AP1000汽輪機(jī)旁排閥及控制系統(tǒng)

田鵬

(山東核電有限公司，山東煙臺(tái)，265116)

AP1000汽輪機(jī)旁排閥及控制系統(tǒng)

田鵬

(山東核電有限公司，山東煙臺(tái)，265116)

AP1000核電機(jī)組旁排閥的獨(dú)特結(jié)構(gòu)和控制功能已經(jīng)成為業(yè)界重點(diǎn)研究對(duì)象。鑒于此，在理論基礎(chǔ)上，利用列舉分析的方法介紹旁排閥的現(xiàn)場(chǎng)布置、設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)、相關(guān)電磁閥的控制情況以及蒸汽排放控制系統(tǒng)（SDCS）的控制方式，使相關(guān)領(lǐng)域人員對(duì)AP1000旁排閥有更深的了解。

汽輪機(jī)，旁排閥，電磁閥，控制模式

0 引言

汽輪機(jī)旁排閥組是凝汽式汽輪機(jī)的一個(gè)主要部件，在核電站設(shè)備中具有權(quán)為重要的地位。在機(jī)組緊急甩負(fù)荷、電站正常冷卻階段、反應(yīng)堆過(guò)熱等工況下，旁排閥組能夠及時(shí)將反應(yīng)堆熱量排入主凝汽器，從而保證了一回路核功率和二回路負(fù)荷的匹配，保證反應(yīng)堆的安全。因此了解汽輪機(jī)旁排閥組的組成、結(jié)構(gòu)、布置及控制，對(duì)研究核電站設(shè)備的運(yùn)行具有重要意義。

AP1000核電機(jī)組旁排閥門由于其具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)以及控制系統(tǒng)，已經(jīng)成為AP1000核電機(jī)組相關(guān)人員的研究熱點(diǎn)。本文通過(guò)對(duì)AP1000核電機(jī)組旁排閥門的闡述以及對(duì)蒸汽排放控制系統(tǒng)（SDCS）的綜述，使大家對(duì)AP1000核電機(jī)組旁排閥門有直觀的認(rèn)識(shí)。

1 AP1000機(jī)組汽輪機(jī)旁排閥

AP1000機(jī)組二回路有3臺(tái)凝汽器，每個(gè)凝汽器對(duì)應(yīng)著2個(gè)汽輪機(jī)旁排閥（見(jiàn)圖1）。旁排閥的設(shè)計(jì)為：在電廠瞬態(tài)時(shí)，即使1個(gè)旁排閥未開(kāi)啟，其余的旁排閥設(shè)計(jì)上也能提供40%額定參數(shù)主蒸汽的排放流量。為了限制汽輪機(jī)旁排閥由于卡在開(kāi)啟位置導(dǎo)致的不可控排放，閥門設(shè)計(jì)為在8.27 MPa時(shí)最大通流能力為236 kg/s，降低了閥門卡開(kāi)導(dǎo)致一回路的過(guò)度冷卻的程度。汽輪機(jī)旁排閥的開(kāi)啟和關(guān)閉由蒸汽排放控制系統(tǒng)SDCS進(jìn)行控制。

圖1 汽輪機(jī)旁排閥布置

6個(gè)汽輪機(jī)旁排閥由相同能力的2組 （各3個(gè)閥門）組成，每組閥門同時(shí)打開(kāi)和關(guān)閉，旁排閥設(shè)計(jì)上可以將40%滿負(fù)荷參數(shù)的主蒸汽排放至主凝汽器。兩組旁排閥分別在不同的蒸汽排放偏差信號(hào)下打開(kāi)，其中第一組閥門 （MSS-PL-V3051A/B/ C）在0%～50%蒸汽排放需求范圍內(nèi)打開(kāi)，第二組閥門（MSS-PL-V3052A/B/C）在50%～100%蒸汽排放需求范圍內(nèi)打開(kāi)。為了防止不同的主凝汽器過(guò)熱，每組的3個(gè)旁排閥分別位于3個(gè)凝汽器中。

