AP1000汽輪機旁排閥及控制系統

田鵬

(山東核電有限公司，山東煙臺，265116)

AP1000汽輪機旁排閥及控制系統

田鵬

(山東核電有限公司，山東煙臺，265116)

AP1000核電機組旁排閥的獨特結構和控制功能已經成為業界重點研究對象。鑒于此，在理論基礎上，利用列舉分析的方法介紹旁排閥的現場布置、設計、結構、相關電磁閥的控制情況以及蒸汽排放控制系統（SDCS）的控制方式，使相關領域人員對AP1000旁排閥有更深的了解。

汽輪機，旁排閥，電磁閥，控制模式

0 引言

汽輪機旁排閥組是凝汽式汽輪機的一個主要部件，在核電站設備中具有權為重要的地位。在機組緊急甩負荷、電站正常冷卻階段、反應堆過熱等工況下，旁排閥組能夠及時將反應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荷的匹配，保證反應堆的安全。因此了解汽輪機旁排閥組的組成、結構、布置及控制，對研究核電站設備的運行具有重要意義。

AP1000核電機組旁排閥門由于其具有獨特的結構、設計以及控制系統，已經成為AP1000核電機組相關人員的研究熱點。本文通過對AP1000核電機組旁排閥門的闡述以及對蒸汽排放控制系統（SDCS）的綜述，使大家對AP1000核電機組旁排閥門有直觀的認識。

1 AP1000機組汽輪機旁排閥

AP1000機組二回路有3臺凝汽器，每個凝汽器對應著2個汽輪機旁排閥（見圖1）。旁排閥的設計為：在電廠瞬態時，即使1個旁排閥未開啟，其余的旁排閥設計上也能提供40%額定參數主蒸汽的排放流量。為了限制汽輪機旁排閥由于卡在開啟位置導致的不可控排放，閥門設計為在8.27 MPa時最大通流能力為236 kg/s，降低了閥門卡開導致一回路的過度冷卻的程度。汽輪機旁排閥的開啟和關閉由蒸汽排放控制系統SDCS進行控制。

圖1 汽輪機旁排閥布置

6個汽輪機旁排閥由相同能力的2組 （各3個閥門）組成，每組閥門同時打開和關閉，旁排閥設計上可以將40%滿負荷參數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下打開，其中第一組閥門 （MSS-PL-V3051A/B/ C）在0%～50%蒸汽排放需求范圍內打開，第二組閥門（MSS-PL-V3052A/B/C）在50%～100%蒸汽排放需求范圍內打開。為了防止不同的主凝汽器過熱，每組的3個旁排閥分別位于3個凝汽器中。

AP1000核電機組旁排閥門的功能如下：（1）正常冷卻。在機組滿功率正常停堆且汽輪機手動停機后，依靠旁排閥打開來維持一回路的平均溫度，并繼續冷卻一回路至177℃直到正常余熱排出系統（RNS）投入，此時一回路可以依靠RNS進行冷卻。在冷卻和啟動過程中，通過蒸汽排放控制系統（SDCS）控制汽輪機旁排閥，將來自蒸汽發生器（SGs）的蒸汽旁路排放至主凝汽器。（2）甩負荷等異常工況。蒸汽排放控制系統SDCS聯合反應堆控制系統，在100%負荷反應堆停堆、100%甩負荷或者100%負荷汽輪機停機但反應堆未停堆的情況下，提供熱阱來防止主蒸汽大氣釋放閥、主蒸汽安全閥和穩壓器安全閥動作。并且在電廠發生大幅快速甩負荷時，旁排閥能夠避免觸發反應堆停堆。SDCS和汽輪機旁排閥同樣也用于在啟動運行時為蒸汽發生器（SGs）提供熱負荷，防止由于汽輪機加載引起反應堆冷卻劑系統（RCS）溫度波動。

旁排閥為氣動球閥，在失去壓縮空氣后閥門通過彈簧失效關閉。正常情況下從蒸汽排放控制系統發送的電信號經過一個電-氣（I/P）轉換器轉換為氣信號作為閥位調節信號，從而調節壓縮空氣壓力來調整旁排閥的開度。在失電情況下，壓縮氣體從氣體供應管線上的電磁閥排放而使閥門在彈簧的作用下關閉。如果在甩負荷、電廠停堆或者蒸汽壓力控制邏輯中產生蒸汽排放需求時，信號將旁通閥位定位器達到預期的閥位。每個閥門從全關至全開只需20 s。當1組閥門運行且蒸汽排放需求大于50%或者2組閥門運行且蒸汽排放需求大于100%時，相關閥門將會收到一個強制快開信號，此時從全關至全開只需3 s[1]。汽輪機旁排閥失氣或失電情況下從全開至全關只需5 s。使用閥位變送器對旁排閥閥位進行持續監測，并且還設置了限位開關來監測閥門的全開和全關狀態，將此全開/關信號送至事故后監測系統（PAMS）進行監測。

