AP1000旁排系統調試經驗反饋

羅吉江(山東核電有限公司， 煙臺 265116)

AP1000機組常規島熱力系統采用單元制，機組運行負荷模式為承擔基本負荷。核電汽輪機旁路系統又稱為旁路排放系統，簡稱旁排系統。AP1000機組采用一級大旁路形式，即通過旁排系統直接將主蒸汽排至凝汽器。旁排流量按額定工況主蒸汽流量的40%設計。在啟動初期和異常情況下，旁排系統將主蒸汽排至凝汽器，避免主蒸汽大氣釋放閥、主蒸汽安全閥和穩壓器安全閥的動作。本文對旁排閥調試過程中產生的問題，如旁排閥控制對象錯誤、定位器反饋單元異常及甩負荷時旁排閥控制異常等進行了分析，并給出了應對措施，為后續同類型機組的調試、運行提供借鑒。

1 旁排系統的功能

汽輪機旁排系統是核電站不可或缺的重要組成部分之一，為機組的啟動、停運、正常運行和異常瞬態工況(如汽輪機跳閘、階梯負載降低或主蒸汽管道的隔離)提供蒸汽旁路，確保機組的安全、經濟運行。旁排系統具有啟動機組、泄流、保證機組安全和實現機組特殊工況的功能。

1.1 配合機組的啟動

壓水堆核電汽輪機是飽和蒸汽汽輪機。為降低進入汽輪機的蒸汽濕度，在啟動初期，機組隨著核島蒸汽壓力的升高而逐漸開啟旁排閥，使汽輪機進汽管路得到充分的暖管。

常規火電機組旁排系統對于鍋爐蒸汽溫度與汽輪機金屬溫度的合理匹配起著至關重要的作用。而壓水堆核電汽輪機沖轉參數低，蒸汽溫度與汽輪機汽缸金屬溫度的匹配對旁排系統沒有要求，這一特點是其與常規火電旁路功能的最大區別之一。

1.2 配合機組的停運和正常停堆

機組的停運是啟動的逆過程，當負荷下降到一定值時，旁排系統投入運行，使汽輪機負荷與核島反應堆功率的匹配。

旁排系統的余熱排出功能是核電機組所特有的。在核島停堆過程中，核電站需要有足夠的旁路容量和瞬態響應能力，來保證反應堆自動控制的穩定運行，并能夠實現手動控制冷卻核反應堆，最終將反應堆冷卻到余熱排出系統投運狀態。

1.3 確保機組的蒸汽品質

旁排系統能夠提高汽水品質, 使蒸汽中的固體小顆粒通過旁排進入凝汽器, 保證合格的蒸汽進入汽輪機，從而防止汽輪機調速汽門、噴嘴及葉片受到硬質顆粒的腐蝕。

1.4 溢流作用

溢流作用即協調汽輪機與核島間的不平衡蒸汽量。旁排系統容量和閥門操作響應時間與反應堆控制系統的設計相匹配，可以保證主蒸汽大氣釋放閥、穩壓器或主蒸汽安全閥在以下工況不動作：反應堆從100% 負荷跳堆；100%負荷下汽輪機跳閘，而反應堆未停堆或甩負荷。

1.5 安全功能

旁排系統具有防止反應堆冷卻劑系統過冷卻的功能，旁排系統在失去動力時將關閉旁排閥。旁排系統同時具有防止蒸汽發生器燒干的功能，當蒸汽發生器寬量程水位低時，閉鎖旁排系統投入，關閉旁排閥。當機組發生異常，比如出現核島反應堆功率與汽輪機功率不匹配，或發生大于10%的負荷階躍或負荷變化率大于5%時，旁排系統與反應堆控制系統共同動作，維持主蒸汽系統壓力穩定，防止系統超壓。

1.6 實現停機不停堆及快速甩負荷(FCB)功能

FCB功能是指機組在電網故障時能快速減負荷并自動轉為只帶廠用電，作“孤島運行”的功能。從理論上講,當汽輪機凝結水及循環水等系統運行正常時, 選擇合適容量的旁排系統，能保證任何電負荷下將發電機解列而汽輪機不停機，或汽輪機停機不停堆，以及實現FCB功能。旁排系統的設計考慮了電網故障、發電機機組故障、機組甩負荷時反應堆單獨運行的情況和帶廠用電運行的情況。

1.7 回收工質和熱量

旁排系統將從蒸汽發生器過來的蒸汽排放至凝汽器，回收機組的蒸汽，從而最大程度地減少機組在啟動、異常工況及停機時的工質和熱量損失。

2 旁路排放系統配置

2.1 旁路排放系統布置

汽輪機旁排系統是從主蒸汽管道引出一個旁路，以可控的方式將蒸汽引入凝汽器,使反應堆能夠在汽輪發電機負載瞬態大幅度變化后仍然保持運行，并能夠獨立于汽輪發電機運行。旁路排放系統由6個蒸汽旁排閥及與主蒸汽、凝汽器相連接的管道組成，每個凝汽器與兩個旁排閥相連接，布置在凝汽器循環水出水側的7.5 m平臺,如圖1所示。

