CEFR滿功率下甩負(fù)荷安全風(fēng)險探討

田鈺

摘 要：2014年CEFR在反應(yīng)堆40%Pn和75%Pn兩種工況下進(jìn)行汽輪機(jī)甩負(fù)荷試驗，反應(yīng)堆均實現(xiàn)安全運行，汽輪機(jī)安全停運，常規(guī)島順利導(dǎo)出反應(yīng)堆余熱，滿足試驗驗收準(zhǔn)則，試驗成功。該文主要描述兩次甩負(fù)荷試驗過程、分析試驗進(jìn)程、總結(jié)試驗結(jié)果的基礎(chǔ)上嘗試分析CEFR滿功率下甩負(fù)荷安全性。同時通過試驗探索CEFR運行優(yōu)化，形成經(jīng)驗反饋材料指導(dǎo)后續(xù)堆上運行工作。

關(guān)鍵詞：甩負(fù)荷 汽輪機(jī) 安全風(fēng)險

中圖分類號：TL43 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）06（b）-0107-03

1 甩負(fù)荷試驗定義

汽輪機(jī)甩負(fù)荷是指為測取汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)動態(tài)特性，突然甩去汽輪機(jī)組部分和全部負(fù)荷所進(jìn)行的全部檢測工作。在此過程中可能會導(dǎo)致機(jī)組超速、振動過大、主蒸汽系統(tǒng)超壓等異常現(xiàn)象出現(xiàn)。此外CEFR設(shè)計采用“機(jī)跟堆”的運行方式，汽輪機(jī)甩負(fù)荷試驗也是對反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)和主熱傳輸系統(tǒng)導(dǎo)出反應(yīng)堆余熱能力的驗證，鑒于以上因素，CEFR將汽輪機(jī)甩負(fù)荷試驗安排在反應(yīng)堆40%穩(wěn)定功率和反應(yīng)堆75%穩(wěn)定功率臺階下進(jìn)行試驗，此項試驗成功后CEFR反應(yīng)堆方能滿功率運行。

2 試驗準(zhǔn)備

為確保試驗安全完成，在試驗前采取電站試驗調(diào)研、主回路傳熱能力計算、風(fēng)險點分析和試驗操作票編寫等相關(guān)資料準(zhǔn)備。堆上完成汽輪機(jī)保護(hù)和反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)等安全試驗，證明了汽輪機(jī)能夠可靠停機(jī)，并有效切斷進(jìn)汽，保證系統(tǒng)不超壓。為了防止保護(hù)停機(jī)系統(tǒng)失效，還安排了運行人員現(xiàn)場監(jiān)視，準(zhǔn)備隨時手動停機(jī)等保護(hù)措施。

3 兩次甩負(fù)荷試驗事件背景

3.1 反應(yīng)堆40%穩(wěn)定功率臺階下汽輪機(jī)甩負(fù)荷試驗

試驗前主要參數(shù)和關(guān)鍵系統(tǒng)運行狀態(tài)如下：（1）二回路四臺主泵均500 rpm運行，反應(yīng)堆出口鈉溫417 ℃；（2）1#，2#蒸汽發(fā)生器入口鈉溫384 ℃左右，出口鈉溫283 ℃左右；（3）常規(guī)島主蒸汽母管壓力10.02 MPa，汽輪發(fā)電機(jī)維持3 000 rpm并網(wǎng)發(fā)電工況穩(wěn)定運行。

3.2 反應(yīng)堆75%穩(wěn)定功率臺階下汽輪機(jī)甩負(fù)荷試驗

試驗前主要參數(shù)和關(guān)鍵系統(tǒng)運行狀態(tài)如下：（1）二回路四臺主泵均737 rpm運行，反應(yīng)堆出口鈉溫494 ℃；（2）1#，2#蒸汽發(fā)生器入口鈉溫447 ℃左右，出口鈉溫311 ℃左右；（3）常規(guī)島運行正常。

4 兩次甩負(fù)荷試驗事件發(fā)展序列

CEFR兩次甩負(fù)荷試驗均以斷開01開關(guān)并觸發(fā)“汽輪機(jī)甩負(fù)荷”信號實現(xiàn)。系統(tǒng)流程見圖1、圖2。

4.1 反應(yīng)堆40%Pn穩(wěn)定功率臺階下汽輪機(jī)甩負(fù)荷試驗進(jìn)程

20：25分，操縱員手動斷開01開關(guān)，發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)解列；20：28分，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速上升達(dá)到最高轉(zhuǎn)速3 075 rpm；整個過程，核島系統(tǒng)維持40%Pn穩(wěn)定功運行。

