AP1000 汽輪機旁路排放系統設計概述

曾 濤

（1.中國核動力研究設計院核反應堆系統設計技術重點實驗室，四川 成都 610213；2.東方電氣集團東方鍋爐股份有限公司，四川 成都 643001）

0 引言

汽輪機旁路排放系統是核電廠中的重要系統，在機組緊急甩負荷、反應堆緊急停堆、機組啟動/熱停堆等工況下，旁路系統能夠及時將主蒸汽排往凝汽器，從而實現一回路和二回路的功率匹配。 保證反應堆的安全。

汽輪機旁路排放系統共設置6 個旁排閥，6 個排放閥分成2 組，第一組在0～50%蒸汽排放需求范圍運行；第二組在50～100%蒸汽排放需求范圍運行。 每組的3 個旁排閥分別位于3 個凝汽器中，每個凝汽器設置2 個旁排閥。 為了避免由于旁排閥故障導致的不可控排放，單只旁排閥，在設計壓力8.27 MPa 時，最大排放量為236 kg/s, 降低旁排閥誤開導致一回路過度冷卻的風險。

AP1000 汽輪機旁路排放系統的設計容量為40%額定主蒸汽流量，與反應堆功率控制系統配合，可以滿足100%額定功率下的全部甩負荷而不生發生反應堆緊急停堆，同時穩壓器或蒸汽發生器的安全閥也不開啟。

1 汽輪機旁路排放系統功能

當反應堆功率和汽輪機功率不匹配時，汽輪機旁路排放系統通過將主蒸汽旁路到凝汽器為反應堆提供一個人為的符合負荷，主要實現以下功能：

（1）當電廠發生10%的階躍減負荷或負荷線性變化量大于5%每分鐘時， 通過汽輪機旁路排放系統排放至凝汽器，從而重新建立一回路和二回路的熱平衡（為了防止小負荷擾動，引起的旁路系統排放。 當負荷變化小于此設計閾值時， 由反應堆功率控制系統、穩壓器水位和壓力控制系統內、蒸汽發生器水位控制系統來控制）。

（2）在電廠熱停堆時，通過汽輪機旁路排放系統，使一回路冷卻劑溫度降低到余熱排除系統能過正常投用的水平。

（3）在電廠啟動階段，主蒸汽通過旁路排放系統以可控的速率暖管， 當主蒸汽達到汽機沖轉要求后，汽機沖轉，同步并網，直至以穩定的負荷穩定運行，旁路系統隨后自動關閉，并保持關閉狀態。

2 汽輪機旁排閥控制原理

汽輪機旁排閥是一個氣動控制的球閥，為了防止一回路過冷，當失去壓縮空氣時，閥門將彈簧失效保持關閉狀態。 在每個旁排閥的氣體供應管線上安裝了4 個電磁閥（A、B、C、D），用于保護和控制。汽輪機旁排閥的控制原理見圖1。

圖1 汽輪機旁排閥控制原理

正常情況下，電磁閥D 斷電保持關閉，隔斷壓縮空氣管線供應，閉鎖旁排閥。

電磁閥D 可以由凝汽器不可用信號閉鎖。 避免凝汽器真空不足或者循環水系統和凝結水系統不可用時，防止旁排閥開啟，蒸汽進入凝汽器，而造成設備破壞。

另外在2 個蒸汽發生器都處于低水位時，如果進行蒸汽排放，則會造成水位繼續降低，傳熱管裸露而造成損壞。 因此此時電磁閥D 應保持斷電關閉，旁排閥閉鎖。

正常情況下，電磁閥A 和B 通電開啟。 電磁閥A和B 以及至氣動執行機構的壓縮空氣管線通暢。 當存在冷卻劑平均溫度低-2 信號或主蒸汽隔離信號時，因反應堆溫度系數為負值，為了防止一回路冷卻劑的過度冷卻，電磁閥A 和B 將動作，隔斷壓縮空氣管線供應，閉鎖旁排閥。電磁閥A 和B 是一個冗余設置，即只要有1 個電磁閥動作，都會隔斷壓縮空氣管線，閉鎖旁排閥。

正常運行時電磁閥C 處于斷電狀態。電磁閥C 主要用于旁排閥的快開需要，動作的設定值是50%。 當第1 組閥門蒸汽排放需求大于50%或第2 組閥門蒸汽排放需求大于100%時， 電磁閥C 動作， 定位被旁路，壓縮空氣直接向氣動執行結構供全壓氣體，旁排閥快速開啟，此時旁排閥快開僅需要3 s。 當蒸汽排放量需求不大時，電磁閥C 不動作，根據偏差信號，壓縮空氣通過定位器， 提供一個合適的壓力給執行機構，旁排閥按一定開度調制開啟。

表1 匯總了汽輪機旁路排放系統，在接受相應信號事件時，對應的控制系統響應過程。

表1 汽輪機旁路排放系統控制響應

3 汽輪機旁路排放系統的控制模式

汽輪機旁路排放系統主要有兩種控制模式，分別為一回路冷卻劑平均溫度TAVG模式和蒸汽壓力控制模式。

3.1 一回路冷卻劑平均溫度TAVG 模式

一回路冷卻劑平均溫度TAVG模式通過測得的一回路冷卻劑平均溫度TAVG與由汽輪機第一級沖動壓力推導得到的參考溫度值Tref的差值， 產生一個蒸汽排放需求大小的信號。 這種模式主要用于甩負荷、汽輪機緊急停機和反應堆緊急停堆等。 一回路冷卻劑平均溫度TAVG模式又包含甩負荷控制器和電廠停堆控制器兩種。 甩負荷控制器能夠在突然性的大幅度降負荷時，防止反應堆冷卻劑溫度的大幅度提高。TAVG采用超前/滯后補償， 以補償電廠熱響應和閥門定位的滯后。 在突然降負荷時，Tref迅速減小，TAVG有增加趨勢,根據偏差信號（TAVG-Tre）大小，這時產生一個對應蒸汽排放大小需求。 當偏差信號（TAVG-Tre）大小高于某一設定值時，旁排閥快速開啟。 隨著旁排系統的運行，如果反應堆功率和汽輪機匹配，并且溫度誤差在控制棒調節范圍內，將終止蒸汽排放。 當反應堆停堆信號存在時，甩負荷控制器失效，電廠停堆控制器開啟。 此時偏差信號為一回路冷卻劑平均溫度 TAVG和零負荷參考溫度Tre之差。 當偏差信號高于整定值時，旁排閥順序開啟，隨著系統的運行，偏差信號減小，旁排閥開度變小，最終維持在熱停堆狀態。

3.2 蒸汽壓力控制模式

蒸汽壓力控制模式適用于低功率工況和電廠冷卻。 根據蒸母管壓力和整定值之間的差值產生蒸汽排放蒸汽壓力需求大小的信號。 因為在低功率情況下，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。 在蒸汽壓力控制模式下，蒸汽母管壓力控制器工作。 蒸汽母管壓力控制模式由操作員手動選擇，壓力整定值由操作員根據期望的反應堆冷卻劑溫度手動調整，允許電廠按照選定的速率控制降溫。

4 結語

在汽輪機甩負荷、反應堆跳閘、機組啟動/熱停堆等特殊工況下，旁路系統發揮著重要的作用，本文對AP1000 核電的汽輪機旁路排放系統從旁排系統的組成、功能、控制原理及工作模式等方面進行了詳細闡述，可為汽輪機旁排系統的設計提供參考。