福清5、6號核電機組汽輪機旁路系統（TSC）儀控設計

陳柯 王殳 黃奇 陳靜

（中國核動力研究設計院核反應堆系統設計技術重點試驗室，四川 成都 610041）

0 引言

福建福清5、6號核電機組采用我國完全自主知識產權的三代核反應堆，屬于三環路百萬千瓦級核電站。汽輪機旁路系統（排冷凝器部分）作為福清5、6核電廠中的重要系統，其作用是當發生汽輪機負荷速降時（例如甩負荷、汽輪機脫扣），反應堆的功率不能像汽輪機負荷的變化那樣快，會瞬時出現堆功率與汽輪機負荷的不匹配，此時需要將汽輪機旁路系統投用，將多余蒸汽排放到凝汽器中為反應堆提供一個“人為”負荷，消耗反應堆產生的多余蒸汽。

1 福清5、6號機組汽輪機旁路系統（凝汽器部分）功能描述

福清5、6號核電項目中，汽輪機旁路系統（凝汽器部分）簡稱為TSC，其主要功能如下：

1）在電廠發生超過10%的階躍降負荷瞬態或5%FP/Min的線性降負荷瞬態或者直接甩負荷到廠用電（最高允許甩掉100%的外部電網負荷）的情況下，通過將反應堆產生多余蒸汽排放至凝汽器從而避免出現反應堆緊急停堆或者蒸汽大氣釋放閥及主蒸汽安全閥的開啟，從而重新建立起電廠一、二回路的熱平衡。

2）在出現某些工況下出現汽輪機跳機，反應堆不至于停堆。

3）在電廠熱停堆工況下，通過TSC的投用，使得反應堆一回路溫度冷卻到可以投用余熱排出系統的水平，從而繼續導出反應堆余熱。

2 TSC系統儀控設計

2.1 系統配置

TSC系統設置12個蒸汽旁路控制閥，每個旁路閥搭配了一個手動的隔離閥。旁路閥中的六個安裝在凝汽器A的旁路管線上，其余六個安裝在凝汽器B的旁路管線上。需要說明的是，由于凝氣器容量的提升，接受蒸汽的能力也在擴大，傳統核電堆型設置的旁路蒸汽到除氧器的功能在本項目中已經取消。旁路閥門布置見圖1。

圖1 旁路閥門布置

蒸汽旁路閥分為三組，總的排放能力為額定工況下85%主蒸汽流量。每組排放量和閥門數量見表1：

表1 閥門分組情況

2.2 TSC系統的運行模式

根據運行工況的不同，TSC系統設置兩種運行模式：

1）平均溫度控制模式：也稱作Tavg模式，用一回路平均溫度實測值（Tavg）與工況點對應的參考溫度（Tref）的偏差作為信號，控制TSC各組閥門開/閉，該模式適用于電廠高負荷（機組功率大于20%）且反應堆處于自動控制的狀態。平均溫度控制模式下設兩個蒸汽排放控制回路。

A）甩負荷蒸汽排放控制回路：此控制回路是為了防止突然大的負荷下降引起的反應堆冷卻劑溫度上升太大。偏差信號是反應堆冷卻劑平均溫度Tavg經過超前滯后環節補償后 （補償電廠熱響應和閥位運動的滯后）與汽輪機沖動級壓力推導出來的參考溫度Tref的差值。隨著蒸汽的逐漸釋放，偏差信號（Tavg-Tref）下降到控制棒能夠作用的范圍內，控制棒起到調節一、二回路負荷差的作用，蒸汽排放進而停止。

B）反應堆緊急停堆蒸汽排放控制回路：反應堆緊急停堆引起汽機跳閘，甩負荷蒸汽排放控制器此時不起作用，而反應堆緊急停堆蒸汽排放控制器投入工作。由于已經處于停堆狀態，反應堆控制棒全部下插至堆底，所有功率調節棒組不可用，偏差信號需要選取經過超前/滯后補償的冷卻劑平均溫度Tavg與零負荷參考溫度Tref之間的差值。為防止反應堆過冷，設置有聯鎖信號以保證停堆控制回路最多只能控制第一、二組旁路閥，第三組旁路閥一直保持關閉狀態。

TSC平均溫度控制模式邏輯簡圖見圖2。

圖2 平均溫度控制模式邏輯簡圖

2）壓力控制模式：也稱作P模式，用蒸汽母管壓力測量值與其整定值之差作為信號，通過PI控制器控制TSC第一、二組旁路閥開啟。該模式用于低負荷（機組功率小于20%）且反應堆功率處于手動控制模式。第三組旁路閥在P模式時同樣處于強制閉鎖狀態，因為低功率水平下，不需要全部旁路閥投用。

