320MW機組甩負荷瞬態及提高甩負荷成功率方法分析

趙子毅

【摘 要】甩負荷事故對電廠來說是一種嚴重的事故，尤其是當甩負荷失敗后可能對反應堆、汽輪機、安全指標、經濟性等諸多方面造成不利的影響。本文通過對甩負荷后瞬態的分析，及甩負荷后各參數的變化，提出了幾條提高甩負荷成功的建議。

【關鍵詞】320MW核電機組；甩負荷；蒸汽發生器液位；成功率

中圖分類號： TM623 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）20-0031-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.20.011

【Abstract】Load rejection accident is a serious accident to a plant.It is bad to the safety of the reactor， the safety of steam turbine， safety indicators， economy when the Load rejection failure. Based on the analysis of the transient Load rejection and the changes of the parameters，proposing several recommendations to improve the success of Load rejection.

【Key words】320MW nuclear power plant； Load rejection； The level of steam generator； Success rate

1 甩負荷成功的意義

秦山30萬機組的甩負荷事故分為兩類：一類是由于電網或母線故障而跳開2001M，帶廠用電運行；另一類是2001B非全相保護動作三相跳閘，汽機空載運行。當30萬機組發生甩負荷事故后，如果甩負荷失敗，汽輪機停機將造成諸多不利的影響。第一，若P10信號存在，汽輪機停機將導致反應堆停堆，影響生產指標，同時控制棒快速落到堆底，可能對控制棒造成損壞。第二，若汽輪機停機，主汽門將快速關閉，而失去外電負荷調門將自動關閉，主汽門關閉速度比調門關閉速度快，所以若甩負荷失敗導致汽機停機比甩負荷成功所引起的反應堆冷卻劑系統壓力、溫度和水容積的瞬態的嚴重性更大。第三，汽輪機的運行可靠直接影響著機組本身的安全性和機組的使用壽命，機組頻繁的啟停以及變負荷運行而產生的交變應力可能損壞轉子。第四，當2001M跳閘后，汽輪發電機的正常運行保證了給廠內負荷供電的可靠性，不但保證了反應堆的安全，也減小了對廠內用電設備的危害。第五，當2001B跳閘后，汽輪機不停機減少了機組再次并網的時間，更具經濟性。

2 甩負荷事故后對各系統參數的影響

2.1 對轉速的影響

當發生甩負荷故障后，由于轉子阻力矩降低，汽輪機組會超速。此時DEH進入轉速控制模式，OPC超前器功能啟動，迅速關閉調門和再熱調門，防止汽機超速。核電汽輪機組蒸汽為飽和蒸汽，參數低，容量大，汽輪機的通流部分表面與腔室、汽水分離再熱器和回熱抽汽管道中均覆蓋著厚約幾十微米的水膜，在個別處水膜的厚度可達幾百微米，水膜中所包含的大量水分處于飽和狀態，當發生甩負荷事故時，機組同流部分壓力下降，水膜蒸發形成蒸汽，成為機組二次及多次超速的原因之一。秦山30萬機組超速保護控制器設定超速保護值為103%，當OPC檢測到汽機超速103%后，迅速關閉調門和再熱調門，防止汽機二次超速。下圖為30萬機組50%、100%甩負荷試驗時的相關趨勢。

由于汽輪機的超速而導致的頻率增加將增加冷卻劑流量，增加的反應堆的安全裕度。但是若DEH調速系統故障，有可能導致棒電源機組及主泵等設備跳閘，從而導致反應堆停堆。當OPC自動動作正常時，汽輪機轉速將控制在合理范圍內，能保證重要負荷正常運行，將增大甩負荷成功的概率。此外，當發生甩負荷故障時，機操要關注汽機振動、金屬溫度、軸向位移等參數，若超過限值，要迅速手動停機。

2.2 對反應堆冷卻劑平均溫度、穩壓器壓力、液位的影響

由于甩負荷故障后，調門快速關閉，蒸汽流量突然減小，蒸汽發生器殼側壓力升高。與此同時，蒸汽發生器傳熱能力減小，反應堆冷卻劑平均溫度升高和體積膨脹，從而導致冷卻劑向穩壓器流動，引起反應堆冷卻劑壓力升高。隨后隨著控制棒的下插、穩壓器壓力控制系統（噴淋）動作及旁排或大氣釋放閥的動作，反應堆冷卻劑平均溫度、穩壓器壓力液位下降。下圖為30萬機組75%甩負荷試驗時的相關趨勢。

從試驗數據可以看出，甩負荷事故對秦山30萬機組反應堆冷卻劑平均溫度及穩壓器的壓力和液位影響并不大，自動控制系統可以將各參數控制在要求的范圍內。所以在甩負荷事故后，堆操要盡快確認自動控制系統是否相應正常。若動作異常，應迅速手動調節。需要注意的是：甩負荷后，若C5信號存在，控制棒不會自動提升，控制棒應手動控制平均溫度。