圖1 旁排系統簡圖

旁路排放系統在進入凝汽器內部管路設置了消能裝置——雙層多孔管，防止旁路蒸汽直接沖擊凝汽器管束，并且在凝汽器的受沖擊區域采用0.7 mm厚的管子。

為防止進入凝汽器的旁排熱蒸汽進入汽輪機，在每個旁排系統的消能裝置正上方布置了水幕噴水，以達到對進入凝汽器的高溫蒸汽降溫的目的。減溫水來自機組的凝結水系統。

為避免汽輪機旁排系統在投運時發生振動，AP1000旁排系統將控制閥布置在靠近凝汽器的位置，閥門至凝汽器的管道長度僅有5～6 m。另外在旁排閥前的管道上設置帶疏水罐并聯氣動疏水閥的疏水系統，使旁排系統在運行中保持在熱備用狀態, 避免對旁路的熱沖擊。

2.2 技術參數[1]

旁排系統主要技術參數詳見表1。

表1 旁排系統主要技術參數

3 旁排系統調試

3.1 旁排閥的冷態調試

旁排閥是氣動調節閥，冷態調試主要包括就地和遠方的開關試驗、閥門行程試驗。旁排閥的快開、快關時間測量滿足設計要求。詳見表2。

表2 旁排閥快開、快關時間記錄表

3.2 旁排吹掃

在熱試期間，機組一回路冷卻劑系統處于正常壓力(NOP)、正常溫度(NOT)平臺，利用蒸汽發生器的蓄熱和主蒸汽管道存汽，通過瞬間開啟旁排閥的方法對主蒸汽管道進行爆破式吹掃，清除主蒸汽管道殘存的雜質，提高常規島側的蒸汽品質，為后續旁排閥正常投運及汽輪機沖轉創造條件。

使用快速開啟單個旁排閥爆破式吹掃的方式，開啟6臺旁排閥逐臺進行吹掃，每個旁排閥至少吹掃三次，開度分別為70%、100%、快開100%。吹掃過程中將反應堆冷卻劑系統(RCS)的溫度控制在不低于280 ℃的水平。當RCS溫度接近282 ℃時關閉旁排閥，停止吹掃。

每次吹掃前后取凝結水進行濁度和鐵離子化驗，依據化驗情況判斷，如果吹掃結果不理想，以吹掃前后凝結水中鐵離子增加不超過500ug/L為目標，不達標則增加吹掃次數。

3.3 旁排閥的熱態調試

機組熱試期間，逐一對旁排閥進行0%、25%、50%、75%及100%開關試驗，檢驗旁排閥動作響應特性是否正常。

啟動試驗階段，利用手動升降反應堆功率的方式來檢驗旁排閥在平均溫度模式和蒸汽壓力控制模式下的調節響應特性，必要時進行優化調整。

4 旁排系統調試經驗反饋

4.1 旁排閥控制對象相反問題

4.1.1 過程描述

某機組處于熱試階段，一回路溫度232.2 ℃，壓力11.2 MPa，主蒸汽處于暖管階段。操作旁排閥V01C、V02C時，控制動作正好相反，控制V01C動作時，V02C動作，控制V02C動作時，V01C動作。現場進行檢查，確認同一管道旁排閥動作正好相反，共涉及旁排閥V01A、V02A， V01B、V02B，及V01C、V02C六個旁排閥。

4.1.2 原因分析

乳制品中藥物殘留和環境污染的問題已經拉響我國奶源安全的警報。多氯聯苯和有機氯農藥是國際環境科學領域十分關注的持久性有機污染物。此類化合物具有親脂性和半揮發性，難以被生物降解，可通過食物、水、大氣和土壤等環境介質與包括人類在內的環境生物體系接觸，對生態環境和人類的健康帶來潛在的危害，因此建立多氯聯苯和有機氯農藥殘留的檢測方法對于保證乳制品的質量十分重要。

經調查發現，2號常規島廠家供貨的閥門上的兩個銘牌不一致，而且閥門布置的ISO圖和PI&D圖不一致。以上是導致旁排閥接線錯誤的主要原因，而安裝人員沒有仔細核對，則是旁排閥接線錯誤的又一原因。

4.1.3 應對措施

閥門及控制柜的規格型號均一致，無差別，可以互用。按照主蒸汽系統PI&D圖所示的閥門以及儀控設備布置要求，在現場將同一旁路管道上的兩個旁排閥的電磁閥電源電纜以及溫度、限位開關和閥門的儀控電纜進行對調修改，以消除故障。

