崔楊杰

（海南核電有限公司，海南 昌江 572700）

核電廠水壓試驗泵汽輪機組運行研究

崔楊杰

（海南核電有限公司，海南 昌江 572700）

福島核事故以后，核電廠應對全廠斷電事故的能力得到了業(yè)界的廣泛關注，而水壓試驗泵汽輪機組在全廠失電的情況下，能夠維持一回路壓力邊界完整以及向機組運行所需儀表供電，對于電廠安全具有重要意義。文章研究典型的600 MW壓水堆核電廠水壓試驗泵汽輪機組系統(tǒng)（系統(tǒng)代碼：LLS）原理結構、重要功能、正常運行的工藝流程等方面。同時，還介紹了小汽機的運行工況和試驗情況。最后，從電廠實際運行的角度出發(fā)，對小汽機在核電廠實際運行中的一些問題進行分析，并依據(jù)分析結果探討了解決方案。

應急電源；超速保護；緊急停機；H3工況；限流器；核安全

日本福島核事故發(fā)生后，核安全引起國內(nèi)外核工業(yè)界的高度關注。人們的目光再次轉移到全廠斷電對核電廠的危害上來。而LLS在全廠失電的情況下，能夠維持一回路壓力邊界完整以及向機組運行所需儀表供電，對核電廠的安全性具有重要意義[4]。文章主要描述了600 MW核電汽輪機組LLS的功能、原理結構以及在調試、商運及常規(guī)電廠運行中曾出現(xiàn)過的問題，結合實際工作實踐，探討如何進一步提高LLS系統(tǒng)運行可用性，以滿足核電廠的需求，進而提高核電廠的安全性。

1 系統(tǒng)簡介

LLS的供汽母管由蒸汽發(fā)生器的主蒸汽（壓力：7.6 MPa）供汽，在各個對應機組的汽動輔助給水泵的供汽管道上分接引出。如果在一個機組的兩列配電盤LHA和LHB同時不能供電的情況下（H3工況），則需要LLS能給水壓試驗泵（9RIS011PO）提供380 V應急電源。通過水壓試驗泵的運行能確保給一次側冷卻劑（主泵）1號機械密封的注入水流量，從而保證了反應堆冷卻劑系統(tǒng)的完整性，同時還給機組運行所需的重要核儀表供電。

秦山二期1、2號機組的LLS汽輪發(fā)電機組采用了從法瑪通進口的4P1型號,汽輪機為雙列級沖動式，額定轉速為3 000 r/min，機械超速保護裝置整定在3 600 r/min。汽輪機轉速可以在就地共振轉速測量計LLS001LC上顯示。汽輪機的轉速由液壓調速器控制，調速器配有限制調節(jié)閥（LLS003VV）開度調度裝置，主要用于汽輪機在啟動過程中近氣壓力較高時，維持汽輪機轉速在低于超速限制范圍內(nèi)。轉速調節(jié)范圍是可以手動調節(jié)的。此外，小汽機還配有一通—斷型截止閥（LLS002VV），在小汽機超速時，可使汽輪機脫扣，截止閥002VV還裝有一手動復位裝置，供跳閘后復位使用，如圖1所示。

由于LLS小汽機在機組正常運行時不使用，僅在發(fā)生嚴重斷電事故時使用，為了保證并測試該系統(tǒng)的可用性，必須定期進行性能實驗。LLS的定期試驗共有3個：

1）PTLLS001：核對空載條件下，LLS運行時所關聯(lián)設備動作的正確性。

2）PTLLS002：汽輪發(fā)電機和水壓試驗泵無密封注水帶負荷啟動和運行試驗。

3）PTLLS003：汽輪發(fā)電機和水壓試驗泵綜合試驗。

同時考慮到由于LLS汽輪機在非能動核電機組中，在全廠斷電事故中的突出作用，因此核安全監(jiān)管部門對LLS的可運行性提出了很高的要求：即如果正常運行時LLS不可用，則必須將核電機組運行狀態(tài)降級到對電源依賴程度最低的狀態(tài)，以確保電廠的安全[2]。