2.3 對蒸汽發生器液位的影響

下圖是C2調試50%甩負荷試驗時蒸汽發生器液位的變化趨勢：

從圖中可以看出，甩負荷的瞬間，由于調門的關閉，蒸汽流量下降，蒸汽壓力上升，蒸汽發生器窄量程水位由于虛假水位迅速下降。隨后旁排動作，蒸汽壓力釋放，蒸汽發生器液位上升。隨著程序液位的降低，主給水調節閥關小，主給水流量降低，蒸汽發生器液位開始下降。由于堆機功率不匹配，旁排閥的頻繁動作，使蒸汽發生器液位不斷波動。此外，旁排閥的頻繁動作，使汽輪機的沖動級壓力波動，從而使參考平均溫度及蒸汽發生器程序液位不斷波動，堆機功達平衡調節時間較長。

2.4 對發電機端電壓的影響

甩負荷后，頻率增加，端電壓升高，由于為恒端電壓控制方式，晶閘管導通角減小，發電機無功減小，端電壓降至18KV。若AVR調節過慢，可能導致發電機過電壓保護。

2.5 對主給水系統的影響

由于汽輪機超速保護動作，各抽汽逆止閥關閉。低加抽汽的隔離造成進入除氧器的凝結水溫度降低，高加抽汽的隔離造成高加至除氧器的疏水減少，加上除氧器本身四段抽汽的喪失，使除氧器的壓力迅速降低，但是除氧器內部的水溫變化較壓力有一定的滯后，導致除氧器壓力小于入口給水溫度對應的飽和壓力，則很有可能導致主給水泵前置泵發生汽蝕，而前置泵的汽蝕導致主給水泵汽蝕，從而損壞主給水泵。

若主給水泵小流量再循環閥沒有打開，主給水流量低導致泵體內水溫度升高，同樣會造成主給水泵的汽蝕。

3 提高甩負荷的成功概率的方法及建議

根據前面的分析，甩負荷不成功主要的原因有：轉速調節系統不佳，導致重要設備跳閘，從而導致停堆；機組振動、潤滑油溫度超標導致停機停堆；主給水泵汽蝕，喪失主給水；發電機端電壓過高；蒸汽發生器液位由于虛假液位停機或停堆。針對不成功原因，提高成功的方法有下：

3.1 提高DEH的轉速調節性能，加強對汽輪機的疏水

通過試驗可以看到秦山30萬機組DEH調節轉速的性能較好，甩負荷后頻率能保持在合理的范圍內，并且最后穩定運行，可以保證設備可靠運行。

通流部分水膜壓力突降變成蒸汽是秦山30萬機組汽輪機超速的主要原因之一，因此甩負荷后檢查汽輪機本體疏水是否正常打開非常有必要。甩負荷事故發生后，常規島值班員應迅速檢查汽機本體疏水閥、導氣管通風閥是否打開。若疏水閥不能正常動作，則手動打開相關疏水閥。

3.2 保證二回路重要系統的正常運行

甩負荷事故發生后，因為各重要系統都在自動控制下進行調節，所以在確認完自動系統動作正常、輔助蒸汽切換后，主控及現場均應立即檢查二回路重要系統（工業水系統、定轉子冷卻水水系統、潤滑油系統）的設備是否運行正常，若發生誤跳，應盡快恢復，尤其要關注主給水再循環閥動作是否正常，若沒有打開，立即手動打開，保證二回路相關設備的安全運行。

3.3 快速進行輔助蒸汽汽源的切換，維持除氧器壓力液位

當發生甩負荷事故后，應迅速打開輔助蒸汽供汽閥FZQ-01V，關閉汽輪機一級抽汽截止閥FZQ-03V，恢復輔助蒸汽母管供汽，并確認除氧器恢復定壓運行，維持除氧器壓力在0.5kg/cm2，以防止主給水泵發生汽蝕。此外，由于除氧器液位在60%功率以上是三沖量調節，甩負荷后將自動切換為單沖量調節。因此，甩負荷后要檢查除氧器液位控制的程序液位設定是否正常，盡量保證除氧器液位在較高液位運行，這也是防止主給水泵汽蝕的方法之一。

3.4 控制發電機的端電壓

甩負荷后發電機端電壓升高，必要時可將AVR切手動，降低發電機勵磁電流，防止發電機定子過電壓保護動作23.4KV。停止不必要的設備，保留一臺主給水泵、一臺凝結水泵、一臺凝升泵、兩臺循泵運行，防止過多設備運行影響發電機的端電壓和頻率。

