核電廠反應(yīng)堆和汽輪機(jī)接口設(shè)計(jì)的研究及改進(jìn)

王旭峰 張 沖

(深圳中廣核工程設(shè)計(jì)有限公司，廣東 深圳 518172)

0 引言

為規(guī)范常規(guī)島汽輪機(jī)和核島之間儀控接口，電力標(biāo)準(zhǔn)《DL/T 5423 -2009，核電廠常規(guī)島儀表與控制系統(tǒng)》明確要求［1］:常規(guī)島與核島間儀控接口信號(hào)的形式和數(shù)量應(yīng)滿足核電機(jī)組啟動(dòng)、停止、正常運(yùn)行、異常及事故工況監(jiān)視和控制要求。核島和常規(guī)島間根據(jù)具體工程設(shè)置下列信號(hào):

(1)汽輪機(jī)保護(hù)狀態(tài)信號(hào);

(2)凝汽器故障保護(hù)和凝汽器可用信號(hào);

(3)給水泵和汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)狀態(tài)反饋信號(hào);

(4)汽輪機(jī)實(shí)發(fā)功率和功率控制信號(hào);

(5)汽輪機(jī)頻率控制和負(fù)荷限制信號(hào);

(6)汽輪機(jī)流量限制信號(hào);

(7)發(fā)電機(jī)功率信號(hào);

(8)電網(wǎng)接入信號(hào);

(9)汽輪機(jī)壓力模式或負(fù)荷限制信號(hào);

(10)汽輪機(jī)快速降負(fù)荷信號(hào)。

在核電廠調(diào)試運(yùn)行期間，曾突發(fā)汽輪機(jī)1 號(hào)瓦振動(dòng)高導(dǎo)致跳機(jī)，之后連鎖真空破壞閥自動(dòng)打開，凝汽器壓力快速上升，以至產(chǎn)生凝汽器故障;在產(chǎn)生凝汽器故障信號(hào)和反應(yīng)堆核功率大于10%Pn(P10信號(hào))的情況下，將導(dǎo)致反應(yīng)堆跳堆，嚴(yán)重影響核電廠運(yùn)行安全、可用性及經(jīng)濟(jì)性。

本文對(duì)反應(yīng)堆和汽輪機(jī)之間的接口進(jìn)行研究和改進(jìn)，以滿足DL_T_5423 標(biāo)準(zhǔn)的要求，確保核電廠的安全可靠運(yùn)行。

1 反應(yīng)堆和汽輪機(jī)保護(hù)

1.1 反應(yīng)堆保護(hù)

當(dāng)產(chǎn)生汽輪發(fā)電機(jī)組軸瓦溫度嚴(yán)重、軸瓦振動(dòng)嚴(yán)重、油路異常等工況時(shí)將觸發(fā)汽輪機(jī)跳機(jī)信號(hào)，自動(dòng)打開真空破壞閥破壞真空以縮短汽輪機(jī)惰走時(shí)間。同時(shí)，為了降低鼓風(fēng)效應(yīng)對(duì)低壓缸末級(jí)葉片的影響，并考慮核島蒸汽旁路排放功能需求，控制系統(tǒng)需將凝汽器壓力控制在一定范圍，即真空破壞閥開啟后凝汽器壓力升高到一定限值后將自動(dòng)關(guān)閉。

在真空破壞閥打開后，由于空氣進(jìn)入導(dǎo)致凝汽器換熱系數(shù)降低，壓力快速上升。根據(jù)汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)(GCT)設(shè)計(jì)要求，凝汽器壓力在達(dá)到30 kPaabs 時(shí)將觸發(fā)凝汽器故障，在某些情況下可能導(dǎo)致凝汽器壓力升高較快并觸發(fā)不可用信號(hào)，不能保證核島旁路蒸汽足夠的排放時(shí)間，從而可能造成核電廠一回路超壓，影響反應(yīng)堆安全。

同時(shí)，根據(jù)核島反應(yīng)堆保護(hù)要求，當(dāng)產(chǎn)生汽輪機(jī)跳機(jī)C8信號(hào)、凝汽器故障、反應(yīng)堆核功率大于10% Pn的P10信號(hào)時(shí)，反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)將動(dòng)作使反應(yīng)堆跳堆。

