開閉。如果電磁閥動作，使供氣管線失壓，那么由于彈簧力的存在，閥門仍將處于關閉的位置。下面詳細介紹一下4個電磁閥的控制信號和功能。

電磁閥A/B：當收到來自PMS的一回路平均溫度Tavg低2（274℃）或主蒸汽隔離信號時，電磁閥A、B動作使旁排閥供氣管線失壓，所有旁排閥無法開啟。但對于閥門V002A和V002B，可在非1E級遠程停堆站和主控室1E級PDSP盤上手動復位該閉鎖信號。

電磁閥C：對于第一列旁排閥（V002A、V002B、V002C），電磁閥C動作的設定值是50%。在來自于PLS的蒸汽排放需求量小于50%內時，電磁閥C不動作，壓縮空氣經過定位器，為閥門執行機構提供一個合適的空氣壓力，從而調節閥門的開度。在蒸汽排放需求量大于50%時，電磁閥C動作，將定位器旁路，壓縮空氣直接通過電磁閥C供向閥門執行機構，閥門快速開啟。對于第二列旁排閥（V003A、V003B、V003C），動作原理同上，只是電磁閥C的設定值為100%。

電磁閥D：當PMS中判斷凝汽器不可用或沒有C7信號（在溫度控制模式下）產生時，電磁閥D動作使旁排閥供氣管線失壓，閉鎖旁排閥開啟，防止在小負荷擾動時啟動蒸汽排放。C7信號用于監測汽輪機降負荷速率，當降負荷速率超過預設值時，產生C7信號，解鎖旁排閥。這個預設值相當于10%的階躍降負荷或負荷線性降低大于5%/min。

4 未能緊急停堆的預期瞬態（ATWS）下的事故分析

以上旁排閥的閉鎖信號均來自PMS和PLS，未能緊急停堆的預期瞬態（ATWS）時仍存在一定風險。當核電廠發生預期瞬態事故時，需要反應堆緊急停堆系統自動停堆，但由于反應堆保護系統發生共因失效而導致的停堆失效，這類瞬態稱為未能緊急停堆的預期瞬態（ATWS）。導致反應堆停堆功能失效的因素有：（1）保護和監控系統（PMS）的停堆信號失效；（2）停堆斷路器斷開失效；（3）機械失效，鉤爪失電后棒束控制組件（RCCA）不能落入堆芯。美國三代核電廠（AP1000）設有多樣化驅動系統（DAS），在PMS發生共因失效時，DAS可為電廠提供保護信號并觸發反應堆保護系統動作。

ATWS下，要求核電廠部件滿足美國機械工程學會（ASME）規定的C級應力限制。AP1000核電廠ATWS事故的驗收準則為反應堆冷卻劑系統（RCS）峰值壓力小于22.16 MPa。

因此，我們對AP1000 DAS的控制保護邏輯做出改進，修改蒸汽旁排邏輯，SG寬量程低水位觸發蒸汽旁排隔離。下面，對失去主給水ATWS進行最終工況分析，檢驗AP1000核電廠應對ATWS事故的能力。

在基本工況的基礎上，減小蒸汽旁排容量至20%和0%（工況2和工況3），結果見圖2。2個工況的RCS峰值壓力為23.34 MPa和22.93 MPa，與基本工況相比RCS峰值壓力明顯降低，但仍不滿足驗收準則。由于蒸汽旁排容量減小，SG水裝量下降速度減緩，一、二次側傳熱得到改善，從而導致RCS峰值壓力降低。此外，蒸汽旁排容量較大情況下，當RCS出現峰值壓力時，SG壓力很低（接近1個大氣壓），SG傳熱管將承受較大壓差。因此及早隔離蒸汽旁排不但可以明顯降低RCS峰值壓力，還能改善SG傳熱管所承受的壓差。結果表明，采用改進后的DAS控制保護邏輯，有利于緩解最極限的失去正常給水ATWS事故。

5 結語

文章對汽輪機旁路排放系統的運行控制和閉鎖方式，進行了詳細描述。并分析了改進后的DAS控制保護邏輯，即SG寬量程低水位觸發蒸汽旁排隔離，在未能緊急停堆的預期瞬態（ATWS）下，電站的事故響應能力。結果表明，采用改進后的DAS控制保護邏輯，有利于緩解極限的失去正常給水的ATWS事故。

參考文獻

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