CEFR滿功率下甩負荷安全風險探討

田鈺

摘 要：2014年CEFR在反應堆40%Pn和75%Pn兩種工況下進行汽輪機甩負荷試驗，反應堆均實現安全運行，汽輪機安全停運，常規島順利導出反應堆余熱，滿足試驗驗收準則，試驗成功。該文主要描述兩次甩負荷試驗過程、分析試驗進程、總結試驗結果的基礎上嘗試分析CEFR滿功率下甩負荷安全性。同時通過試驗探索CEFR運行優化，形成經驗反饋材料指導后續堆上運行工作。

關鍵詞：甩負荷 汽輪機 安全風險

中圖分類號：TL43 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）06（b）-0107-03

1 甩負荷試驗定義

汽輪機甩負荷是指為測取汽輪機調節系統動態特性，突然甩去汽輪機組部分和全部負荷所進行的全部檢測工作。在此過程中可能會導致機組超速、振動過大、主蒸汽系統超壓等異常現象出現。此外CEFR設計采用“機跟堆”的運行方式，汽輪機甩負荷試驗也是對反應堆保護系統和主熱傳輸系統導出反應堆余熱能力的驗證，鑒于以上因素，CEFR將汽輪機甩負荷試驗安排在反應堆40%穩定功率和反應堆75%穩定功率臺階下進行試驗，此項試驗成功后CEFR反應堆方能滿功率運行。

2 試驗準備

為確保試驗安全完成，在試驗前采取電站試驗調研、主回路傳熱能力計算、風險點分析和試驗操作票編寫等相關資料準備。堆上完成汽輪機保護和反應堆保護系統等安全試驗，證明了汽輪機能夠可靠停機，并有效切斷進汽，保證系統不超壓。為了防止保護停機系統失效，還安排了運行人員現場監視，準備隨時手動停機等保護措施。

3 兩次甩負荷試驗事件背景

3.1 反應堆40%穩定功率臺階下汽輪機甩負荷試驗

試驗前主要參數和關鍵系統運行狀態如下：（1）二回路四臺主泵均500 rpm運行，反應堆出口鈉溫417 ℃；（2）1#，2#蒸汽發生器入口鈉溫384 ℃左右，出口鈉溫283 ℃左右；（3）常規島主蒸汽母管壓力10.02 MPa，汽輪發電機維持3 000 rpm并網發電工況穩定運行。

3.2 反應堆75%穩定功率臺階下汽輪機甩負荷試驗

試驗前主要參數和關鍵系統運行狀態如下：（1）二回路四臺主泵均737 rpm運行，反應堆出口鈉溫494 ℃；（2）1#，2#蒸汽發生器入口鈉溫447 ℃左右，出口鈉溫311 ℃左右；（3）常規島運行正常。

4 兩次甩負荷試驗事件發展序列

CEFR兩次甩負荷試驗均以斷開01開關并觸發“汽輪機甩負荷”信號實現。系統流程見圖1、圖2。

4.1 反應堆40%Pn穩定功率臺階下汽輪機甩負荷試驗進程

20：25分，操縱員手動斷開01開關，發電機與電網解列；20：28分，汽輪機轉速上升達到最高轉速3 075 rpm；整個過程，核島系統維持40%Pn穩定功運行。

4.2 反應堆75%Pn穩定功率臺階下汽輪機甩負荷試驗進程

13：58分，操縱員手動斷開01開關，發電機與電網解列；13：58分，轉速上升，“主汽門關閉”信號觸發反應堆保護停堆。所有控制棒下落至下終端，一回路兩臺主泵開始惰轉最終至150 rpm，二回路兩臺主泵開始惰轉最終至300 rpm，汽輪機同時惰轉。

4.3 兩次汽輪機甩負荷試驗對比

兩次甩負荷汽輪機轉速最高達到3 075 rpm和3 181 rpm，導致不同的試驗進展情況，不同點描述如下：（1）40%Pn工況下的甩負荷試驗：依靠汽輪機轉速調節系統將汽輪機轉速維持3 000 rpm空轉運行，未觸發保護停堆。（2）75%Pn下的甩負荷試驗：汽輪機最高至3 181 rpm超過額定轉速的103%，DEH觸發調節汽門關閉，反應堆停堆。

