基于堆機協調下汽輪機停機順控的實現

吳東鑫

（江蘇核電有限公司，江蘇 連云港 222042）

0 引言

田灣核電一期工程的汽輪發電機組采用俄羅斯供貨的K-1000-60-3000 型機組，汽輪機整套控制系統均由俄方設計院聯合德國西門子公司共同設計，調節系統為電液并存調節方式，而田灣核電二期工程采用由哈爾濱電氣股份有限公司設計和制造的HN1176-6.0 型半轉速汽輪發電機組，其對應的原型機為AP1000 配套使用的TC6F-54 型汽輪機發電機組，該機組是一臺單軸、四缸六排汽帶中間汽水分離再熱器的反動式凝氣式汽輪機[1]，其汽輪機控制系統由哈爾濱汽輪機廠聯合德國西門子公司負責設計供貨，西門子數字蒸汽汽機控制器（STC）控制汽輪機調閥，從而達到控制蒸汽流量的目的[2]。國產汽輪發電機組與WWER-1000/428 型反應堆匹配使用在國內外均屬首次，且該型汽輪發電機為國內外首臺商業運行機組，俄方設計院和哈爾濱汽輪機廠的兩種設計路線在汽輪機的設計、運行以及控制理念上有著較大的不同，主要體現在堆機協調配合、自動化程度要求等方面，另外汽輪發電機組解列的功率平臺的規定也有所不同，上述差異對田灣二期工程堆機協調下汽輪機停機過程的控制帶來了較大的影響。為此本文對VVER-1000 型反應堆以及TC6F-54 型汽輪機在停機過程的協調問題進行詳細深入的分析，針對性地提出解決方案，為后續核電機組基于堆機協調下汽輪機自動停機的順利設計提供了重要的參考。

1 VVER-1000型反應堆以及TC6F-54型汽輪機的堆機協調方式

VVER-1000 型反應堆以及TC6F-54 型汽輪機的堆機協調方式分為N 模式和T 模式兩種。

1.1 N模式

N 模式為機跟堆模式，反應堆自動功率控制系統（APC）控制堆功率，汽輪機控制系統（DEH）控制主蒸汽集管壓力，并維持主蒸汽集管壓力為6.02MPa，正常運行期間旁排閥處于關閉狀態。

1.2 T模式

T 模式為堆跟機模式，反應堆自動功率控制系統（APC）控制主蒸汽集管壓力，并維持主蒸汽集管壓力為6.02MPa，汽輪機控制系統（DEH）控制電功率，正常運行期間旁排閥處于關閉狀態。

1.3 機組啟動以及瞬態工況下協調方式

在機組啟動期間，反應堆自動功率控制系統（APC）控制堆功率穩定，旁排閥處于打開狀態維持主蒸汽集管壓力，汽輪機控制系統（DEH）處于轉速模式，負責控制汽輪機轉速，并按照設計速率沖轉至額定轉速1500RPM，在同期并網之后汽輪機控制系統（DEH）切換至負荷模式，提升機組負荷直至旁排閥關閉，在旁排閥全部關閉后汽輪機控制系統（DEH）切換至壓力模式，跟隨反應堆同步提升電功率，直至機組滿功率運行。

機組正常運行期間如果出現甩負荷工況，旁排閥在主蒸汽集管壓力緊急上升時自動打開，并維持主蒸汽集管壓力為6.27MPa，汽輪機控制系統（DEH）則自動切換至負荷控制模式，在甩負荷工況結束之后，維持切換當前電功率穩定。

2 VVER-1000型反應堆及TC6F-54型汽輪機在停機過程中的控制要求分析

2.1 VVER-1000型反應堆在停機過程中的要求

在田灣核電一期工程中，正常停機時，APC（反應堆自動功率控制系統）處于N 模式下控制堆功率，汽輪機控制系統工作在壓力控制工況，控制主蒸汽集管壓力。隨著反應堆工作在維持功率工況，降低機組負荷，當汽輪機發電機功率降低至300 MW 時即可準備打閘停機，之后由操縱員使用后備盤事故停機按鈕，切除汽輪機[3]。同時汽輪機旁排閥通過快甩負荷信號降低旁排閥開啟定值，使旁排閥自動開啟并維持主蒸汽集管壓力在6.27MPa。

根據田灣核電一期工程的運行經驗，反應堆功率下降到比較低的水平并不利于反應堆功率的穩定控制。同時田灣一期汽輪機停運過程中，為了在打閘停機時形成快速甩負荷信號，規定宜在電功率大于212MW 時，打閘停機[4]。

