核電站汽輪機GRE上位機蒸汽流量限制解套方法及原理分析

胡詩毅 鄭雪

摘 要：大亞灣核電基地歷史上曾發生因一二回路功率變化導致GRE上位機的蒸汽流量限制起作用，汽輪機功率被套住無法進行改變的事件，針對這些事件的背景及原理進行分析，以尋求解決該問題的方案。

關鍵詞：GRE上位機；蒸汽流量限制；壓力模式；解套

中圖分類號：TK262 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）24-0070-03

1 背景介紹

2012-4-10因為發生電網事故，嶺澳核電站開啟降負荷。降至約940 MW，因為“壓力控制”未退出導致“壓力控制-反應堆模式”生效，GRE上位機被套住，機組停止降功率，其后按解套預案，點動下位機降汽機功率，逐步降低壓力值，解套后，GRE上位機將目標負荷設定為當前值，并通過G棒匹配功率和冷熱，“壓力控制-反應堆模式”生效及處理期間停留約5 min。

2002年5月10日00：59大亞灣1號主控突然出現一系列報警，高壓缸四個調節閥開大，汽機高壓缸入口壓力上升為60.2巴，大于操縱員設定壓力60巴，正常壓力模式起作用導致高壓缸調節閥不能自動關小所致。考慮到反應堆長時間處于超功率狀態違反核安全要求，決定退出壓力模式后降低反應堆功率。為防止退出壓力模式瞬間功率波動，首先將G棒置手動，退出壓力模式，降負荷至950 MW。

1999年9月26日，臺風過后，機組從760 MW開始升功率，目標負荷設在800 MW，操縱員蒸汽流量限制為72%。當上位機顯示蒸汽流量定值達到77%時，調節器上位機由自動負荷控制轉為手動控制。操縱員發現情況后，重新設置操縱員蒸汽流量限制為80%，并切回到自動負荷控制，造成發電機功率陡升到800兆瓦引起5%功率階躍，因G棒在堆頂，致使R棒提出，引起I右預警線報警，隨后在自動方式下，機組穩定在800 MW。

2 知識點介紹

2.1 操縱員蒸汽需求限制原理

操縱員通過上位機對蒸汽需求量給出的限值。該值可以設定（通過上位機Steam Demand Limit按鍵），在開始升負荷以前應根據目標負荷設定合適的蒸汽流量限值以防升負荷過程中蒸汽流量限值起作作用。

當蒸汽流量限值起作用后，實際蒸汽流量不再上升，GRE就會馬上由自動轉到手動狀態。、

操縱員可通過上位機對蒸汽需求量給出一個限值，可在-50%～105%之間。若不設置，默認為105%。機組穩態時，SD LIMIT設置比ACTUAL SD高13%。蒸汽需求限制原理圖，如圖1所示。

2.2 高壓缸入口壓力控制原理

壓力控制模式與其說是一種控制功能不如說是一種保護功能，它的原理是在系統同期狀態下（并網），采集壓力信號與壓力參考值比較，通過PI調節器產生壓力限制，與操縱員蒸汽流量限制，超速限制，超加速限制一起（小選），產生蒸汽流量限制，將汽輪機高壓缸進氣壓力控制在設定值上。目的是限制汽機進汽壓力或限制汽機進汽壓力的增長速率，防止一回路超功率。

壓力控制兩種模式：正常模式（Normal Mode ）和反應堆模式（Reator Mode）。 壓力控制方框圖，如圖2所示。

正常模式（Normal Mode ）：正常模式的壓力定值來源于系統的設定Pmax以及操縱員終端設定Operator Pressure reference，當高壓缸入口壓力上升超過設定值時，PI調節器計算產出與此壓力相對應的蒸汽流量限值（小于105%SD），如果壓力限制小于蒸汽需求指令則壓力模式投入運行，閥門受壓力控制產生的限值進行調節（入列，顯示" HP INLET PRESSURE CONTROL-NORMAL”）。

