AP1000汽輪發電機組甩負荷試驗研究

吳文超，王子奇

（1. 山東核電有限公司，山東　煙臺　265116；2. 山東中實易通集團有限公司，山東　濟南　250061）

AP1000汽輪發電機組甩負荷試驗研究

吳文超1，王子奇2

（1. 山東核電有限公司，山東煙臺265116；2. 山東中實易通集團有限公司，山東濟南250061）

文章對AP1000核電汽輪發電機組甩負荷試驗進行了介紹，并與國內其他核電機組及常規火電機組的甩負荷試驗進行了對比。討論了相關的試驗條件、試驗方法、應采取的預防措施、注意事項及國外同類試驗的經驗反饋，提出了一些相關建議。

AP1000核電廠；甩負荷試驗；負荷平臺；試驗方法

1　AP1000核電汽輪機組甩負荷試驗方法介紹

汽輪發電機組是核電廠二回路的核心設備。首批AP1000核電汽輪發電機組采用日本三菱技術，由哈動-三菱聯合體供貨。汽輪機工作轉速為1 500 r/min，為單軸、四缸雙流六排汽的反動凝汽式汽輪機，由一個高壓缸、三個低壓缸及附屬系統組成，高、低壓缸均為雙分流型式，每側各10級動、靜葉片，額定工況下高壓缸進汽壓力為5.38 MPa，進汽溫度為268.6 ℃，再熱蒸汽壓力為0.932 MPa，再熱蒸汽溫度為257 ℃，排汽壓力為4.4 kPa，設計壽命為60年。兩個兩級再熱的汽水分離再熱器對稱布置在低壓缸兩側。汽輪發電機組的總體布置如圖1所示。

圖1　AP1000汽輪發電機組的總體布置Fig.1　The general layout of AP1000 turbine generator

1.1試驗目標

甩負荷試驗的目的是為了驗證甩負荷發生時調速器的功能，試驗時汽輪機轉速因慣性升高，此時調速器應能將轉速穩定控制，沒有意外的超速發生，機械超速保護不動作。試驗在30%、50%、75%、100%額定負荷下各做一次，其中100%負荷平臺下的試驗還包括帶廠用電穩定運行試驗。

1.2試驗先決條件

試驗前，一回路與二回路系統穩定在要求的負荷水平運行，試驗用儀器校驗合格并已接入系統，要求檢查下列條件已滿足：電鍋爐至汽輪機軸封的輔助蒸汽可用；凝汽器水簾噴淋和低壓缸排汽噴淋系統在自動位；MSR加熱控制模式在自動位；給水前置泵NPSH控制可用；相關保護裝置試驗如機械超速試驗、調節器上升/下降試驗、油泵自啟試驗已正確完成；手動停機裝置動作正常；汽輪機旁排閥處于自動位，凝汽器允許接收旁排蒸汽；LL與AVR投用；30%負荷平臺試驗前，OPC設定值從30%調整至50%，試驗后恢復；汽輪機導汽管疏水閥、抽汽管疏水器旁路閥等處于自動位；緊急柴油發電機備用自動；啟動給水泵自動位；主蒸汽至除氧器的加熱蒸汽控制閥自動位。

1.3試驗方法

汽輪機在要求的負荷平臺（30%、50%、75%、100%）下穩定運行時，手動斷開發電機出口斷路器，機組與電網解列，甩去所帶的電負荷，此時汽輪機、核島、發電機均應不跳閘。甩負荷時注意觀察OPC的動作情況，汽輪機旁排閥應動作正常，所有的抽汽逆止閥關閉，MS疏水泵和低加疏水泵跳閘（二回路系統穩定后重新啟動），主蒸汽管道上的PORV閥不應動作，主蒸汽壓力穩定，核島所有參數穩定，汽輪機能夠在空負荷下穩定運行。其中100%功率平臺下斷開主變高壓側開關的試驗中，汽輪發電機組應能夠在最小廠用電負荷下穩定運行。

機組甩負荷前后及試驗過程中，記錄各有關參數供試驗分析，根據記錄繪制甩負荷過程中的轉速變化曲線，如圖2所示。

1.4試驗應采取的預防措施和限制條件

在甩負荷試驗期間，人員應撤出汽輪發電機運轉平臺，以防不測事件發生。在甩負荷發生后，如果自動控制不能穩定，必要時應切換為手動進行調整，如調節系統嚴重晃動，無法維持空負荷運行時，立即停機。做好機械超速保護動作的事故預防。