在田灣核電二期工程的設計階段，俄方設計院要求3、4 號機組汽輪機正常停機時反應堆的功率平臺應該維持在20%Nnom ～40%Nnom。

2.2 TC6F-54型汽輪機在停機過程中的要求

汽輪機的停機過程是一個降溫過程和冷卻過程，隨著機組溫度的下降，各部件受到不均勻的冷卻，也將產生熱變形和熱應力[5]，在汽輪機正常停機過程中需要嚴格遵守主汽輪機運行規程的相關規定。根據哈爾濱汽輪機廠提供的運行規程中規定，TC6F-54 型汽輪機應在5%的額定電功率平臺進行解列并打閘停機[6]，以減小對缸體的損傷，延長汽輪機的壽命。同時，在汽輪發電機運行導則中也規定：“將發電機有功負荷及無功負荷降至最低，然后再執行停機操作”[7]。

3 汽輪機自動停機順控設計過程中的問題以及分析

3.1 初步設計中汽輪機停機順控邏輯中存在的問題

由于該型國產汽輪發電機組與WWER-1000/428 型反應堆匹配使用在國內外均屬首次，無任何成熟經驗可以參考，所以原設計中廠家提供的汽輪機停機順控邏輯并不能滿足核島自動功率控制器（APC）對汽輪發電機停運的限制要求，以及汽輪機在降負荷停機過程當中的需要。

在原設計中，具體的停機步序如下：

A、停機順控允許條件：

汽輪機的電功率大于282MW。

B、在停機允許條件滿足的情況下，操縱員手動投入停機順控，停機順控步序如下：

S1：設定負荷的目標值為282MW，設置負荷的變化率為55MW/min。

當電功率達到目標值282MW 時，執行下一步：

S2：將HOLD 按鈕激活。

將S1 步中設定的目標值以及變化率鎖定。降負荷的限制條件滿足時，執行下一步：

S3：將HOLD 按鈕激活。

將S1 步中設定的目標值以及變化率鎖定。降負荷的限制條件滿足時，執行S2 步。此時如果汽輪機電功率大于20% Pnom，則繼續循環執行步序，如果汽輪機電功率小于20% Pnom，則執行下一步：

S4：順控結束。

根據對上述汽輪機停機順控的分析，其中存在的主要問題有：

1）在降負荷期間，自動功率控制器（APC）處于N 模式，即機跟堆模式，由反應堆控制堆功率，汽輪機控制主蒸汽集管壓力。同時根據俄方的設計要求，反應堆的堆功率需要保持不低于20%的功率，根本無法跟隨汽輪機降低至5% Pnom 的電功率平臺。

2）在自動功率控制器（APC）處于N 模式下，如果反應堆功率降至20%Nnom 維持不變，汽輪機控制系統處于壓力控制工況，也無法將電功率降低至5%Pnom。

3）堆機協調下的停機過程中，反應堆的堆功率需要保持不低于20%Nnom，汽輪機的電功率又需要維持在5%Pnom 才能解列，這樣就需要引入旁排閥將多余蒸汽排至凝汽器，以維持主蒸汽集管壓力穩定。當汽輪機在電功率為5% Pnom 時解列停機，由于負荷量小，無法形成甩負荷信號，旁排閥門無法根據甩負荷信號立即打開，必須等待主蒸汽集管壓力從6.02MPa 上升到6.67MPa 時打開并維持主蒸汽集管壓力為6.27MPa。此時在APC-N 模式下，如果主蒸汽集管壓力大于APC-T 模式壓力額定值0.2MPa 時，自動功率控制器（APC）會強制選擇并投入T 模式[8]，開始下插控制棒，如此將會導致反應堆功率持續降低，引入負反應性。

綜上所述，旁排閥在停機過程中何時打開維持主蒸汽集管壓力以及APC 的模式也成為必須綜合分析考慮的問題。機組準備停運時，發電機負荷減少、解列或只帶廠用電負荷，而有了旁路系統的配合，可使核島逐漸降低負荷，直至核島停堆[9]。當主蒸汽集管壓力升高時，如果旁排閥未及時準確打開降低主蒸汽集管壓力，則可能觸發反應堆PP1 預保護動作，導致反應堆功率持續降低。若旁排閥提前打開，又會導致主蒸汽集管壓力下降，一回路冷卻劑溫度降低，將對反應堆引入正反應性，同樣不利于機組穩定，對機組安全穩定運行造成風險。

綜上所述，以及結合1.1 以及1.2 章節中的相關要求分析，目前的停機順控邏輯并不能滿足核島以及汽輪機在停機過程中的要求，也不滿足機組在正常運行時的實際應用。而對該停機順控進行修改，需要對停機過程中的上述問題進行詳細深入的分析以及提出相應的解決辦法，為堆機協調下汽輪機停機順控的實現提供相關依據。

