GCT系統在機組瞬態下的響應及故障處理

趙昌興　許海峰　毛耀軍

【摘 要】本文介紹了GCT系統的基本功能，并結合其工作原理，對一些瞬態工況進行了分析，重點論述了在滿功率停機不停堆工況下，GCT121VV未正常開啟時調節系統的響應過程。并從機組控制的角度對操縱員的如何進行故障處理進行了探討。

【關鍵詞】GCT控制原理；故障；瞬態；響應

Response and Fault Treatment of GCT System Under Transient Condition

ZHAO Chang-xing XU Hai-feng MAO Yao-jun

（Nuclear Power Operation Management Co.，Ltd.，CNNC，Haiyan Zhejiang 314300，China）

【Abstract】This paper introduces the basic functions of the GCT system，Based on its working principle，some transient working conditions are analyzed，This paper mainly discusses the response process of the system when the GCT121VV is not normally opened under the condition of full power turbine trip only.Under the condition of this kind of trouble，how to control the generator unit is discussed.

【Key words】GCT control principle；Fault；Transient；Response

0 前言

在秦二廠，反應堆對負荷的適應性跟不上汽輪機對負荷的適應性，當需要大幅降負荷時，汽輪機能夠很快關小調節汽閥，降低汽機出力，但反應堆只能以5-10%的速率逐步降功率，這樣就產生了一個功率差，所以設置了汽機旁路排放系統（GCT）。在汽輪發電機組突然減負荷或在汽輪機脫扣的情況下，排走蒸發器內部產生的過量蒸汽，避免蒸汽發生器安全閥動作；在熱停堆和最初冷卻階段，排出由裂變產物和運轉主泵所產生的剩余釋熱和顯熱，直至余熱排出系統投入使用。做為秦二廠五大調節系統之一，GCT系統雖然不具有核安全功能，但在防止一回路過熱和二回路超壓、防止一回路過冷、實現安全停堆方面具有安全功能。分析系統工作原理及在機組瞬態工況下的響應對加強操縱人員的事故干預能力、保證機組安全上具有重要意義。

1 GCT系統控制原理簡介

每個GCT的氣動控制閥接受兩類信號：一類是控制開啟信號，包括調制信號及快開信號，另一類是邏輯允許信號。其基本控制原理見下圖。

圖1

在氣動排放閥的供氣管線上有3個電磁閥及一個氣動定位器，電氣轉換器來的調制信號經氣動定位器轉換為開啟排放閥開度的比例的氣壓，此空氣源由壓縮空氣系統供給，經過3個電磁閥允許后去打開GCT排放閥。在某些瞬態情況下，快開信號直接作用在電磁閥S3上，使壓縮空氣經S3的2—3路通，再經邏輯允許信號電磁閥S2、S1的1—3路通，將GCT排放閥快速打開?？紤]安全的因素，使用了一些邏輯允許閉鎖信號，此信號具有冗余，分A/B列，任一列信號產生，均導通電磁閥S2、S1的2—3路，使閥門排氣后關閉。

由上可見，閥門開啟有兩個必要的信號：一個邏輯允許信號和一個模擬控制信號。

1.1 閥門調節的控制模式

蒸汽排放控制模式有兩種，即溫度模式和壓力模式。所謂溫度控制模式，它產生的GCT開啟信號正比于反應堆冷卻劑平均溫度與代表二回路負荷的整定溫度之差，溫度模式用于自動控制運行，如甩負荷、甩到廠用電、汽輪機脫扣、反應堆緊急停堆等。所謂壓力控制模式，它是將蒸汽母管的壓力維持在手動設定值水平?？刂苹芈肥潜壤e分回路。此通道用于低負荷控制棒手動期間或蒸汽排放閥開啟情況下低負荷長時間運行（反應堆啟動或冷卻）。