圖2 汽輪發電機組甩負荷過程中轉速飛升曲線Fig.2 Curve of maximum momentary speed in the process of turbine load shedding

2　國內其他核電機組和火電機組甩負荷試驗的一般做法

火電機組在汽輪機帶負荷整套試運期間，超速試驗合格后重新并網，條件具備后可進行甩負荷試驗［1］。按DL/T711的要求，甩負荷試驗應分別在50%、100%額定負荷兩級進行。對已取得該型機組用常規法甩負荷實測的轉子轉動慣量，或制造廠提供了該型試驗機組的轉子設計轉動慣量，該機組可選用測功法進行汽輪機甩負荷試驗。甩負荷后，應確認汽輪機調節控制系統工作正常，各調節汽閥關閉，各抽汽閥關閉，DEH甩負荷功能實現，OPC動作正常，高低壓旁路自動控制正常，轉速先上升（最高轉速小于危急保安器動作值）后下降，逐漸趨于穩定，否則應打閘停機。

國內其他核電機組甩負荷試驗一般也在50%、100%兩個功率平臺下進行，其中50%功率平臺做一次甩負荷試驗，100%功率平臺包括兩次甩負荷試驗。

2.1試驗目標

汽輪機組甩負荷后，最高飛升轉速不應使機械超速保護動作。對于額定轉速為3 000 r/min的機組最高飛升轉速不得超過3 300 r/min，調節系統動態過程應迅速穩定，使機組能空負荷穩定運行。

2.2試驗條件

主要設備無重大缺陷，操作機構靈活，主要監視儀表準確；保安系統動作可靠，機械超速試驗合格，手動停機裝置動作正常；汽門嚴密性試驗合格，汽門快速關閉時間符合要求；抽氣逆止閥聯鎖動作正常，關閉嚴密；輔助油泵和事故油泵聯鎖動作正常，油系統油質合格；輔助蒸汽備用汽源能自動投入；汽輪機旁路系統處于熱態備用狀態；蒸汽安全閥校驗合格；儀控、電氣保護接線正常。動作可靠，并能滿足試驗要求；廠用電源可靠；發電機主開關和滅磁開關跳合良好；試驗用儀器、設備校驗合格，并已接入系統；試驗組織機構成立，職責分工明確；已經取得電網調度員的同意。

2.3試驗方法

斷開發電機主開關，機組與電網解列，甩去全部負荷，測取機組調節系統的動態特性；一般按甩全部負荷的50%、100%兩次進行。根據機組的具體情況，必要時在甩負荷試驗前，對設備的運行狀態及運行參數的控制方法等，可以做適當的操作和調整。機組甩負荷后應使蒸汽發生器（鍋爐）不超壓，汽輪機不超速、發電機不過壓，維持機組空負荷運行，力求盡快并網。當甩50%額定負荷后，轉速超調量大于或者等于5%時，應中斷試驗。

機組甩負荷后，轉速穩定在額定轉速，進行以下檢查：汽輪機旁路系統開啟情況；軸封壓力、除氧器壓力、除氧器水位和凝汽器水位；機組軸向位移、差脹、排汽溫度；抽汽逆止門關閉情況；開啟汽輪機本體及抽汽管道疏水；檢查機組振動情況。