4.2 旁排閥定位器反饋單元異常

4.2.1 問題描述及分析

旁排閥V01A定位器反饋單元固定板發生螺栓斷裂、手輪脫落，并產生閥位偏差而報警。旁排閥閥門開度在80%以上時，閥門振動劇烈，長時間投運導致上述問題。機組啟動初期，6個旁排閥接受旁排指令按順序逐個開啟，旁排投運后先開啟旁排閥V01A，此閥保持長期運行，直至機組并網后，旁排閥逐漸關閉。

4.2.2 應對措施

更改閥門定位器，將原來機械式連接的定位器更換為磁條式非接觸式定位器，更換對象是經常使用的V01A、V01B、V01C三臺閥門。改造效果良好，避免了因閥門振動導致的指令與反饋偏差大的問題。

4.3 蒸汽發生器(SG)液位出現波動

4.3.1 問題描述

機組由30%負荷進行甩負荷后，旁排閥V01A、B、C全開，V02A、B開18%，V02C未動作，主蒸汽母管壓力由初始的6.765 MPa升高，最高升至7.012 MPa，甩負荷后旁排閥V01A、B、C和V02A的閥位出現波動，并呈現發散現象；汽輪機旁排閥預期動作正常，但是動作開始約500 s過程中震蕩較大。旁排閥V01A、B動作情況詳見圖2。

圖2 30%甩負荷后旁排閥V01A、B動作情況

4.3.2 原因分析

汽輪機旁排閥有3種控制模式，即平均溫度控制模式、蒸汽壓力控制模式、蒸汽排放堵塞模式。平均溫度控制模式下，系統具有0%至100%功率范圍內自動控制旁排閥的能力。該模式下蒸汽排放量由反應堆冷卻劑平均溫度測量值TAVG與參考平均溫度TREF的差值計算得到。這種模式主要用于運行瞬態需要蒸汽排放的情況[2]。

機組正常運行時，旁排閥為溫度控制模式，汽輪機由30%負荷進行甩負荷后，甩負荷控制器控制旁排閥的動作，從而控制蒸汽排放量，TAVG-TREF在甩負荷后最高升至6.17 ℃。由于旁排閥閥位出現波動，TAVG和TREF數值分別在3.7 ℃、3.96 ℃和2.88 ℃、2.06 ℃之間震蕩，并呈現發散現象。由于旁排閥開度出現震蕩發散，導致SG液位和主蒸汽壓力也出現震蕩發散。將旁排閥控制方式由溫度控制切換至壓力控制后，震蕩消失。

4.3.3 應對措施

在旁排控制邏輯LEAD/LAG模塊中，將旁排閥動作延遲時間由6 s修改為4 s，后續機組甩負荷試驗時未出現旁排閥控制發散問題。反應堆功率低于額定功率的20%后，及時將旁排閥控制方式由溫度控制切換至壓力控制，這樣能夠避免旁排閥低功率下溫度控制模式開度不穩定的問題，避免影響主蒸汽壓力和SG液位的穩定。

4.4 旁排減溫水管道振動

4.4.1 問題描述

機組在熱試期間，一臺凝結水泵運行，凝結水母管壓力為2.79 MPa，汽輪機軸封系統投運，凝汽器真空為-95.6 kPa，旁排系統投運，旁排水幕噴水投運。檢查發現旁排水幕噴水控制閥前后管道振動大，在旁排水幕噴水控制閥到旁排的減溫水管線垂直管段振動最大，南北方向為146.7 mm/s，東西方向為90.5 mm/s，其他振動數據詳見表3。

4.4.2 原因分析

表3 旁排水幕噴水管道振動情況表

旁排水幕噴水控制閥為開關型閥門， 無調節功能，根據廠家提供的減溫水流量對該閥門進行整定，然后固定閥門開度。對旁排水幕噴水管線及控制閥進行檢查， 發現旁排水幕噴水管線的部分支吊架松動，其噴水控制閥開度由之前整定的約50%變為當前的100%全開狀態。初步分析認為旁排水幕噴水管線振動大原因主要有兩點：一是管道支吊架松動，二是旁排水幕噴水管線超流量工作。

4.4.3 應對措施

對松動的支吊架進行調整，恢復正常狀態，管道振動有所降低，但是無明顯改善；重新對旁排水幕噴水控制閥開度進行整定，旁排水幕噴水管線振動滿足要求[3]，振動數據詳見表3。

為避免旁排水幕噴水控制閥開度出現變化和閥門檢修后的重新整定，在減溫水管道加裝節流孔板，將旁排水幕噴水控制閥保持全開。

5 結 論

旁排系統是機組重要的組成部分，AP1000旁排系統經過啟動試驗的驗證，在機組啟動、甩負荷等工況下旁排閥動作響應正常，能夠滿足機組連續安全運行的要求。本文對AP1000旁排系統的特點、調試及調試過程中出現的問題進行了總結分析，可為后續核電機組旁排系統在設計、調試及運行方面提供經驗。