低負荷時，壓力控制是更為可取的模式。首先在低負荷時，反應堆冷卻劑溫度對蒸汽流量的響應很慢，而蒸汽壓力對蒸汽流量的響應很快。其次在低負荷時，蒸汽壓力與大氣釋放閥開啟定值之間的裕量很小，用壓力控制模式可以保證大氣釋放閥不至于非正常開啟。

TSC壓力控制模式邏輯簡圖見圖3。

圖3 壓力控制模式邏輯簡圖

2.3 控制閥工作模式

蒸汽旁路控制閥的開啟方式有兩種：調制開啟和快速開啟。調制開啟是指閥門按照調制信號的大小成正比例開啟，其中第1組3個閥是一個接一個依次調制開啟；第二組3個閥和第三組的6個閥都是同時調制開啟的。閥門調節曲線見圖4。

12個閥門都具備快速開啟功能，蒸汽旁路排放控制系統按組為單位設置了若干快速開啟定值，一旦溫差信號大于快速開啟定值，即產生快開信號，閥門快速開啟，這是為了適應在瞬態工況下蒸汽排放的需求而設置的。快速開啟模式只存在于溫度控制模式，而壓力控制模式下，由于電廠處于低負荷運行模式，發生甩負荷程度的程度比較低，所以壓力模式沒有設計旁路閥快開功能。

圖4 各組旁路閥調節開啟曲線

2.4 旁路控制閥聯鎖信號

為了避免因為控制器失效使得汽輪機旁路閥誤開啟，旁路系統設置有允許和閉鎖信號作為聯鎖。

1）允許信號：為了防止在小的負荷擾動使蒸汽旁路閥動作，設置兩個閾值比較器用于產生排放允許信號。該功能可以檢測出汽機負荷下降速率。當甩負荷的速率超過定值時，即超過15%FP/min的速率下降時觸發“允許A”信號，超過50%FP/min的甩負荷速率時觸發“允許B”信號，兩個信號分別解鎖不同組別的蒸汽旁路閥，使其處于待排放狀態。此外還有部分特殊工況也能產生排放允許信號。相關信息見圖5。

圖5 旁路控制閥允許信號

2）閉鎖信號：設置了若干邏輯信號用于快關旁路閥。當出現以下事件時，應在2秒內快速閉鎖不同組別的旁路閥，以防止蒸汽釋放過多造成一回路平均溫度過冷，影響反應堆負反應性。除了設計自動閉鎖信號，旁路閥還設置有手動閉鎖功能，提供給操作員一種緊急情況下快速關閉閥門的手段。相關信息見圖6。

圖6 旁路控制閥閉鎖信號

2.5 控制閥結構

TSC旁路控制閥為氣動閥，其控制回路由3個電磁線圈構成，分別是兩個不同安全列的聯鎖電磁閥，用于接受從控制系統發出的閥門快關聯鎖信號；一個快速開啟控制電磁閥，用于接受控制系統發出的旁路閥快開信號，三個電磁閥通過控制氣動閥的氣路開閉，從而實現旁路閥的快關和快開邏輯。另外旁路閥設置了一個氣動定位器，用于接受由電氣轉換器發出的調制開閉信號。

圖7

3 福清5、6號TSC系統儀控實現計劃

福建福清5、6號機組是全數字化商用核電站，全廠儀控系統選用AREVA 和 Siemens的 TXS（1E）+SPPA-T2000（NC,NC+）的 DCS 平臺。TSC系統由于不執行保護和專設功能，定義為NC級，在非安全級的SPPA-T2000平臺實現。其主要實現流程是首先由設計院進行功能分析，邏輯設計，I/O清單編制，理論定值設置，控制閥規格書編制然后由DCS供貨商根據設計院的提資分配控制機柜，分配I/O卡件和端子，進行邏輯組態，二層人機接口組態，閥門供貨商根據規格書生產設備。設計院再根據DCS供貨商和閥門供貨商的卡件端子清單設計接線圖，最終所有設備到現場后，由現場人員進行安裝調試，參數優化，最終移交運行人員。

4 結束語

福島事故以來，我國制定了更嚴格的核安全法規，也對核電站設計提出更高的要求。作為新開工的福清5、6號機組主要系統，TSC不管是概念設計，功能劃分還是邏輯聯鎖設置、參數選取都遵循了安全與經濟性兼顧的原則并滿足三代核電廠的安全指標和國家相關法規。目前該系統已經完成初步設計并進入施工設計階段，隨著工程建設逐漸進入高潮，TSC的相關設計必將有條不紊，繼續深化，并最終助力福清5、6號機組早日建成投產。