4.2 反應(yīng)堆75%Pn穩(wěn)定功率臺階下汽輪機(jī)甩負(fù)荷試驗進(jìn)程

13：58分，操縱員手動斷開01開關(guān)，發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)解列；13：58分，轉(zhuǎn)速上升，“主汽門關(guān)閉”信號觸發(fā)反應(yīng)堆保護(hù)停堆。所有控制棒下落至下終端，一回路兩臺主泵開始惰轉(zhuǎn)最終至150 rpm，二回路兩臺主泵開始惰轉(zhuǎn)最終至300 rpm，汽輪機(jī)同時惰轉(zhuǎn)。

4.3 兩次汽輪機(jī)甩負(fù)荷試驗對比

兩次甩負(fù)荷汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速最高達(dá)到3 075 rpm和3 181 rpm，導(dǎo)致不同的試驗進(jìn)展情況，不同點描述如下：（1）40%Pn工況下的甩負(fù)荷試驗：依靠汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)將汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速維持3 000 rpm空轉(zhuǎn)運行，未觸發(fā)保護(hù)停堆。（2）75%Pn下的甩負(fù)荷試驗：汽輪機(jī)最高至3 181 rpm超過額定轉(zhuǎn)速的103%，DEH觸發(fā)調(diào)節(jié)汽門關(guān)閉，反應(yīng)堆停堆。

兩次甩負(fù)荷試驗一、二回路鈉泵控制正確，旁排閥實現(xiàn)聯(lián)鎖打開，整個過程主蒸汽壓力不超13.29 MPa，發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓最高達(dá)到10.6 kV，汽輪機(jī)各項參數(shù)運行穩(wěn)定，反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)完全按照保護(hù)邏輯序列進(jìn)行動作。試驗結(jié)果滿足以驗收準(zhǔn)則，實驗成功。

5 滿功率下甩負(fù)荷分析

CEFR滿功率時主熱傳輸系統(tǒng)參為：蒸汽發(fā)生器出口壓力14 MPa，主蒸汽母管壓力13 MPa，主蒸汽流量96 t/h，主蒸汽溫度維持450 ℃～470 ℃；汽輪發(fā)電機(jī)維持3 000 rpm并網(wǎng)發(fā)電狀態(tài)。由于40%Pn汽機(jī)甩負(fù)荷試驗堆功率相對較低，CEFR滿功率甩負(fù)荷主要參考75%Pn下汽機(jī)甩負(fù)荷數(shù)據(jù)，從汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速、主蒸汽系統(tǒng)壓力、給水流量三方面進(jìn)行滿功率甩負(fù)荷探討。

5.1 滿功率下汽輪機(jī)甩負(fù)荷轉(zhuǎn)速分析

CEFR汽輪機(jī)調(diào)節(jié)保安系統(tǒng)是由數(shù)字電調(diào)系統(tǒng)（DEH）、液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)和汽機(jī)保安系統(tǒng)三大部分組成。當(dāng)汽機(jī)轉(zhuǎn)速大于額定轉(zhuǎn)速的103%調(diào)節(jié)氣門關(guān)閉；當(dāng)汽輪機(jī)組轉(zhuǎn)速超過額定轉(zhuǎn)速的109%主汽門關(guān)閉；當(dāng)轉(zhuǎn)子超過額定轉(zhuǎn)速110%～112%時，危急遮斷器動作觸發(fā)主汽門和調(diào)節(jié)汽門關(guān)閉實現(xiàn)機(jī)組停機(jī)。