1.2 閥門運行

這兩種模式下，通過調節傳感器來的調節信號控制每一個閥門，可以連續的調節閥門或閥門組的開啟，當前面的閥門或閥門組全開時，則依次打開后面的閥門或閥門組。當接受關閉指令時，按相反的次序執行。第一組閥門（GCT121/117/113VV）是逐個開啟的，開啟順序為GCT121VV-GCT117VV-GCT113VV，其余兩組閥門都是各閥一起開啟。第一組三個閥全開占總開度的25%，第二組三個閥全開將GCT總開度從25%增加到50%，第三組六個閥全開將GCT總開度由50%增加到100%。第一組閥的快開時間為2.5S，第二組、第三組閥的快開時間均為2S，三組閥的調節開啟時間均為10S。

1.3 控制模式轉換

為了避免控制模式從溫度模式轉換到壓力模式時蒸汽排放閥開度突變，造成機組大的瞬態，這種轉換僅在蒸汽母管蒸汽壓力控制回路發出的信號與反應堆冷卻劑平均溫度控制回路發出的信號偏差小于2%時才有效。

2 瞬態工況下系統的響應

機組正常運行時一回路溫度由棒控系統來調節，但在機組瞬態時一回路溫度變化很大，僅靠調節棒難以匹配一二回路功率平衡，故瞬態時需要GCT系統參與調節使得一回路功率與二回路負荷匹配。下面對一些常見瞬態工況下系統的響應進行簡要分析。（下文中Tavg指一回路平均溫度次高選值，Tref指一回路參考平均溫度，C7A指兩分鐘內汽機甩負荷≥15%Pn，C7B指兩分鐘之內汽機甩負荷≥50%Pn）。

2.1 汽機甩負荷

這里指部分甩負荷，在溫度模式下，如果甩負荷幅度觸發C7A或C7B信號，就會導致旁路排放系統動作，旁排系統在此瞬態過程中的響應如下：

1）汽機入口壓力突降到電功率對應值；

2）Tavg與Tref之間產生偏差，402GD產生輸出，輸出值決定閥門開度；

3）控制棒下插，Tavg下降；

4）Tavg與Tref之間偏差減小，旁排閥門隨之關小，當偏差小于3℃時旁排閥全關；

5）控制棒繼續調節Tavg，直到Tavg與Tref相等；

6）機組在當前功率狀態下穩定，瞬態結束；

7）操縱員復位C7A和C7B。

2.2 帶廠用電運行

機組的500kV出線開關斷開，但汽輪發電機組未跳閘，最終功率整定值回路觸發，產生最終功率整定值，旁路排放系統響應如下：

1）汽機入口壓力突降到廠用電功率對應的壓力值；

2）Tavg與汽機入口壓力之間的偏差（402GD與403GD之和）決定旁路排放閥門的開度；

3）控制棒下插；

4）Tavg下降，402GD輸出減小，閥門逐漸關??；

5）當Tavg與最終功率整定值對應的Tref之間偏差小于3℃時，閥門保持固定開度，開度由403GD的輸出決定（一個固定開度）；

6）控制棒繼續下插，直到Tavg與最終功率整定值對應的Tref相等；

7）機組在當前狀態下穩定，瞬態結束；

8）操縱員將控制棒置于手動，再將GCT-C切換到壓力模式，降功率穩定后等候重新并網。

2.3 汽機脫扣而反應堆未緊急停堆

下列情況下汽機脫扣C8將導致反應堆緊急停堆：

凝汽器不可用■，并伴隨有核功率大于30% Pn（P16信號），則反應堆緊急停堆；

有P16信號，如果同時出現下列情況之一，則延時1s后，反應堆緊急停堆：

1）2組閥的閉鎖信號存在；

2）第3組閥的閉鎖信號存在，且甩負荷大于50% Pn；

3）任一手動隔離閥非全開；

4）無控制信號（Tavg-Tref+△T>1.75℃不存在）。

否則，汽機脫扣時并不引起反應堆緊急停堆。汽機脫扣而沒有引起反應堆緊急停堆與帶廠用電運行時的情況類似，在瞬態過程穩定后，同樣需要將控制棒切換到手動，然后將GCT-C切換到壓力模式，然后等待汽機重新啟動。