3.5 減小調節過程中蒸汽發生器液位的波動，加強對蒸汽發生器液位的監視

從試驗數據中可以看出，在事故發生的瞬態，由于旁排閥動作的滯后，蒸汽發生器蒸汽壓力升高，造成的虛假液位非常明顯，可能造成停堆。但是由于事故的發生往往是不能預期的，所以瞬態的調節取決于自動調節系統的特性，人為無法干預。但是，人為可以控制瞬態過后蒸汽發生器的液位。

低功率時，平均溫度對蒸汽流量變化響應較慢，旁排控制系統穩定性下降。因此，待冷卻劑平均溫度與參考平均溫度相差小于0.6℃后，將旁排控制方式開關置“壓力”模式，提高控制系統的穩定性。

甩負荷事故發生后，在低功率下由于蒸汽/給水流量低不宜測量且蒸汽流量波動大，再加上蒸汽發生器空泡份額低，核功率變化對蒸汽發生器窄量程液位變化影響較大。此外，旁排的頻繁動作使虛假液位明顯，操縱員很難判斷蒸汽發生器真實的液位，蒸汽發生器的液位調節困難較大。蒸汽發生器寬量程液位反映的是蒸汽發生器的水裝量。較窄量程而言，寬量程能較快的反映出蒸汽發生器真實液位的變化趨勢。因此，若在CB504的計算機上加入蒸汽發生器寬量程的變化趨勢，操縱員可結合寬窄量程液位對蒸汽發生器真實液位的進行判斷，以便需要手動干預蒸汽發生器液位時，提供液位控制的判斷依據。

從C2調試50%甩負荷試驗的圖中可以看出，調節過程中蒸汽發生器液位的波動，是汽輪機甩負荷至空載失敗的重要原因之一。旁排的頻繁動作，是導致蒸汽發生液位波動的主要原因。若能旁排保持一定開度，將減小蒸汽發生器液位的波動。手動提高核功率，可使旁排保持一定的開度。但是，核功率應該保持P10出現值以下，避免意外停機造成停堆。

假設核電廠的傳熱效率均為100%，即核功率完全傳遞給蒸汽，汽機空載蒸汽流量約7%，即約140T/h，核功率為W，旁排的質量流量MT/h，在焓熵表上查得6.3Mpa.下飽和蒸汽的焓h1是2781KJ/Kg，飽和水的焓h2是1230KJ/Kg，對應的熱平衡有：

W=（M+140）×（h1-h2）

帶入數值，可以求得，當核功率是80MW時，旁排的流量約為45T/h；當核功率是85MW時，旁排的流量約為58T/h。將核功率保持在80MW至85MW之間應能保證旁排有開度，若旁排開度過小，可手動調小給定壓力，使旁排有穩定的開度（開到多少？）。

綜上所述，甩負荷發生后，為了維持蒸汽發生器的水位，待冷卻劑平均溫度與參考平均溫度相差小于0.6℃后，我們需要做到并且建議：

將旁排自動控制模式切換至“壓力”控制模式。

將控制棒投手動，手動提升控制棒，提高核功率至80MW～85MW，使旁排閥一直處于開啟狀態。

當蒸汽流量<20%額定流量后，將主給水切換到單沖量控制，減小蒸汽流量變化對主給水調節閥開度的影響。

在CB504的計算機上加入蒸汽發生器寬量程的變化趨勢，必要時結合窄量程液位和寬量程變化趨勢手動調節蒸汽發生器液位。當虛假液位明顯時，參考核功率調節主給水流量。

3.6 加強運行人員的培訓

由于甩負荷事故不經常發生，所以為了防止發生該事故時各崗位不知所措，需每年對主控及常規島值班員進行培訓。主控室人員可在模擬機訓練時模擬該事故，檢驗操作員是否響應正確，配合是否默契。常規島值班員應學習理論知識，清楚發生甩負荷事故后，應該檢查哪些設備、閥門，減少事故的處理時間，防止事故擴大。

4 結論

甩負荷事故嚴重危害著核電站的安全運行，尤其是當甩負荷失敗后，將對反應堆、汽輪機、安全指標、經濟性等諸多方面造成不利的影響。本文分析了甩負荷事故對轉速、反應堆冷卻劑溫度、壓力、蒸汽發生器液位、發電機端電壓及主給水系統的影響，并通過對秦山30萬機組及C2甩負荷試驗結果分析，提出了事故發生后提高甩負荷成功率的方法及建議。希望本文能對發生甩負荷事故后的處理有一定的幫助。

【參考文獻】

[1]《甩負荷事故（QYG.04-QYG.04.09-A3）》.

[2]功率試驗調試總結報告（五）——甩負荷試驗（二回路部分）.

[3]秦山核電廠甩負荷試驗.