AP1000核電機(jī)組旁排閥門的功能如下：（1）正常冷卻。在機(jī)組滿功率正常停堆且汽輪機(jī)手動(dòng)停機(jī)后，依靠旁排閥打開(kāi)來(lái)維持一回路的平均溫度，并繼續(xù)冷卻一回路至177℃直到正常余熱排出系統(tǒng)（RNS）投入，此時(shí)一回路可以依靠RNS進(jìn)行冷卻。在冷卻和啟動(dòng)過(guò)程中，通過(guò)蒸汽排放控制系統(tǒng)（SDCS）控制汽輪機(jī)旁排閥，將來(lái)自蒸汽發(fā)生器（SGs）的蒸汽旁路排放至主凝汽器。（2）甩負(fù)荷等異常工況。蒸汽排放控制系統(tǒng)SDCS聯(lián)合反應(yīng)堆控制系統(tǒng)，在100%負(fù)荷反應(yīng)堆停堆、100%甩負(fù)荷或者100%負(fù)荷汽輪機(jī)停機(jī)但反應(yīng)堆未停堆的情況下，提供熱阱來(lái)防止主蒸汽大氣釋放閥、主蒸汽安全閥和穩(wěn)壓器安全閥動(dòng)作。并且在電廠發(fā)生大幅快速甩負(fù)荷時(shí)，旁排閥能夠避免觸發(fā)反應(yīng)堆停堆。SDCS和汽輪機(jī)旁排閥同樣也用于在啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)為蒸汽發(fā)生器（SGs）提供熱負(fù)荷，防止由于汽輪機(jī)加載引起反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)（RCS）溫度波動(dòng)。

旁排閥為氣動(dòng)球閥，在失去壓縮空氣后閥門通過(guò)彈簧失效關(guān)閉。正常情況下從蒸汽排放控制系統(tǒng)發(fā)送的電信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)電-氣（I/P）轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為氣信號(hào)作為閥位調(diào)節(jié)信號(hào)，從而調(diào)節(jié)壓縮空氣壓力來(lái)調(diào)整旁排閥的開(kāi)度。在失電情況下，壓縮氣體從氣體供應(yīng)管線上的電磁閥排放而使閥門在彈簧的作用下關(guān)閉。如果在甩負(fù)荷、電廠停堆或者蒸汽壓力控制邏輯中產(chǎn)生蒸汽排放需求時(shí)，信號(hào)將旁通閥位定位器達(dá)到預(yù)期的閥位。每個(gè)閥門從全關(guān)至全開(kāi)只需20 s。當(dāng)1組閥門運(yùn)行且蒸汽排放需求大于50%或者2組閥門運(yùn)行且蒸汽排放需求大于100%時(shí)，相關(guān)閥門將會(huì)收到一個(gè)強(qiáng)制快開(kāi)信號(hào)，此時(shí)從全關(guān)至全開(kāi)只需3 s[1]。汽輪機(jī)旁排閥失氣或失電情況下從全開(kāi)至全關(guān)只需5 s。使用閥位變送器對(duì)旁排閥閥位進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)，并且還設(shè)置了限位開(kāi)關(guān)來(lái)監(jiān)測(cè)閥門的全開(kāi)和全關(guān)狀態(tài)，將此全開(kāi)/關(guān)信號(hào)送至事故后監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（PAMS）進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

2 汽輪機(jī)旁排閥電磁閥

在每個(gè)汽輪機(jī)旁排閥氣動(dòng)頭的氣體供應(yīng)管線上安裝了4個(gè)電磁閥 （A、B、C和D），用于閥門的保護(hù)和控制，正常情況下電磁閥的開(kāi)關(guān)狀態(tài)如圖2所示。