2.4試驗應采取的預防措施

在進行甩負荷過程中，應設專人監視轉速。其他監視參數可參照運行規程中的有關要求，如軸向位移、差脹、振動、排汽溫度等。

若機組甩負荷后機械超速保護動作，應做以下操作和檢查：

1）檢查汽門和抽氣逆止門關閉是否嚴密。

2）待機組轉速降低至額定轉速以下時掛閘。

3）若機組轉速繼續下降，應及時啟動輔助油泵、頂軸油泵。

4）設法恢復汽輪機轉速至額定轉速，完成有關項目檢查。

5）機組甩負荷后，調節系統嚴重晃動，無法維持空負荷運行時，立即停機。

6）機組甩負荷后，轉速飛升至超速值，保護不動作時，立即停機。

3　不同試驗方法的幾點探討

由前述兩節內容對比分析可知，AP1000核電機組的甩負荷試驗與常規火電的甩負荷試驗有明顯的不同點，如試驗方法、負荷平臺的選擇、驗收標準等，下面作對比分析。

3.1試驗平臺

國內火電機組或其他核電機組的甩負荷試驗都選擇50%與100%兩個功率平臺來做甩負荷試驗。甩負荷這樣重大的試驗并不是越多越好，AP1000核電進行4個平臺的甩負荷試驗是出于何種考慮呢？在日本，MHI供貨的核電機組全部是做4次甩負荷試驗，選4個試驗平臺（30%、50%、75%、100%）的原因是基于從簡單到復雜、從低風險向高風險逐步進行的理念，以保證高負荷試驗更安全；MHI認為低負荷情況下的甩負荷試驗對機組影響不大，而100%甩負荷對機組損害大。低負荷平臺的甩負荷合格，可確保100%甩負荷一次成功。

30%平臺甩負荷是在OPC功能屏蔽的情況下進行的，以便在設計極限條件下最大限度考驗機組的調節特性。在此功率平臺下做甩負荷試驗時，只要旁排系統能正常動作，試驗過程對核島基本無影響，因為AP1000旁路的設計容量為額定負荷的40%。在50%、75%、100%平臺甩負荷時，OPC功能應該正常投入。

低負荷平臺甩負荷試驗時，汽輪發電機組轉速不應超過多少呢？MHI汽輪發電機組實施甩負荷試驗的經驗反饋數據表明，30%、50%，75%、100%甩負荷試驗時，超速基本上是線性的，50%甩負荷超速未超過5%，75%再驗證一下不超過7.5%，可推測100%甩負荷不超過10%。如果用50%和75%的兩次試驗結果預測100%甩負荷試驗不超過8%（MHI認為超速低于9%就可以了），則可做100%甩負荷試驗，并且可以推測100%甩負荷轉速飛升不會超過10%。試驗時，轉速要安排專人來監視，并做好失電的考慮。各平臺甩負荷試驗超速情況如圖3所示。

3.2各平臺試驗驗收標準

對于國內火電機組來說，甩50%額定負荷時，若機組轉速超調量達到或超過5%，將不再進行100%甩負荷試驗。在AP1000的甩負荷試驗過程中，可根據前一平臺的試驗數據，預測下一更高平臺試驗的結果（如圖3所示），來決定是否繼續進行下一平臺的試驗，而不是所有試驗平臺都執行同一個標準，即“低于8%額定轉速”。

圖3　汽輪發電機組4個平臺甩負荷示意圖Fig.3　The load shedding of four turbine loading platforms

3.3甩負荷試驗前機組運行狀態的調整要求建議

為了確保試驗安全進行或者防止事故擴大，在試驗開始前進行一些調整是有必要的。例如，預暖旁路系統，提前切換廠用電，電鍋爐熱備用等。試驗前是否先切換廠用電至網上供電呢？根據接線圖可知，斷開發電機出口斷路器后，可以自動帶上廠用負荷，所以試驗前不用切換廠用電。電鍋爐必須要熱備用狀態，輔助蒸汽是熱備用狀態，考慮萬一核島停堆，甩負荷后，此時要停機，還要冷卻核島，汽輪機真空要保持很長時間，所以汽輪機軸封一直需要供汽。汽門活動性試驗、抽汽逆止閥活動試驗等試驗先做。日本一些核電廠甩負荷前，凝泵入口濾網先要反沖洗一下或人工清理，因甩負荷時蒸汽攜帶的臟物都到了凝汽器。4次試驗前，都先做機械超速的遠方噴油試驗和進行保護裝置在線試驗（再次驗證）。