CEFR汽輪機(jī)實際運行中采用偏保守考慮，當(dāng)汽機(jī)轉(zhuǎn)速大于額定轉(zhuǎn)速的103%就能實現(xiàn)汽輪機(jī)停機(jī)反應(yīng)堆停堆。與其他核電站或火電站相比，CEFR汽輪機(jī)采用縮短汽輪機(jī)甩負(fù)荷后進(jìn)汽時間從而達(dá)到減少蒸汽在汽輪機(jī)內(nèi)部做功途徑，將機(jī)組甩負(fù)荷后轉(zhuǎn)速升高控制在盡量低的范圍。對于研究堆來說這也是CEFR一個顯著特點。另外從主汽壓力曲線變化可以看出，在甩負(fù)荷開始階段（15 s內(nèi)）由于旁排閥開啟滯后效應(yīng)汽壓有所上升，15 s后由于旁排閥開啟效應(yīng)主汽壓開始降低，后續(xù)隨著2#旁排參與主蒸汽的調(diào)壓，可以看到主蒸汽母管壓力在小范圍內(nèi)波動。

5.2 滿功率下汽輪機(jī)甩負(fù)荷主蒸汽系統(tǒng)壓力分析

CEFR汽輪機(jī)旁排系統(tǒng)承擔(dān)反應(yīng)堆熱量導(dǎo)出，在汽輪機(jī)組緊急故障或甩負(fù)荷時，旁排閥自動打開，蒸汽經(jīng)旁路排放系統(tǒng)排入主冷凝汽器，保證反應(yīng)堆安全運行。旁排系統(tǒng)共設(shè)有兩臺旁排閥管路，一臺實現(xiàn)調(diào)節(jié)功能一臺實現(xiàn)保護(hù)功能。每臺旁排閥額定排放量為32 t/h（蒸汽量的66.7%）。CEFR為防止主蒸汽系統(tǒng)超壓，還在兩環(huán)路蒸發(fā)器出口和過熱器入口設(shè)置兩臺大汽釋放閥，向大氣排放多余蒸汽。每臺大氣釋放閥額定流量可達(dá)32 t/h（蒸汽量的66.7%）。

由于CEFR在75%Pn臺階下三回路啟動停堆冷卻系統(tǒng)投運，有13.8 t/h主蒸汽通過啟動擴(kuò)容器支路排放至冷凝器。只有57.2 t/h過熱蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)發(fā)電，其蒸汽量低于CEFR旁排最大排放量64 t/h，2#旁排閥收到甩負(fù)荷信號開啟，最高流量達(dá)37 t/h，維持約1.5 s后關(guān)閉，整個主蒸汽系統(tǒng)壓力由1#旁排閥調(diào)節(jié)維持（甩負(fù)荷3 s后參與調(diào)節(jié)）。其閥門開度與壓力變化見圖3。

圖3中無論是1#旁排還是2#旁排在汽機(jī)甩負(fù)荷中都參與主汽壓力調(diào)節(jié)，在調(diào)節(jié)過程中排放峰值（37 t/h）超過其正常單環(huán)排放額定流量32 t/h，可以看到CEFR旁排系統(tǒng)實際排放量較設(shè)計偏大，有利于高工況反應(yīng)堆余熱導(dǎo)出。在反應(yīng)堆滿功率后以總蒸汽量96 t/h計算，如果發(fā)生汽輪機(jī)甩負(fù)荷，通過旁排系統(tǒng)可按64 t/h導(dǎo)出蒸汽，剩余32 t/h蒸汽量可通過大氣釋放閥導(dǎo)出，4臺大氣釋放閥共可承擔(dān)128 t/h蒸汽量，設(shè)計值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于滿功率下實際蒸汽排放量，功率下汽輪機(jī)甩負(fù)荷時主蒸汽系統(tǒng)壓力不會超壓15 MPa。

5.3 滿功率下汽輪機(jī)甩負(fù)荷給水流量變化分析

CEFR設(shè)計兩組蒸汽發(fā)生器，在75%Pn臺階下汽輪機(jī)甩負(fù)荷后，主給水流量由原來單環(huán)36 t/h，經(jīng)過幾次波動至15 t/h左右后開始穩(wěn)定運行，其中甩負(fù)荷后單環(huán)最小流量達(dá)到5.28 t/h。

CEFR滿功率下甩負(fù)荷會觸發(fā)停堆保護(hù)，一二回路四臺主泵分別墮轉(zhuǎn)至150 rpm和300 rpm，同時三回路給水泵按照當(dāng)前功率水平下額定給水量運行，反應(yīng)堆操縱員根據(jù)蒸汽發(fā)生器出口鈉溫限值和鈉溫變化速率手動調(diào)節(jié)給水泵轉(zhuǎn)速和給水調(diào)節(jié)閥開度控制給水流量。這樣三回路給水調(diào)節(jié)時效性和準(zhǔn)確性都不能保證，這樣在一定程度上加大了甩負(fù)荷后主熱傳輸系統(tǒng)重要設(shè)備的沖擊。未來CEFR滿功率下堆上如果進(jìn)行甩負(fù)荷試驗，需要加強這方面研究。