2 汽輪機旁排閥電磁閥

在每個汽輪機旁排閥氣動頭的氣體供應管線上安裝了4個電磁閥 （A、B、C和D），用于閥門的保護和控制，正常情況下電磁閥的開關狀態如圖2所示。

圖2 汽輪機旁排閥以及相關電磁閥簡圖

2.1 電磁閥C

電磁閥C布置在供應壓縮空氣的管線上，位于閥位指示器和汽輪機旁排閥氣動頭之間，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節需要時供汽，正常運行時該電磁閥處于斷電狀態。當第一組蒸汽排放需求超過50%或第二組超過100%時，電磁閥C通電，壓縮空氣直接向氣動頭提供全壓氣體以便快速打開汽輪機旁排閥。全壓壓縮供氣打開旁排閥僅需3 s，主要用于在機組發生瞬態時，快速打開旁排閥排放多余的蒸汽，防止一回路反應堆過熱。

2.2 電磁閥A和B

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

在發生主蒸汽隔離時，電磁閥A和B斷電，旁排閥閉鎖，將汽輪機旁排閥氣動頭內的壓縮空氣排出，從而快速關閉汽輪機旁排閥。目的是防止蒸汽通過開啟的旁排閥排放，而加快反應堆冷卻劑系統的冷卻，從而增加反應堆重返臨界的可能。

在機組正常冷卻期間，當RCS平均溫度低于283℃時，可以在主控室首要安全盤（PDSP）或遠程停堆工作站（RSR）上將 “RCS TAVG低-2”信號閉鎖，以允許機組正常冷卻時的閥門正常操作，如圖3和圖4所示，此時僅能使用2個旁排閥來進行冷卻。

圖3 主控制室首要安全盤（PDSP）蒸汽排放控制開關

圖4 遠程停堆工作站蒸汽排放控制開關

在PDSP上，對于第一個和第二個旁排閥分別設置了不同的旁通開關，分別對應于各自的電磁閥A和B。在遠程停堆工作站 （RSR），只設置了一個旁通開關，同時旁通兩組旁排閥的閉鎖信號。每組蒸汽旁排閥的冷卻控制開關包含了3個位置：“DISABLE”、 “ON”和 “ENABLE”。

（1）正常情況下旁通開關處于 “ON”位置，此時旁排閥可以正常接收調節信號或者閉鎖信號，閥門正常開關。

（2）在機組冷卻期間TAVG低于283℃時，須將開關旋至 “ENABLE”狀態，此時可將 “RCS TAVG低-2”信號閉鎖，從而使電磁閥通電，保證壓縮空氣供應至閥門氣動頭進行正常的開關調節。在這種情況下，若接收到MSIS信號或手動停止蒸汽排放信號時，電磁閥A和B斷電，旁排閥快速關閉。

（3）若將開關旋至 “DISABLE”位置時，開關將保持在該位置，使對應旁排閥的電磁閥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管線，閉鎖旁排閥。

電磁閥D正常由C-9信號閉鎖。C-9信號為“凝汽器真空高于-66.7 kPa，并且至少一臺循環水泵及凝結水泵運行”，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行有效的冷卻。C-9信號主要用于在凝汽器由于真空不足或循環水系統（CWS）和凝結水系統（CDS）不可用時，防止旁排閥打開，從而使蒸汽進入凝汽器，損壞設備。

另外，在2個蒸汽發生器都處于低液位時，控制邏輯會使電磁閥D保持斷電狀態，防止汽輪機旁排閥打開。因為此時蒸汽發生器的水裝量過低，如果進行蒸汽排放，可能會使蒸汽發生器的液位過低，導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，當如下任一信號產生時，電磁閥D將通電，將壓縮空氣供給汽輪機旁排閥氣動頭，以打開汽輪機旁排閥。

（1）汽輪機甩負荷大于10%或甩負荷率大于每分鐘5%且持續2 min。在這種情況下，需要開啟旁排閥，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致一回路過熱。

（2）反應堆停堆信號。在這種情況下，需要旁排閥開啟，自動調節蒸汽的排放量，將一回路平均溫度維持在停堆正常值292℃。

（3）操縱員手動選擇旁排閥處于 “蒸汽壓力控制”模式。在機組正常停堆期間，當反應堆功率低于18%時，將控制棒置于手動狀態，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，用于在汽輪機停機后維持主蒸汽集管的壓力恒定，以及后續的一回路繼續冷卻。

3 旁排閥控制系統——蒸汽排放控制系統（SDCS）

SDCS由2個獨立的控制模式組成，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]。在發電機并網后汽輪機帶負荷，旁排閥根據壓力自動關閉，在排放需求小于1%時，手動關閉旁排閥并將SDCS置于一回路的平均溫度TAVG模式，用于在汽輪機甩負荷或反應堆緊急停堆時維持一回路的平均溫度在設定值。在機組正常降負荷停堆期間，當反應堆功率低于18%時，將蒸汽排放的模式由TAVG控制模式切至蒸汽壓力控制模式，用于在汽輪機停機后維持主蒸汽集管的壓力恒定，以及后續的一回路繼續冷卻[2]。