3.4甩負荷試驗前汽門嚴密性試驗的工作要求

在甩負荷試驗中，OPC動作，主汽門不關，調門關閉，此時調門的嚴密性對防止汽輪機超速跳閘顯得很重要。如何單獨驗證調門的嚴密性呢？國內火電機組要求單獨做調門的嚴密性試驗，并有專門的試驗方法和試驗邏輯，以防跳機后，主汽門卡澀不能關閉，具體試驗做法：在額定主蒸汽壓力下，高中壓主汽門和調節汽門分別全關而另一組汽門全開時，機組轉速能夠維持在1 000 r/min以下。這個試驗需要分別對主汽門和調節汽門獨立進行。三菱驗證汽門嚴密性的試驗方法為：在機組啟動沖轉前，選擇“EH AUTO”，全開GV、RSV和ICV，而MSV全關，機組轉速能維持在150 r/min以下，則證明MSV嚴密。機組停機時，所有汽門全關，機組能夠正常惰走至轉速為零，則可以驗證汽門嚴密性合格。MHI提供的閥門嚴密性試驗程序不包含汽輪機調閥的單獨嚴密性試驗。調門的嚴密性是否有必要單獨來做試驗，MH認為，因閥桿活動試驗要定期做，主汽門卡住的可能性很微小。當然，調門單獨做嚴密性試驗，邏輯上是可以實現的，DEH是可以實現的，雖然AP1000核電機組沒有這種模式。

3.5AP1000機組甩負荷試驗方法討論

甩負荷試驗與孤島運行試驗有斷開發電機出口開關與斷開主變高壓側開關兩種試驗方法。AP1000機組在30%、50%和75%功率平臺實施的甩負荷試驗，采用打開發電機出口開關的方法。發電機出口開關斷開后，廠用電由電網供應，試驗風險較小。

AP1000設計控制手冊APP-GW-GL-700第14.2.10.4.21章節中要求，AP1000機組應具備接受100%甩負荷并穩定運行的能力［2］。首批AP1000機組的孤島運行試驗由WEC負責，是在100%平臺做試驗，包含打開主變高壓側開關和發電機出口開關兩種試驗。試驗前電廠維持在滿功率平臺穩定運行，反應堆和汽輪機控制系統在自動模式，電廠溫度、壓力、液位、流量等參數正常［2］。

在斷開主變高壓側開關的試驗中，廠用電由汽輪發電機組供應，這對核電廠自動控制系統提出了很高的要求，要求汽輪發電機組及核島在承受最大程度的負荷聚減后，還要維持低功率帶廠用電穩定運行。在甩負荷過程中，汽輪機轉速不應超過108%額定轉速。日本國內的經驗表明，甩負荷至孤島運行帶廠用電試驗風險很大，此時萬一汽輪發電機跳閘，會導致全廠失電，柴油機會啟動，因此MHI建議不做此試驗。日本前期有些核電機組具備孤島運行能力，并進行了該項試驗，后來的新機組基本上不進行該項試驗。

MHI廠內100%甩負荷帶廠用電的試驗進行了仿真試驗。帶廠用電的試驗是否應在低負荷演練一次，可以就這個問題繼續研討。SDPNC建議就50%的甩負荷孤島運行試驗作為后續研討議題，MHI擬再進行一次50%功率平臺甩負荷帶廠用電的仿真試驗。現場是否有必要在低功率平臺做一次帶廠用電的甩負荷試驗作為準備性試驗，也是一項值得探討的問題。

［1］ DL/T863-2004 汽輪機啟動調試導則［S］.（DL/ T863-2004 Guidance on Turbine Startup Commissioning ［S］.）

［2］ D.Rupprecht. 1000 Design Control Document，Revision 19，U.S.A，Westinghouse Electric Company LLC［R］，2011：4802-4805.

［3］ Carl W. Hemming. AP1000 100 Percent Load Rejection Startup Test Specification［R］，Shandong，2012：5-20.

［4］ W-Williams. AP1000 Plant Trip from 100 Percent Power Startup Test Specification［R］. Shandong，2012：5-9.

Analysis of Turbine Load Shedding Test for AP1000 Nuclear Power Plant

WU Wen-chao1，WANG Zi-qi2
（1. Shandong Nuclear Power Co.，Ltd.，Yantai of Shandong Prov. 265116，China； 2. Shandong Zhongshiyitong Group Co.，Ltd.，Jinan of Shandong Prov. 250061，China）

This paper introduces the turbine load shedding test of the world's first AP1000 nuclear power plant， compares the test with those of other nuclear power plants and conventional thermal power plants. This paper discusses related test conditions， test methods， and preventive measures should be taken， matters to be noticed and similar foreign experience feedback， and puts forward some suggestions.

AP1000 nuclear power plant； load shedding test； loading platform； test method

TL37Article character：AArticle ID：1674-1617（2015）01-0019-05

TL37

A

1674-1617（2015）01-0019-05

2014-10-17

吳文超（1972—），男，湖北仙桃人，高級工程師，從事核電常規島調試工作。