在系統壓力小于壓力定值，壓力控制計算的限值逐漸增長并大于蒸汽需求指令，高壓缸入口壓力控制解除，微型調節器恢復到高壓缸入口壓力控制投入以前的狀態（手動或自動）（出列）。為避免PI調節器的積分作用使閥門過度關閉產生蒸汽鎖效應，系統對壓力模式設置了限制，由可調參數“Pressure Control M in SD Limit”進行限制（通過工程師終端設定），若低于該值，則輸出“Pressure Control M in SD Limit”。同時為了避免頻繁的出入列，軟件上設置了死區，同時需要將壓力參考值調大一些，以補償設置死區而降低的出力。

反應堆模式：當反應堆功率小于96%Pn時，開關K1～K5的位置如圖1所示。當反應堆功率上升到96%Pn時，核功率測量系統RPN向汽機調節系統發出一個邏輯信號，汽機調節系統即轉為反應堆壓力控制模式。該信號將開關K3置向右方，開關K2、K4閉合，并將與開關K4聯動的開關K5置向下方。比較及存貯環節記憶并輸出當時汽機進汽壓力PR。PR經開關K3輸至加法器。預先設置的汽機進汽允許壓力Pmax（一般設置為105%SD）與PR的差值經開關K4輸至開關K1。開關K1受上位機鍵盤上的壓力釋放按鍵控制。在操縱員按這個按鍵之前，K1是斷開的，此時Pmax-PR不能輸至加法器，加法器的輸出僅為PR。低選門在操縱員設置的汽機進汽壓力限值Pr2與PR值中選出一個最低值，汽機進汽壓力與它比較。比例積分調節器維持汽機進汽壓力不變，汽機功率及反應堆功率也維持不變。 反應堆模式生效邏輯圖，如圖3所示。

待反應堆功率穩定下來以后，操縱員可按“壓力釋放”鍵，使開關K1閉合。速率限值比較器的輸出即以操縱員設置的很小的升壓速率向終值（Pmax-PR）過渡。該輸出通過開關K2加到加法器。加法器輸出Pr1即從原來的PR逐漸增加，最終引起汽機進汽壓力緩慢上升，汽機功率和反應堆功率也緩慢上升。這個壓力上升速率可以用壓力控制欄的速率鍵設定，最大值為0.003 Pmax/min。

通過先維持汽機進汽壓力不變，再以緩慢速率上升的方法，防止了反應堆在接近滿功率時產生超調。通過壓力控制欄的參考值按鍵和數字鍵用人機對話方式設置壓力限值Pr2，用投入鍵投入壓力控制。當Pr1增加到Pmax后，比較器輸出邏輯信號，使各開關恢復原位。 反應堆模式信號示意圖，如圖4所示。

圖4中（a）是正常情況，反應堆功率超過96%后沒有波動，持續保持96%以上，這種情況該信號存在10 s后消失。圖（b）是另一種特殊情況，信號在96%附近波動時就會反復產生觸發信號。由于RPN堆外中子測量的隨機性會造成測量值在一個較小幅度頻繁波動，且RPN424/448/460/472XU設計中沒有回差，實際運行過程中也遇到過這種情況，當出現這種情況特別是反復出現間隔較短，這時會導致相當觸發的信號一直不能消除，此時操縱員不能實施“釋放”，不能“釋放”意味著二回路功率不能升高，同樣由于采用“堆跟機”的控制模式，反應堆功率也就不能上升，這就落入死循環，功率永遠“穩定”在96%附近。這需要操縱員手動升降功率，盡快使反應堆觸發信號消除，這樣才能打破死循環。