圖1 反應(yīng)堆跳堆邏輯圖Fig.1 Logic of reactor trip

1.2 汽輪機(jī)保護(hù)

從汽輪機(jī)安全角度考慮，當(dāng)產(chǎn)生如下兩種情形之一時(shí)，必須自動(dòng)打開真空破壞閥，破壞真空，以便快速提高汽輪機(jī)背壓，確保汽輪機(jī)在軸系出現(xiàn)問題時(shí)可以盡快降低轉(zhuǎn)速。

(1)當(dāng)GGR 油系統(tǒng)供油不足或發(fā)生火災(zāi);

(2)軸瓦振動(dòng)高，或軸瓦溫度高引發(fā)汽輪機(jī)跳機(jī)。

真空破壞閥打開后，必須按照一定規(guī)律自動(dòng)關(guān)閉和打開，使背壓能受控地增加;避免在汽輪機(jī)高轉(zhuǎn)速的情況下凝汽器壓力升高過快，導(dǎo)致低壓缸末級(jí)葉片產(chǎn)生鼓風(fēng)效應(yīng)，損傷葉片。

1.2.1 真空破壞閥的開啟和關(guān)閉

(2)保護(hù)關(guān)閉條件(P_OFF)。

式中:P 為凝汽器壓力，kPaabs;n 為汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min;134.5 和168.1 來自于末級(jí)葉片尺寸要求的限制參數(shù)。

1.2.2 對(duì)于真空破壞閥的允許打開條件

(1)當(dāng)0 ＜n ＜1 176 r/min 時(shí)，如果P ＜35 kPaabs，真空破壞閥允許打開;

1.2.3 對(duì)于真空破壞閥的保護(hù)關(guān)閉條件

這個(gè)效果并不一定要求使用絕對(duì)的純黑和純白色，只要足夠深的黑和足夠淺的白放在一起就能得到不錯(cuò)的效果。閾值調(diào)整圖層只有一個(gè)控制選項(xiàng)——閾值色階。使用這個(gè)滑塊我們可以直接更改畫面的黑白分界點(diǎn)。這個(gè)效果最適合本例中這種在純色背景下拍攝的肖像，效果非常像裝飾畫。

(1)當(dāng)0 ＜n ＜1 159 r/min 時(shí)，如果P ＞45 kPaabs，真空破壞閥保護(hù)關(guān)閉;

真空破壞閥動(dòng)作條件示意圖如圖2 所示。

圖2 真空破壞閥動(dòng)作條件示意圖Fig.2 Action criteria of the vacuum breaking valve

圖3 表示在軸瓦振動(dòng)高導(dǎo)致跳機(jī)后凝汽器壓力、汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速的變化趨勢(shì)。真空破壞閥的可控打開和關(guān)閉維持凝汽器壓力在45 kPaabs 附近。據(jù)1.1 節(jié)知，在凝汽器壓力升高的過程中，如果壓力高于凝汽器故障的限值(30 kPaabs)，同時(shí)反應(yīng)堆功率高于10%Pn，將連鎖反應(yīng)堆跳堆。

圖3 凝汽器壓力變化曲線Fig.3 Pressure changing curve of condenser

從反應(yīng)堆保護(hù)和汽輪機(jī)保護(hù)角度考慮，二者存在矛盾，有必要對(duì)軸系或油路異常導(dǎo)致凝汽器故障、并連鎖反應(yīng)堆保護(hù)的接口進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。

2 改進(jìn)措施

2.1 修改現(xiàn)有凝汽器故障信號(hào)的產(chǎn)生邏輯

當(dāng)觸發(fā)C8跳機(jī)信號(hào)的同時(shí)，打開真空破壞閥，閉鎖凝汽器壓力超過30 kPaabs，產(chǎn)生凝汽器故障信號(hào)邏輯。凝汽器故障信號(hào)邏輯修改示意圖如圖4 所示。

當(dāng)軸系或油路異常導(dǎo)致跳機(jī)時(shí)，可以正常打開真空破壞閥，縮短汽輪機(jī)惰走時(shí)間，保護(hù)汽輪機(jī)本體設(shè)備。同時(shí)，在閉鎖情況下產(chǎn)生凝汽器故障信號(hào)邏輯，降低了誤跳堆風(fēng)險(xiǎn)。