圖2 汽輪機(jī)旁排閥以及相關(guān)電磁閥簡(jiǎn)圖

2.1 電磁閥C

電磁閥C布置在供應(yīng)壓縮空氣的管線上，位于閥位指示器和汽輪機(jī)旁排閥氣動(dòng)頭之間，接通閥位定位器和閥門之間的供氣管線，以便于在旁排閥有調(diào)節(jié)需要時(shí)供汽，正常運(yùn)行時(shí)該電磁閥處于斷電狀態(tài)。當(dāng)?shù)谝唤M蒸汽排放需求超過(guò)50%或第二組超過(guò)100%時(shí)，電磁閥C通電，壓縮空氣直接向氣動(dòng)頭提供全壓氣體以便快速打開(kāi)汽輪機(jī)旁排閥。全壓壓縮供氣打開(kāi)旁排閥僅需3 s，主要用于在機(jī)組發(fā)生瞬態(tài)時(shí)，快速打開(kāi)旁排閥排放多余的蒸汽，防止一回路反應(yīng)堆過(guò)熱。

2.2 電磁閥A和B

電磁閥A和B正常通電，給汽輪機(jī)旁排閥氣動(dòng)頭提供一個(gè)壓縮空氣的流道。如果存在 “RCS平均溫度（TAVG）低-2”信號(hào)（283℃）或“主蒸汽隔離信號(hào)（MSIS）”時(shí)，電磁閥A和B斷電，從而將壓縮空氣的流道隔離，閉鎖汽輪機(jī)旁排閥，防止旁排閥的誤開(kāi)或者過(guò)度排放導(dǎo)致一回路過(guò)冷。

在發(fā)生主蒸汽隔離時(shí)，電磁閥A和B斷電，旁排閥閉鎖，將汽輪機(jī)旁排閥氣動(dòng)頭內(nèi)的壓縮空氣排出，從而快速關(guān)閉汽輪機(jī)旁排閥。目的是防止蒸汽通過(guò)開(kāi)啟的旁排閥排放，而加快反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)的冷卻，從而增加反應(yīng)堆重返臨界的可能。

在機(jī)組正常冷卻期間，當(dāng)RCS平均溫度低于283℃時(shí)，可以在主控室首要安全盤（PDSP）或遠(yuǎn)程停堆工作站（RSR）上將 “RCS TAVG低-2”信號(hào)閉鎖，以允許機(jī)組正常冷卻時(shí)的閥門正常操作，如圖3和圖4所示，此時(shí)僅能使用2個(gè)旁排閥來(lái)進(jìn)行冷卻。

圖3 主控制室首要安全盤（PDSP）蒸汽排放控制開(kāi)關(guān)

圖4 遠(yuǎn)程停堆工作站蒸汽排放控制開(kāi)關(guān)

在PDSP上，對(duì)于第一個(gè)和第二個(gè)旁排閥分別設(shè)置了不同的旁通開(kāi)關(guān)，分別對(duì)應(yīng)于各自的電磁閥A和B。在遠(yuǎn)程停堆工作站 （RSR），只設(shè)置了一個(gè)旁通開(kāi)關(guān)，同時(shí)旁通兩組旁排閥的閉鎖信號(hào)。每組蒸汽旁排閥的冷卻控制開(kāi)關(guān)包含了3個(gè)位置：“DISABLE”、 “ON”和 “ENABLE”。

（1）正常情況下旁通開(kāi)關(guān)處于 “ON”位置，此時(shí)旁排閥可以正常接收調(diào)節(jié)信號(hào)或者閉鎖信號(hào)，閥門正常開(kāi)關(guān)。

（2）在機(jī)組冷卻期間TAVG低于283℃時(shí)，須將開(kāi)關(guān)旋至 “ENABLE”狀態(tài)，此時(shí)可將 “RCS TAVG低-2”信號(hào)閉鎖，從而使電磁閥通電，保證壓縮空氣供應(yīng)至閥門氣動(dòng)頭進(jìn)行正常的開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)。在這種情況下，若接收到MSIS信號(hào)或手動(dòng)停止蒸汽排放信號(hào)時(shí)，電磁閥A和B斷電，旁排閥快速關(guān)閉。

（3）若將開(kāi)關(guān)旋至 “DISABLE”位置時(shí)，開(kāi)關(guān)將保持在該位置，使對(duì)應(yīng)旁排閥的電磁閥A和B斷電，閉鎖此旁排閥。