出現圖4中（b）情況下，則需手動退出反應堆模式。

3 模擬機操作

為了驗證操縱員蒸汽需求限制、壓力控制-正常模式、壓力控制-反應堆模式三種蒸汽流量限制生效后對機組的影響及如何退出限制才能對機組的擾動最小，對此進行了探究。

3.1 操縱員蒸汽需求限制生效后的退出

操縱員蒸汽需求限制生效后，按照S程序或者瞬態干預導則方法可解除限制。解除后電功率無自動波動，但在解除過程中因G棒在手動位置，需關注一回路核熱功率及冷熱變化。

方法一：用下位機減小蒸汽流量設定值。

①將G棒放手動控制；

②調整目標負荷為實際負荷值；

③用數字鍵輸入實際負荷值；

④觸摸“ENTER”按鈕；

⑤按下LOWER和PERMIT鍵使；

⑥SDSetPt與OpSDLim一致；

⑦選擇自動負荷控制方式；

⑧提高OpSDLi 值。

方法二：增加操縱員蒸汽流量設定值。

①將G棒放手動控制；

②調整目標負荷為實際負荷值；

③用數字鍵輸入實際負荷值；

④觸摸“ENTER”按鈕；

⑤觸摸“RATE”按鈕，并用數字；

⑥鍵輸入負荷速率數值為0.5MW/Min；

⑦觸摸“ENTER”按鈕；

⑧選擇自動負荷控制方式，若不成功，將操縱員蒸汽流量限制改大0.1（%），再投自動。重復該步，直到上位機在自動負荷控制下將蒸汽流量設定值降到實際負荷值；

⑨提高OpSDLim值。

3.2 高壓缸入口壓力模式

壓力控制兩種模式：正常模式（Normal Mode）和反應堆模式（Reator Mode）。

3.2.1 高壓缸入口壓力模式（正常模式）

我們試驗了四種退出正常高壓缸入口壓力模式的方法。

①直接修改高壓缸入口設定值REF。

把REF直接改為當前壓力加上3bar，改完以后電功率將快速向load set point 變化，速率RATE不起作用，此時即使改變上位機target load ，load set point仍然保持不變，電功率直至達到load set point才開始以設定速率向target load變化。

所以直接改變REF會造成電功率的波動，波動的大小與壓力模式中電功率的變化大小相關，壓力模式中電功率變化越大，退出壓力模式后電功率的瞬間變化也大。

②用下位機減負荷減小高壓缸入口壓力。

根據機組實際經驗：利用下位機減電負荷從而使實際高壓缸入口壓力減小，當壓力低于REF一定值后，高壓缸入口壓力模式可退出。

但是在模擬機的操作過程中，發現高壓缸入口壓力模式生效后，無法操作下位機來減負荷。此種方法驗證失敗。

③利用上位機直接退出高壓缸入口壓力模式。

在上位機上直接利用OUT退出高壓缸入口壓力模式時，上位機將直接轉手動，電功率維持在波動的那一瞬間的電功率不再變化，波動小，退出之后可正常操作上位機升負荷。

需要注意的是若果上位機還沒有顯示“HP INLET PRESSURE CONTROL-NORMAL”，只是HPpressurelimit 開始下降時就退出高壓缸入口壓力模式，負荷將同直接修改REF一樣，向load set point 變化，速率RATE不起作用，此時即使改變上位機target load ，load set point仍然保持不變，電功率直至達到load set point才開始以設定速率向target load變化。

④利用操縱員蒸汽需求限制。

在上位機上改變操縱員蒸汽需求限制至比Actual load小1%，這樣操縱員蒸汽需求限制將生效，此時在將高壓缸入口壓力模式直接OUT，因為有SD的限制，電功率仍然處于SD限制的波動中。在高壓缸入口壓力模式退出以后，再利用操縱員蒸汽需求限制的解套方法將其解除。

這種方法解除限制之后電功率波動小，之后可在上位機上重新設置。

3.2.2 高壓缸入口壓力模式（反應堆模式）

對于高壓缸入口壓力模式（反應堆模式），我們實驗了三種解套方法。

①直接退出。

直接退出反應堆模式與直接退出正常壓力模式效果相似

波動也較小。

②用下位機降負荷。

與正常壓力模式相同，在反應堆模式生效時，模擬機上也不利用下位機改變電負荷。

③利用操縱員蒸汽需求限制。

這種方法的效果與正常壓力模式也相似，在實際機組上也應用過，對機組的影響較小。

4 模擬機操作小結

在驗證操縱員蒸汽需求限制退出時，根據S*GRE程序或者瞬態導則即可。

在正常高壓缸入口壓力模式生效退出時，四種方法種直接退出法、利用操縱員蒸汽需求限制法解套之后的電功率波動較小，而直接修改REF退出之后電功率波動較大，利用下位機降負荷因為模擬機模擬失敗，沒有得到驗證。需要特別注意的是，在正常高壓缸入口壓力模式剛開始降HP pressure limit時就采用直接退出法的話，電功率將有較大波動。

參考文獻：

[1] 濮繼龍.大亞灣核電站運行教程（上下）精裝[M].北京：原子能出版社，

1999。