圖4 凝汽器故障信號(hào)邏輯修改示意圖Fig.4 Modification of the logic of condenser malfunction signal

但該措施存在如下風(fēng)險(xiǎn)。

(1)直接修改凝汽器故障邏輯，對(duì)反應(yīng)堆保護(hù)影響很大，對(duì)核安全產(chǎn)生不利影響，從核安全角度考慮不可接受。

(2)正常運(yùn)行期間，如果汽輪機(jī)跳機(jī)并打開真空破壞閥，凝汽器壓力大于30 kPaabs 觸發(fā)跳堆的邏輯將被閉鎖，反應(yīng)堆依照最終功率整定值維持30%Pn。如果凝汽器壓力繼續(xù)上升到60 kPaabs，將直接閉鎖GCT-c 排放，二回路失去排熱能力。此時(shí)，反應(yīng)堆功率為30%Pn，但GCT-a 排放能力只有15%，一、二回路可能超壓。

2.2 修改真空破壞閥自動(dòng)控制邏輯

取消在軸系或油路異常后自動(dòng)開啟真空破壞閥的邏輯，由操縱員手動(dòng)打開或關(guān)閉。

該措施可避免真空破壞閥自動(dòng)開啟帶來的誤跳堆風(fēng)險(xiǎn)，但操縱員在汽輪機(jī)跳機(jī)后需要快速判斷是否開啟真空破壞閥，有損壞汽輪機(jī)本體設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 修改凝汽器故障壓力限值

在真空破壞閥自動(dòng)打開的停機(jī)過程中，真空破壞閥通過不停地自動(dòng)關(guān)閉和打開維持凝汽器在某個(gè)壓力范圍。據(jù)圖2 可知，壓力上限為45 kPaabs，此時(shí)已產(chǎn)生凝汽器故障信號(hào)。根據(jù)傳熱學(xué)計(jì)算原理，可推導(dǎo)出凝汽器總換熱系數(shù):

式中:k 為凝汽器總換熱系數(shù)，W/m2℃;m 為循環(huán)水質(zhì)量流量，kg/s;c 為冷卻水定壓比熱容，J/kg℃;F 為凝汽器有效換熱面積，m2;Q 為凝汽器熱負(fù)荷，W;t1為冷卻水入口溫度，℃;ts為凝汽器飽和蒸汽溫度，℃。

計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)真空破壞閥打開后，凝汽器壓力維持在45 kPaabs 時(shí)，凝汽器總換熱系數(shù)僅為正常值的27.9%。

現(xiàn)將凝汽器故障壓力定值由原來的30 kPaabs提高到50 kPaabs，這個(gè)值在凝汽器真空破壞閥保護(hù)關(guān)閉壓力區(qū)域。基于上述凝汽器換熱系數(shù)分析，真空破壞閥打開，空氣進(jìn)入凝汽器，真空破壞閥在凝汽器壓力為45 kPaabs 時(shí)關(guān)閉，此時(shí)機(jī)組已跳機(jī)，由于跳機(jī)后一、二回路功率不平衡，核島通過汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)向凝汽器排放蒸汽。循環(huán)水泵全部跳機(jī)2 s 后觸發(fā)凝汽器故障信號(hào)跳堆，此時(shí)凝汽器壓力將升至50 kPaabs，跳堆12 s 后(此時(shí)凝汽器壓力為69.6 kPaabs)閉鎖旁路蒸汽。閉鎖旁路蒸汽信號(hào)發(fā)出后，由于旁路閥關(guān)閉用時(shí)5 s，旁路閥關(guān)閉過程中還有部分旁路蒸汽會(huì)進(jìn)入凝汽器，因此凝汽器壓力會(huì)持續(xù)升高，峰值達(dá)到81 kPaabs，壓力超過凝汽器本體設(shè)計(jì)允許值75 kPaabs 約4. 7 s。該值在凝汽器本身所能承受的壓力強(qiáng)度范圍之內(nèi)。

在凝汽器最惡劣工況下，凝汽器壓力變化計(jì)算結(jié)果如圖5 所示。

圖5 惡劣工況下凝汽器壓力變化曲線Fig.5 The varying curve of condenser pressure under harsh operating conditions