2.3 電磁閥D

電磁閥D正常斷電，用于隔斷壓縮空氣供應(yīng)管線，閉鎖旁排閥。

電磁閥D正常由C-9信號(hào)閉鎖。C-9信號(hào)為“凝汽器真空高于-66.7 kPa，并且至少一臺(tái)循環(huán)水泵及凝結(jié)水泵運(yùn)行”，在這種工況下表示凝汽器可用，可向凝汽器排放蒸汽并能進(jìn)行有效的冷卻。C-9信號(hào)主要用于在凝汽器由于真空不足或循環(huán)水系統(tǒng)（CWS）和凝結(jié)水系統(tǒng)（CDS）不可用時(shí)，防止旁排閥打開(kāi)，從而使蒸汽進(jìn)入凝汽器，損壞設(shè)備。

另外，在2個(gè)蒸汽發(fā)生器都處于低液位時(shí)，控制邏輯會(huì)使電磁閥D保持?jǐn)嚯姞顟B(tài)，防止汽輪機(jī)旁排閥打開(kāi)。因?yàn)榇藭r(shí)蒸汽發(fā)生器的水裝量過(guò)低，如果進(jìn)行蒸汽排放，可能會(huì)使蒸汽發(fā)生器的液位過(guò)低，導(dǎo)致傳熱管裸露而造成損壞。

在正常情況下，C-9滿足且任一SG中有足夠的水裝量時(shí)，當(dāng)如下任一信號(hào)產(chǎn)生時(shí)，電磁閥D將通電，將壓縮空氣供給汽輪機(jī)旁排閥氣動(dòng)頭，以打開(kāi)汽輪機(jī)旁排閥。

（1）汽輪機(jī)甩負(fù)荷大于10%或甩負(fù)荷率大于每分鐘5%且持續(xù)2 min。在這種情況下，需要開(kāi)啟旁排閥，將一二回路的不匹配功率蒸汽排放至凝汽器，防止二回路冷卻不足而導(dǎo)致一回路過(guò)熱。

（2）反應(yīng)堆停堆信號(hào)。在這種情況下，需要旁排閥開(kāi)啟，自動(dòng)調(diào)節(jié)蒸汽的排放量，將一回路平均溫度維持在停堆正常值292℃。

（3）操縱員手動(dòng)選擇旁排閥處于 “蒸汽壓力控制”模式。在機(jī)組正常停堆期間，當(dāng)反應(yīng)堆功率低于18%時(shí)，將控制棒置于手動(dòng)狀態(tài)，并且將蒸汽排放的模式由 “TAVG控制”模式切至 “蒸汽壓力控制”模式，用于在汽輪機(jī)停機(jī)后維持主蒸汽集管的壓力恒定，以及后續(xù)的一回路繼續(xù)冷卻。

3 旁排閥控制系統(tǒng)——蒸汽排放控制系統(tǒng)（SDCS）

SDCS由2個(gè)獨(dú)立的控制模式組成，分別為一回路平均溫度TAVG控制模式和蒸汽壓力控制模式[4]。在發(fā)電機(jī)并網(wǎng)后汽輪機(jī)帶負(fù)荷，旁排閥根據(jù)壓力自動(dòng)關(guān)閉，在排放需求小于1%時(shí)，手動(dòng)關(guān)閉旁排閥并將SDCS置于一回路的平均溫度TAVG模式，用于在汽輪機(jī)甩負(fù)荷或反應(yīng)堆緊急停堆時(shí)維持一回路的平均溫度在設(shè)定值。在機(jī)組正常降負(fù)荷停堆期間，當(dāng)反應(yīng)堆功率低于18%時(shí)，將蒸汽排放的模式由TAVG控制模式切至蒸汽壓力控制模式，用于在汽輪機(jī)停機(jī)后維持主蒸汽集管的壓力恒定，以及后續(xù)的一回路繼續(xù)冷卻[2]。

3.1 一回路的平均溫度TAVG控制模式

一回路平均溫度TAVG控制模式用于發(fā)電機(jī)并網(wǎng)后的電廠正常運(yùn)行工況，在汽輪發(fā)電機(jī)快速甩負(fù)荷瞬態(tài)或反應(yīng)堆停堆后提供一個(gè)冷卻方式。因此TAVG控制模式又包含了2個(gè)不同的控制邏輯：“甩負(fù)荷控制器”和 “電廠停堆控制器”。