2.4 反應堆緊急停堆（P4）

反應堆緊急停堆將引起汽機脫扣而使蒸汽發生器壓力升高。如果凝汽器是可用的，GCT動作就可以避免蒸汽發生器安全閥的動作。反應堆緊急停堆引起GCT的排放是由冷卻劑平均溫度與控制回路產生的零負荷時的參考溫度Tref.0之差來控制的，隨著Tavg的逐步下降，閥門開度也逐步減小。在緊急停堆時，為防止一回路過冷而使安注動作，閉鎖第3組閥開啟。

GCT壓力模式下控制一般用于低負荷，此時，GCT只根據實測母管壓力與整定壓力之差來控制GCT閥門的開啟，壓力模式下無快開信號。

3 滿功率停機不停堆，GCT121VV未正常開啟時系統的響應分析

初始工況：機組滿負荷運行

事故情況：汽機跳閘，反應堆未停堆

疊加故障：GCT121VV故障未能開啟。

3.1 平均溫度整定值Tref生成

汽機跳閘，C8信號觸發，由于機組最初為滿功率運行，根據最終功率整定值生成邏輯，可知，最終功率整定值為20%Pn。在GCT-C的邏輯圖上，由于B列C8觸發，GRE406XR的輸出為0%Pn，最終功率整定值與0%Pn高選經401GD生成Tref=294.64℃{（310-290.8）×20% +290.8=294.64}?？芍谏厦娼榻B的工況中，一回路平均溫度整定值Tref是定在294.64℃不變的。下面調節系統的響應就是控制一回路平均溫度使之等于整定值。

3.2 GCT-C快開

在汽機跳閘的瞬態，Tavg=310℃，Tref=294.64℃，溫度修正信號△T=2.78℃，Tavg-Tref+△T=18.14℃，在沒有緊急停堆的溫度模式下，GCT-C第一二三組閥的快開定值分別為6℃、8.95℃、14.9℃，由此可知，汽機跳閘瞬態，GCT-C的三組閥將全部快開。同時由于一回路平均溫度大于其整定值，棒速驅動信號Tavg-Tref+d（P1-P2）/dt≈15.36℃，可知，控制棒將以最大速度下插。在以上兩種調節系統的共同作用下，一回路平均溫度快速下降。當Tavg-Tref+△T<14.9℃時，第三組閥的快開信號消失，6個GCT閥門關閉；當Tavg-Tref+△T<8.95℃時，第二組閥的快開信號消失，3個閥門關閉；當Tavg-Tref+△T<6℃時，第一組閥的快開信號消失，這時，GCT-C的總開度將取決于調節開啟信號。

3.3 GCT-C調節開啟

根據GCT-C的模擬圖，函數發生器410GD的作用為：將最終功率整定值與汽機入口壓力的功率偏差信號轉換成溫度修正信號。在上述工況中：最終功率整定值為20%Pn，B列C8信號引入的汽機入口壓力為0%Pn，偏差為20%Pn，所以2.78℃的溫度修正將恒定的送入403GD，產生19%的開度信號。只要滿足以下兩個條件，此開度要求將一直維持。

a）B列C8信號存在或GRE025MP的壓力信號為零；

b）最終功率整定值未被復位。

Tavg-Tref的偏差信號經402GD轉換成開度信號，402GD與403GD的開度之和作為GCT-C閥門的總開度。在快開信號消失之后，GCT-C閥門變為調節開啟。第一組閥快開信號消失時Tavg-Tref+△T<6℃，所以Tavg-Tref<（6℃-2.78℃）=3.22℃，函數發生器402GD的輸出將小于（3.22-3）/（14.9-3） =1.85%，403GD恒定輸出19%的開度，所以快開信號消失后，第一組閥的調節開度將是20.85%。隨著一回路平均溫度的繼續下降，GCT-C的要求開度繼續減小。當-3℃