(1)根據(jù)核電廠循環(huán)水泵瞬態(tài)流量特性、凝汽器結(jié)構(gòu)特性、堆機(jī)運(yùn)行控制方式等實(shí)際情況，循環(huán)水泵失電停泵信號(hào)必須作為觸發(fā)凝汽器故障信號(hào)條件之一，以保證某些工況下核島對(duì)常規(guī)島凝汽器排放時(shí)間要求。

(2)當(dāng)凝汽器故障壓力定值為30 kPaabs 時(shí)，核電廠中凝汽器真空破壞閥在打開情況下可能導(dǎo)致誤跳堆事故。

(3)當(dāng)凝汽器故障壓力定值提高到50 kPaabs，凝汽器不可用壓力定值提高到75 kPaabs 時(shí)，考慮空氣進(jìn)入凝汽器壓力的影響，事故工況下，能滿足核島緊急停堆對(duì)凝汽器蒸汽排放時(shí)間要求，但是凝汽器壓力峰值比較高，可能帶來凝汽器和低壓缸末級(jí)葉片的安全運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。

(4)當(dāng)凝汽器故障壓力定值提高到50 kPaabs，凝汽器不可用壓力定值維持60 kPaabs，同時(shí)核島反應(yīng)堆緊急停堆后持續(xù)往凝汽器排放12 s 要求滿足的情況下，事故工況下凝汽器壓力峰值相對(duì)較低、持續(xù)時(shí)間較短。在滿足反應(yīng)堆緊急停堆向凝汽器排放蒸汽時(shí)間要求情況下，可最大程度保護(hù)汽輪機(jī)設(shè)備安全。

根據(jù)上述分析，對(duì)最惡劣情況，凝汽器瞬間壓力峰值以及持續(xù)時(shí)間，汽輪機(jī)、凝汽器最終核算確認(rèn)此工況下可接受。因此，凝汽器故障優(yōu)化設(shè)計(jì)方案最終采取提高壓力定值，由原來的30 kPaabs 提高到50 kPaabs。實(shí)施后效果如下。

(1)保證汽輪機(jī)安全緊急停機(jī)。凝汽器故障壓力定值優(yōu)化設(shè)計(jì)，保留了汽輪機(jī)廠對(duì)凝汽器真空破壞閥控制邏輯，保證機(jī)組緊急停機(jī)需要，最大程度地保證汽輪機(jī)某些工況下的安全緊急停機(jī)需要，防止事故擴(kuò)大。

(2)避免不必要的反應(yīng)堆緊急停堆。凝汽器故障壓力定值優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時(shí)避免了因汽輪發(fā)電機(jī)組軸系瓦溫、瓦振參數(shù)中任意一個(gè)或以上觸發(fā)跳機(jī)跳堆風(fēng)險(xiǎn)，提高了安全性。

(3)經(jīng)濟(jì)性。誤跳堆一次，重新啟動(dòng)機(jī)組與避免跳堆直接啟動(dòng)機(jī)組相比，約多耗時(shí)3D 時(shí)間，該項(xiàng)設(shè)計(jì)改進(jìn)可避免一次誤跳堆造成的發(fā)電損失。

從保證汽輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的安全性與可靠性、避免核島反應(yīng)堆不必要的跳堆、采用最低工程改進(jìn)成本等角度綜合考慮，修改凝汽器故障壓力限值的措施最為有效。

3 結(jié)束語

通過研究對(duì)凝汽器壓力限值，妥善解決了核電廠在運(yùn)期間所產(chǎn)生的凝汽器故障信號(hào)設(shè)置不合理可能導(dǎo)致跳機(jī)、跳堆的問題，從而使系統(tǒng)的設(shè)計(jì)完全滿足標(biāo)準(zhǔn)《DL_T_5423，核電廠常規(guī)島儀表與控制系統(tǒng)》要求，即常規(guī)島與核島間儀控接口信號(hào)的形式和數(shù)量應(yīng)滿足核電機(jī)組啟動(dòng)、停止、正常運(yùn)行、異常及事故工況監(jiān)視和控制要求。

［1］ DL/T 5423 -2009 核電廠常規(guī)島儀表與控制系統(tǒng)［S］.2009.

［2］ 廣東核電培訓(xùn)中心.900MW 壓水堆核電站系統(tǒng)與設(shè)備［M］. 北京:原子能出版社，2007.