3.1.1 甩負(fù)荷控制器

正常運(yùn)行時(shí)，SDCS處于一回路平均溫度TAVG模式，且無(wú)反應(yīng)堆停堆信號(hào)（P-4），電廠控制系統(tǒng)（PLS）自動(dòng)選擇甩負(fù)荷控制器?？刂破髂軌蛟诖蠓焖偎ω?fù)荷后防止反應(yīng)堆冷卻劑溫度的大幅升高。在發(fā)生甩負(fù)荷時(shí)，由于汽輪機(jī)進(jìn)汽壓力大幅下降，通過(guò)汽輪機(jī)進(jìn)汽壓力折算的一回路參考溫度TREF大幅降低。

在經(jīng)過(guò)一段控制 “死區(qū)”范圍后，根據(jù)TAVG和TREF之間的偏差產(chǎn)生蒸汽排放需求。設(shè)置控制“死區(qū)”的目的是當(dāng)甩負(fù)荷較小時(shí)，可以先通過(guò)控制棒的移動(dòng)來(lái)調(diào)節(jié)TAVG，使一回路平均溫度TAVG與一回路參考溫度TREF匹配，即在控制棒能控制的范圍內(nèi)，避免旁排閥打開(kāi)，減小系統(tǒng)波動(dòng)，增加穩(wěn)定性 （見(jiàn)圖5）。

圖5 甩負(fù)荷控制器控制曲線

如果甩負(fù)荷大于10%或者大于每分鐘5%且持續(xù)2 min以上時(shí)，C-7允許給電磁閥D通電，保證壓縮空氣供向汽輪機(jī)旁排閥氣動(dòng)頭。如果第一組蒸汽排放需求超過(guò)50%或第二組超過(guò)100%時(shí)，電磁閥C通電，允許向汽輪機(jī)旁排閥供應(yīng)全壓壓縮空氣。在打開(kāi)汽輪機(jī)旁排閥后，SDCS開(kāi)始調(diào)節(jié)閥門來(lái)調(diào)整一回路平均溫度TAVG，直到一回路平均溫度與一回路參考溫度TREF一致。當(dāng)TAVG至TREF溫差降至控制棒的操作能力之內(nèi)時(shí)可以關(guān)閉旁排閥，終止蒸汽排放。在汽輪機(jī)跳機(jī)或者與電網(wǎng)斷開(kāi)時(shí)，SDCS將關(guān)閉汽輪機(jī)旁排閥，將機(jī)組穩(wěn)定在約15%負(fù)荷水平，為汽輪發(fā)電機(jī)重新啟動(dòng)和同步并網(wǎng)做好準(zhǔn)備。

3.1.2 電廠停堆控制器

SDCS處于TAVG模式且反應(yīng)堆停堆 （P-4信號(hào)存在），TAVG控制模式自動(dòng)從甩負(fù)荷控制邏輯轉(zhuǎn)換至停堆控制邏輯。TAVG停堆控制器發(fā)送需求信號(hào)給汽輪機(jī)旁排閥閥位指示器，信號(hào)為一回路平均溫度TAVG與零負(fù)荷對(duì)應(yīng)的一回路參考溫度TREF（292℃）之差。在接收到反應(yīng)堆停堆信號(hào)后，SDCS依據(jù)溫差，通過(guò)預(yù)先設(shè)定的順序打開(kāi)汽輪機(jī)旁排閥。一回路冷卻劑系統(tǒng)平均溫度逐漸趨近于零負(fù)荷值（292℃）后，SDCS蒸汽排放需求信號(hào)降低，旁排閥開(kāi)度變小，將反應(yīng)堆維持在穩(wěn)定的熱停堆工況，如圖6所示。

圖6 電廠停堆控制器控制曲線[1]