兩次甩負荷試驗一、二回路鈉泵控制正確，旁排閥實現聯鎖打開，整個過程主蒸汽壓力不超13.29 MPa，發電機機端電壓最高達到10.6 kV，汽輪機各項參數運行穩定，反應堆保護系統完全按照保護邏輯序列進行動作。試驗結果滿足以驗收準則，實驗成功。

5 滿功率下甩負荷分析

CEFR滿功率時主熱傳輸系統參為：蒸汽發生器出口壓力14 MPa，主蒸汽母管壓力13 MPa，主蒸汽流量96 t/h，主蒸汽溫度維持450 ℃～470 ℃；汽輪發電機維持3 000 rpm并網發電狀態。由于40%Pn汽機甩負荷試驗堆功率相對較低，CEFR滿功率甩負荷主要參考75%Pn下汽機甩負荷數據，從汽輪機轉速、主蒸汽系統壓力、給水流量三方面進行滿功率甩負荷探討。

5.1 滿功率下汽輪機甩負荷轉速分析

CEFR汽輪機調節保安系統是由數字電調系統（DEH）、液壓調節系統和汽機保安系統三大部分組成。當汽機轉速大于額定轉速的103%調節氣門關閉；當汽輪機組轉速超過額定轉速的109%主汽門關閉；當轉子超過額定轉速110%～112%時，危急遮斷器動作觸發主汽門和調節汽門關閉實現機組停機。

CEFR汽輪機實際運行中采用偏保守考慮，當汽機轉速大于額定轉速的103%就能實現汽輪機停機反應堆停堆。與其他核電站或火電站相比，CEFR汽輪機采用縮短汽輪機甩負荷后進汽時間從而達到減少蒸汽在汽輪機內部做功途徑，將機組甩負荷后轉速升高控制在盡量低的范圍。對于研究堆來說這也是CEFR一個顯著特點。另外從主汽壓力曲線變化可以看出，在甩負荷開始階段（15 s內）由于旁排閥開啟滯后效應汽壓有所上升，15 s后由于旁排閥開啟效應主汽壓開始降低，后續隨著2#旁排參與主蒸汽的調壓，可以看到主蒸汽母管壓力在小范圍內波動。

5.2 滿功率下汽輪機甩負荷主蒸汽系統壓力分析

CEFR汽輪機旁排系統承擔反應堆熱量導出，在汽輪機組緊急故障或甩負荷時，旁排閥自動打開，蒸汽經旁路排放系統排入主冷凝汽器，保證反應堆安全運行。旁排系統共設有兩臺旁排閥管路，一臺實現調節功能一臺實現保護功能。每臺旁排閥額定排放量為32 t/h（蒸汽量的66.7%）。CEFR為防止主蒸汽系統超壓，還在兩環路蒸發器出口和過熱器入口設置兩臺大汽釋放閥，向大氣排放多余蒸汽。每臺大氣釋放閥額定流量可達32 t/h（蒸汽量的66.7%）。

由于CEFR在75%Pn臺階下三回路啟動停堆冷卻系統投運，有13.8 t/h主蒸汽通過啟動擴容器支路排放至冷凝器。只有57.2 t/h過熱蒸汽進入汽輪機發電，其蒸汽量低于CEFR旁排最大排放量64 t/h，2#旁排閥收到甩負荷信號開啟，最高流量達37 t/h，維持約1.5 s后關閉，整個主蒸汽系統壓力由1#旁排閥調節維持（甩負荷3 s后參與調節）。其閥門開度與壓力變化見圖3。