6 CEFR滿功率甩負(fù)荷運行建議

借鑒以上兩次汽輪機(jī)甩負(fù)荷試驗的成功經(jīng)驗，結(jié)合CEFR運行特點提出反應(yīng)堆在高功率下兩項優(yōu)化運行方案。

6.1 反應(yīng)堆高功率運行三回路蒸汽采用雙路運行方式

反應(yīng)堆在75%額定功率臺階運行時，需要進(jìn)行廠用蒸汽切換操作，即原啟動停堆系統(tǒng)停運，投入汽輪機(jī)一段抽汽。在具體操作過程中，需要進(jìn)行暖管和就地系統(tǒng)的導(dǎo)通操作，操作量大，比較耗時。反之，在反應(yīng)堆降功率或者保護(hù)停堆后廠用蒸汽源也需要進(jìn)行手動切換，特別是保護(hù)停堆后操縱員由于要監(jiān)控運行設(shè)備，啟動停堆系統(tǒng)無法自動投運，勢必造成人員調(diào)動緊張，影響系統(tǒng)正常投入。建議啟動停堆系統(tǒng)連續(xù)運行，從而提供一條主蒸汽導(dǎo)出支路，緩解了保護(hù)停堆對汽輪機(jī)、除氧器等大型設(shè)備的沖擊，為廠用啟動鍋爐投運創(chuàng)造時間。

6.2 三回路自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)完善

現(xiàn)階段CEFR主給水流量通過操縱員手動控制實現(xiàn)核島與常規(guī)島熱量匹配運行，一方面直接影響CEFR升功率速度，另一方面反應(yīng)堆保護(hù)停堆后，給水流量不能跟隨減小，維持原功率臺階下對應(yīng)給水流量。這樣增加操縱員停堆后工作量同時加劇CEFR主熱傳輸系統(tǒng)沖擊，這種沖擊通過汽機(jī)甩負(fù)荷后三回路壓力，流量和溫度變化曲線已經(jīng)可以看到。建議在CEFR后續(xù)運行中積累基礎(chǔ)運行數(shù)據(jù)，完善主給水調(diào)節(jié)、凝結(jié)水調(diào)節(jié)和除氧器液位調(diào)節(jié)等系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)功能，建立一套CEFR三回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

7 CEFR滿功率甩負(fù)荷相關(guān)保障

通過兩次汽輪機(jī)甩負(fù)荷試驗的成功，表明了中國實驗快堆高功率情況下主傳熱系統(tǒng)的可靠穩(wěn)定，為后續(xù)滿功率運行下開展甩負(fù)荷試驗奠定基礎(chǔ)，以下幾點成熟經(jīng)驗值得借鑒。首先，試驗前詳細(xì)準(zhǔn)備是試驗成功的基礎(chǔ)，試驗準(zhǔn)備包括人員準(zhǔn)備、設(shè)備準(zhǔn)備、資料準(zhǔn)備等，這些工作都在前文中提到現(xiàn)不做詳述。其次，試驗人員嚴(yán)格按照試驗規(guī)程操作是試驗成功的保證，在甩負(fù)荷試驗中，試驗人員即當(dāng)值操縱員依據(jù)試驗規(guī)程遵照試驗操作流程進(jìn)行，另外，考慮到試驗中突發(fā)情況，操作臺還配有異常風(fēng)險操作單。最后，良好的經(jīng)驗反饋是試驗成功的助推器，操縱員通過經(jīng)驗反饋的歸納和學(xué)習(xí)，加深認(rèn)知，指導(dǎo)堆上各項操作實踐，建立適合CEFR運行的文化體系。

參考文獻(xiàn)

[1] 鄭體寬.熱力發(fā)電廠[M].中國電力出版社，2000.

[2] （英）AM 賈德，著.快堆工程引論[M].閻鳳文，譯.原子能出版社，1992.

[3] 徐銤.快堆熱工流體力學(xué)[M].中國原子能出版社，2011.