3.2 蒸汽壓力控制模式

蒸汽壓力控制模式用于機(jī)組啟動(dòng)、停堆和冷卻運(yùn)行。蒸汽壓力控制模式由操縱員手動(dòng)選取。在機(jī)組處于熱備用狀態(tài)時(shí)，操縱員可直接輸入一個(gè)主蒸汽集管壓力值，蒸汽壓力控制器將維持這個(gè)設(shè)定值，從而保證一回路的平均溫度恒定。

在熱備用到RNS投入工況之間由蒸汽壓力控制器來(lái)保持衰變熱的導(dǎo)出?？刂破鞯妮斎胄盘?hào)為蒸汽母管壓力和壓力設(shè)定值的偏差。操縱員可以輸入冷卻速率和目標(biāo)RCS溫度。由此計(jì)算出蒸汽壓力設(shè)定值，控制系統(tǒng)根據(jù)偏差信號(hào)控制蒸汽的排放來(lái)達(dá)到預(yù)先設(shè)定的冷卻速率，并且在達(dá)到目標(biāo)RCS溫度時(shí)停止排放蒸汽。在TAVG低于283℃后，需在PDSP或RSR將其中2個(gè)旁排閥解除閉鎖用于冷卻。

在機(jī)組啟動(dòng)運(yùn)行期間，SDCS處于蒸汽壓力模式，汽輪機(jī)暖機(jī)完成后通過(guò)調(diào)節(jié)汽輪機(jī)旁排閥來(lái)保持二回路側(cè)零負(fù)荷溫度和壓力。當(dāng)汽輪發(fā)電機(jī)達(dá)到同步轉(zhuǎn)速時(shí)，旁排閥將開(kāi)始逐漸關(guān)閉，自動(dòng)補(bǔ)償流向汽輪機(jī)的蒸汽。在同步并網(wǎng)后，汽輪發(fā)電機(jī)開(kāi)始加載，旁排閥最終關(guān)閉。此時(shí)，檢查汽輪機(jī)旁排閥關(guān)閉且將SDCS置于TAVG模式運(yùn)行[3]。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)AP1000核電機(jī)組旁排閥門的闡述，以及對(duì)蒸汽排放控制系統(tǒng)（SDCS）的綜述，介紹了旁排閥門的組成、結(jié)構(gòu)、布置及控制。通過(guò)對(duì)旁排閥電磁閥的描述以及對(duì)旁排控制系統(tǒng)的介紹，進(jìn)一步使讀者了解了AP1000旁排閥的獨(dú)特設(shè)計(jì)。

預(yù)計(jì)AP1000堆型將成為中國(guó)核電未來(lái)的一個(gè)重要的發(fā)展方向，希望本文能幫助相關(guān)領(lǐng)域人員了解AP1000旁排閥的情況。

[1]田鵬.海陽(yáng)核電廠操縱人員取照考試復(fù)習(xí)題集[M].煙臺(tái):山東核電有限公司,2005.

[2]馮霖.機(jī)組整體運(yùn)行規(guī)程[M].煙臺(tái):山東核電有限公司, 2005.

[3]張文君.AP1000核電廠系統(tǒng)與設(shè)備教程[M].煙臺(tái):山東核電有限公司,2005.

[4]丁飛.海陽(yáng)核電廠操儀控邏輯圖集[M].煙臺(tái):山東核電有限公司,2005.

AP1000 Turbine Bypass Valves and Steam Dump Control System

Tian Peng

（Shandong Nuclear Power Co.,Ltd.,Yantai Shandong,265116）

The unique structure and control function of AP1000 nuclear power plant steam bypass valve have been the key research object.For that reason,based on the theoretical analysis,using the method of list analysis to introduce steam dump valve site layout, design,structure,magnetic valve control and steam dump control system,make the related personnel more understand AP1000 steam dump valves.

steam turbine,bypass valve,magnetic valves,control modes

TM623

A

1674-9987（2017）01-027-05

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2017.01.006

田鵬（1983-），男，學(xué)士，工程師，畢業(yè)于天津大學(xué)自動(dòng)化專業(yè)，現(xiàn)任山東核電有限公司運(yùn)行部高級(jí)操縱員。