此種狀態下的二回路總的負荷測算：GCT帶走的負荷：10.67%*105%=11.2%FP，除氧器及軸封用汽約6%FP，總負荷為17.2%FP，小于整定負荷（20%FP），必然會造成一回路過熱，這時棒控系統繼續動作，控制棒在溫差信號的驅動下下插，由于超調，控制棒下插過度，最終將導致核功率小于15%Pn，C20信號出現，閉鎖控制棒的自動提升。

調節系統自動動作，沒有手動干預時，會出現以下狀況：GCT-C閥門開度固定在10.67%，控制棒被閉鎖提升，核功率低于15%Pn。可以看出這時調節系統失去自動調節能力，由于一二回路功率不匹配，二回路負荷大于一回路核功率，一回路平均溫度將持續下降。

如果沒有手動干預，Tavg將低于Tref，直至Tavg-Tref<-3℃，這時函數發生器402GD開始輸出一個負開度值，使得GCT-C閥門總開度變小，GCT113VV關小。當P2（二回路功率）-3℃時，402GD的輸出重新變為零，GCT-C總開度恢復至10.67%，P2 > P1，Tavg下降，至Tavg-Tref<-3℃時，GCT-C再次關小，如此往復。402GD在-5℃時輸出-30%，可使GCT閥門全關，所以一回路溫度的控制下限為294.64-5=289.64℃，不會觸發一回路過冷信號P12。

最終的狀態是：一回路平均溫度維持在低于整定值3℃，即291.64℃上下波動，GCT113VV頻繁開關（函數發生器402GD在-5℃～-3℃區間斜率很大，很小的溫度變化就會引起較大的輸出開度的變化），蒸汽流量大幅波動，進而使蒸汽發生器壓力和水位波動；蒸汽流量的波動也將引起一回路Tavg、穩壓器壓力和水位的波動。

3.4 故障處理

沒有手動干預的情況，是一個不穩定的工況。事實上在C20信號出現后，操縱員就應該把控制棒打手動，通過手動改變棒位使一回路核功率與二回路負荷匹配，并最終使Tavg=Tref=294.64℃，避免GCT-C閥門頻繁動作。

額外的故障風險點：GCT121VV故障不能開啟，但仍然存在意外開啟的可能，如果意外開啟，將瞬間引入8.33%的開度，導致一回路平均溫度、蒸發器水位大的波動，極易引發停堆事件。為避免遭受此種大的瞬態，在機組狀態穩定后，應及時將GCT-C切至壓力模式，并降低反應堆功率至P10以下。然后將GCT-C切至GCT-A控制。為檢查停機原因、處理GCT121VV故障提供安全窗口。

4 結語

GCT系統的存在使機組能夠應對瞬態工況，并平穩過渡到穩定狀態。機組在100%Pn穩定運行，發生汽機跳閘而不停堆的瞬態時，控制系統的核心目標是使Tavg=Tref，控制手段為GCT-C與RGL兩大調節系統。GCT-C在瞬態初期導出一回路過量的熱功率，過渡到穩態時為一回路提供一個恒定的負荷（20%Pn）；RGL系統通過提升或下插控制棒，使一回路功率跟蹤二回路負荷，使得P1=P2，Tavg=Tref。穩壓器水位與壓力、蒸發器水位與壓力的調節都要受到以上兩大調節系統的影響。如果疊加GCT121VV不能開啟故障，控制系統不能達到自穩狀態，需要操縱員手動干預。

【參考文獻】

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[2]應急運行規程[S].浙江：核電秦山聯營有限公司.Emergency Operating Procedures.Nuclear Power Qinshan Joint Venture Company，LTD.

[3]應急運行規程解釋規程[S].浙江：核電秦山聯營有限公司.Interpretation Rules forEmergency Operating Procedures Nuclear Power Qinshan Joint Venture Company， LTD.

[責任編輯：田吉捷]