3.1 一回路的平均溫度TAVG控制模式

一回路平均溫度TAVG控制模式用于發電機并網后的電廠正常運行工況，在汽輪發電機快速甩負荷瞬態或反應堆停堆后提供一個冷卻方式。因此TAVG控制模式又包含了2個不同的控制邏輯：“甩負荷控制器”和 “電廠停堆控制器”。

3.1.1 甩負荷控制器

正常運行時，SDCS處于一回路平均溫度TAVG模式，且無反應堆停堆信號（P-4），電廠控制系統（PLS）自動選擇甩負荷控制器。控制器能夠在大幅快速甩負荷后防止反應堆冷卻劑溫度的大幅升高。在發生甩負荷時，由于汽輪機進汽壓力大幅下降，通過汽輪機進汽壓力折算的一回路參考溫度TREF大幅降低。

在經過一段控制 “死區”范圍后，根據TAVG和TREF之間的偏差產生蒸汽排放需求。設置控制“死區”的目的是當甩負荷較小時，可以先通過控制棒的移動來調節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，避免旁排閥打開，減小系統波動，增加穩定性 （見圖5）。

圖5 甩負荷控制器控制曲線

如果甩負荷大于10%或者大于每分鐘5%且持續2 min以上時，C-7允許給電磁閥D通電，保證壓縮空氣供向汽輪機旁排閥氣動頭。如果第一組蒸汽排放需求超過50%或第二組超過100%時，電磁閥C通電，允許向汽輪機旁排閥供應全壓壓縮空氣。在打開汽輪機旁排閥后，SDCS開始調節閥門來調整一回路平均溫度TAVG，直到一回路平均溫度與一回路參考溫度TREF一致。當TAVG至TREF溫差降至控制棒的操作能力之內時可以關閉旁排閥，終止蒸汽排放。在汽輪機跳機或者與電網斷開時，SDCS將關閉汽輪機旁排閥，將機組穩定在約15%負荷水平，為汽輪發電機重新啟動和同步并網做好準備。

3.1.2 電廠停堆控制器

SDCS處于TAVG模式且反應堆停堆 （P-4信號存在），TAVG控制模式自動從甩負荷控制邏輯轉換至停堆控制邏輯。TAVG停堆控制器發送需求信號給汽輪機旁排閥閥位指示器，信號為一回路平均溫度TAVG與零負荷對應的一回路參考溫度TREF（292℃）之差。在接收到反應堆停堆信號后，SDCS依據溫差，通過預先設定的順序打開汽輪機旁排閥。一回路冷卻劑系統平均溫度逐漸趨近于零負荷值（292℃）后，SDCS蒸汽排放需求信號降低，旁排閥開度變小，將反應堆維持在穩定的熱停堆工況，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組啟動、停堆和冷卻運行。蒸汽壓力控制模式由操縱員手動選取。在機組處于熱備用狀態時，操縱員可直接輸入一個主蒸汽集管壓力值，蒸汽壓力控制器將維持這個設定值，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保持衰變熱的導出?？刂破鞯妮斎胄盘枮檎羝腹軌毫蛪毫υO定值的偏差。操縱員可以輸入冷卻速率和目標RCS溫度。由此計算出蒸汽壓力設定值，控制系統根據偏差信號控制蒸汽的排放來達到預先設定的冷卻速率，并且在達到目標RCS溫度時停止排放蒸汽。在TAVG低于283℃后，需在PDSP或RSR將其中2個旁排閥解除閉鎖用于冷卻。

在機組啟動運行期間，SDCS處于蒸汽壓力模式，汽輪機暖機完成后通過調節汽輪機旁排閥來保持二回路側零負荷溫度和壓力。當汽輪發電機達到同步轉速時，旁排閥將開始逐漸關閉，自動補償流向汽輪機的蒸汽。在同步并網后，汽輪發電機開始加載，旁排閥最終關閉。此時，檢查汽輪機旁排閥關閉且將SDCS置于TAVG模式運行[3]。

4 結語

本文通過對AP1000核電機組旁排閥門的闡述，以及對蒸汽排放控制系統（SDCS）的綜述，介紹了旁排閥門的組成、結構、布置及控制。通過對旁排閥電磁閥的描述以及對旁排控制系統的介紹，進一步使讀者了解了AP1000旁排閥的獨特設計。

預計AP1000堆型將成為中國核電未來的一個重要的發展方向，希望本文能幫助相關領域人員了解AP1000旁排閥的情況。

[1]田鵬.海陽核電廠操縱人員取照考試復習題集[M].煙臺:山東核電有限公司,2005.

[2]馮霖.機組整體運行規程[M].煙臺:山東核電有限公司, 2005.

[3]張文君.AP1000核電廠系統與設備教程[M].煙臺:山東核電有限公司,2005.

[4]丁飛.海陽核電廠操儀控邏輯圖集[M].煙臺: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，學士，工程師，畢業于天津大學自動化專業，現任山東核電有限公司運行部高級操縱員。