3.2 問題的分析以及解決措施

1）在核電廠中，反應堆的安全處于最重要的地位，其余系統或設備均須適應和配合反應堆的狀態進行實際運行，所以在停機過程當中，自動功率控制器（APC）應處于N模式下，汽輪機控制系統（DEH）維持主蒸汽集管壓力，同時跟隨反應堆功率下降，同步降低電負荷。所以當反應堆功率從100%Nnom 降至20%Nnom 后，反應堆功率應該維持不變。

圖1 汽輪發電機組自動停機順控步序圖Fig.1 Step diagram of turbine automatic shutdown

2）在APC-N 模式下，在反應堆功率降至20%Nnom維持不變后，汽輪機無法繼續跟隨反應堆降低負荷，汽輪機負荷的繼續降低可以通過強制觸發DEH 的甩負荷通道，通過甩負荷通道既可以將DEH 的控制模式從壓力模式切換至負荷模式，同時又可以設定相應的負荷目標值以及負荷變化率，將電功率降低至5%Pnom。

3）在反應堆功率維持不變，汽輪機降負荷的過程中，主蒸汽集管的壓力將會升高，由此將帶來APC 模式的切換，不利于機組穩定控制。通過對APC 系統的工作特性以及旁排閥的工作模式的分析，制定了優化思路：在汽輪機停機順控執行之前，將自動功率控制器（APC）切除自動，或者將APC-T 模式主蒸汽集管壓力定值修改為6.27MPa。這樣，在停機過程中，就不會導致APC 模式發生改變。

圖2 汽輪發電機組自動停機參數曲線圖Fig.2 Curve of turbine automatic shutdown

4）在反應堆處于低功率運行時，當主蒸汽集管壓力在6.0MPa 時打開旁排閥，可能會導致一回路冷卻劑溫度低于280℃，將對反應堆引入正反應性，不利于機組穩定。所以在停機前，將旁排閥的打開定值從6.67MPa 修改為6.27MPa，旁排打開后維持主蒸汽集管母管壓力為6.27MPa。

4 汽輪機停機順控的實現方案

4.1 汽輪機停機順控的說明

依據第2 章中對目前存在的問題分析以及制定的相關解決措施，最終整理形成整個停機順控的執行方案。具體如下：

在停機過程中，APC（自動功率控制系統）處于N 模式下，APC 控制反應堆功率，汽輪機控制器處于壓力模式，控制主蒸汽集管壓力。當反應堆在APC-N 模式下降低核功率至20%Nnom 后，反應堆功率維持不變，APC 退出自動或者操縱員手動將APC-T 模式的壓力設定值修改為6.27MPa，之后通過停機順控將旁排閥打開定值從6.67MPa修改到6.27MPa，并維持主蒸汽集管壓力6.27MPa。同時，將DEH 切換至功率模式（使用甩負荷通道runback 信號），以50MW/min 的速率自動降低電功率到56MW（5%Pnom），然后與電網解列。之后經操縱員確認后，自動執行“關閉所有汽門”，并將旁排閥的打開定值恢復為6.67MPa，最后執行汽輪機打閘停機。

4.2 汽輪機停機順控的步序

結合3.1 章節中對順控的描述，設計出具體的順控步序說明如圖1。

4.3 汽輪機停機順控的應用與效果

上述章節中汽輪機停機順控的設計方案已在田灣二期工程中實際應用，并在田灣二期工程調試期間對汽輪機自動停機順序控制進行了實際驗證，整個停機過程各個執行機構動作準確、機組狀態平穩，一次成功，同時滿足中俄各方對汽輪機自動停機過程的所有的限制要求，圖2 為汽輪發電機組自動停機各項參數曲線。

5 總結

本文以田灣核電站3、4 號機組汽輪機停機順控的實際問題為基礎，針對VVER-1000 型反應堆以及TC6F-54 型汽輪機在停機過程中的控制要求進行了詳細的分析，在充分考慮核島自動功率控制系統（APC）和汽輪機控制系統（DEH）的控制特點以及旁排閥運行模式的基礎上，對汽輪機的停機順控給出了詳盡的解決方案。本文中闡述的停機方式已在田灣二期工程中實現并應用，在調試和生產階段進行了多次實際驗證，整個汽輪機停機過程中堆機協調穩定，各個執行機構動作準確、機組狀態平穩，能夠滿足核電機組實際運行需求，為其他核電廠提高自動化水平以及解決此類問題提供了重要參考。

表1 汽輪發電機組自動停機參數Table 1 Parameter of turbine automatic shutdown