圖3中無論是1#旁排還是2#旁排在汽機甩負荷中都參與主汽壓力調節，在調節過程中排放峰值（37 t/h）超過其正常單環排放額定流量32 t/h，可以看到CEFR旁排系統實際排放量較設計偏大，有利于高工況反應堆余熱導出。在反應堆滿功率后以總蒸汽量96 t/h計算，如果發生汽輪機甩負荷，通過旁排系統可按64 t/h導出蒸汽，剩余32 t/h蒸汽量可通過大氣釋放閥導出，4臺大氣釋放閥共可承擔128 t/h蒸汽量，設計值遠遠大于滿功率下實際蒸汽排放量，功率下汽輪機甩負荷時主蒸汽系統壓力不會超壓15 MPa。

5.3 滿功率下汽輪機甩負荷給水流量變化分析

CEFR設計兩組蒸汽發生器，在75%Pn臺階下汽輪機甩負荷后，主給水流量由原來單環36 t/h，經過幾次波動至15 t/h左右后開始穩定運行，其中甩負荷后單環最小流量達到5.28 t/h。

CEFR滿功率下甩負荷會觸發停堆保護，一二回路四臺主泵分別墮轉至150 rpm和300 rpm，同時三回路給水泵按照當前功率水平下額定給水量運行，反應堆操縱員根據蒸汽發生器出口鈉溫限值和鈉溫變化速率手動調節給水泵轉速和給水調節閥開度控制給水流量。這樣三回路給水調節時效性和準確性都不能保證，這樣在一定程度上加大了甩負荷后主熱傳輸系統重要設備的沖擊。未來CEFR滿功率下堆上如果進行甩負荷試驗，需要加強這方面研究。

6 CEFR滿功率甩負荷運行建議

借鑒以上兩次汽輪機甩負荷試驗的成功經驗，結合CEFR運行特點提出反應堆在高功率下兩項優化運行方案。

6.1 反應堆高功率運行三回路蒸汽采用雙路運行方式

反應堆在75%額定功率臺階運行時，需要進行廠用蒸汽切換操作，即原啟動停堆系統停運，投入汽輪機一段抽汽。在具體操作過程中，需要進行暖管和就地系統的導通操作，操作量大，比較耗時。反之，在反應堆降功率或者保護停堆后廠用蒸汽源也需要進行手動切換，特別是保護停堆后操縱員由于要監控運行設備，啟動停堆系統無法自動投運，勢必造成人員調動緊張，影響系統正常投入。建議啟動停堆系統連續運行，從而提供一條主蒸汽導出支路，緩解了保護停堆對汽輪機、除氧器等大型設備的沖擊，為廠用啟動鍋爐投運創造時間。

6.2 三回路自動調節系統完善

現階段CEFR主給水流量通過操縱員手動控制實現核島與常規島熱量匹配運行，一方面直接影響CEFR升功率速度，另一方面反應堆保護停堆后，給水流量不能跟隨減小，維持原功率臺階下對應給水流量。這樣增加操縱員停堆后工作量同時加劇CEFR主熱傳輸系統沖擊，這種沖擊通過汽機甩負荷后三回路壓力，流量和溫度變化曲線已經可以看到。建議在CEFR后續運行中積累基礎運行數據，完善主給水調節、凝結水調節和除氧器液位調節等系統自動調節功能，建立一套CEFR三回路調節系統。

7 CEFR滿功率甩負荷相關保障

通過兩次汽輪機甩負荷試驗的成功，表明了中國實驗快堆高功率情況下主傳熱系統的可靠穩定，為后續滿功率運行下開展甩負荷試驗奠定基礎，以下幾點成熟經驗值得借鑒。首先，試驗前詳細準備是試驗成功的基礎，試驗準備包括人員準備、設備準備、資料準備等，這些工作都在前文中提到現不做詳述。其次，試驗人員嚴格按照試驗規程操作是試驗成功的保證，在甩負荷試驗中，試驗人員即當值操縱員依據試驗規程遵照試驗操作流程進行，另外，考慮到試驗中突發情況，操作臺還配有異常風險操作單。最后，良好的經驗反饋是試驗成功的助推器，操縱員通過經驗反饋的歸納和學習，加深認知，指導堆上各項操作實踐，建立適合CEFR運行的文化體系。

參考文獻

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