圖1 小汽機流程簡圖Fig.1 Schematic of small turbine flow

2 典型電廠LLS系統(tǒng)調試、運行中出現(xiàn)的問題

2.1 調試期間的事件

調試期間，在7.6 M P a壓力的時候，進行TPLLS053調試規(guī)程中的手動啟動小汽機的試驗。在汽輪機截止閥（LLS002VV）閥門的開度慢慢變大的時候，調速器無法迅速的實現(xiàn)調節(jié)，總是導致機組超速。仔細分析原因得出結論：調試過程中，自啟動時機組狀態(tài)為汽機截止閥（LLS002VV）全關，汽輪機調節(jié)閥（LLS003VV）全開。當慢慢打開截止閥（LLS002VV）時，進汽量增大，汽輪機轉速上升，則汽機調節(jié)閥（LLS003VV）開度減小。同時發(fā)電機的電流及電壓輸出時，發(fā)電機與水壓試驗泵之間的電流接觸器（LLS021JA）接通，此時發(fā)電機帶上負載，有反向力矩作用。汽輪機轉速下降，調節(jié)閥（LLS003VV）開度變大，此時截止閥（LLS002VV）閥門開度較小且正在打開。為了提高汽輪機的轉速，則致使調節(jié)閥（LLS003VV）開度很大，進汽量很大，接著當截止閥（LLS002VV）開度已經(jīng)變大且已到正常的進汽閥位,由于此時調節(jié)閥（LLS003VV）開度太大，在調速器來不及調節(jié)003VV的開度到正常的位置時，機組已經(jīng)超速。

針對以上情況確定了更改方法為：1、2號機組調節(jié)閥（LLS003VV）的開度不能太大，否則調速器調節(jié)能力有限，引起超速。以上原因搞清楚后，在手動啟機過程中，快速打開截止閥（LLS002VV）閥門，當機組轉速上升時，調節(jié)閥（LLS003VV）開度減小，同時機組帶上負荷，轉速下降，調節(jié)閥（LLS003VV）開度增大，此時截止閥（LLS002VV）閥已經(jīng)全部打開，調節(jié)閥（LLS003VV）只需增加一點開度，即可提供足夠的供汽量，當供汽量較大時，調節(jié)閥（LLS003VV）開度減小，在調速器的作用下，調節(jié)閥（LLS003VV）投入自動運行狀態(tài)。

2.2 運行期間的重要事件

2 0 0 8年1 2月1日2 3：0 0，按計劃執(zhí)行PT1LLS003（小汽機和水壓試驗泵綜合試驗）試驗，12月2日00：05，當執(zhí)行到小汽機超速試驗時，機械超速保護未動作，運行人員緊急手動停機，隨后的檢查發(fā)現(xiàn)小汽機的發(fā)電機出現(xiàn)故障。將小汽機發(fā)電機組置于停機狀態(tài)，根據(jù)技術規(guī)范要求記第二組I0。并通知維修人員對小汽機進行檢修。2008年12月2日開始，維修處對LLS小汽機的電機1LLS001AP進行了返廠檢修，并安排對小汽機、水壓試驗泵和相關的電氣回路進行檢查。2008年12月14日17：00完成功能再鑒定，結果合格。

后來針對此次事件，專門編寫了一本新規(guī)程PTLLS004《LLS小汽機單體超速試驗》。改進后的超速試驗通過限制隔離閥（LLS001VV）開度（15%），手動緩慢開啟截止閥（LLS002VV）閥門及用特殊方式（如千斤頂）緩慢開啟調節(jié)閥（LLS003VV）3個閥開度，大大減少了執(zhí)行小汽機超速試驗時的風險。

3 LLS小汽機跳閘原因

根據(jù)收集到的近年來資料，其他常規(guī)電廠中，LLS系統(tǒng)汽輪機也發(fā)生過大量不可用事件，后來根據(jù)統(tǒng)計調查發(fā)現(xiàn)，大部分的不可用事件都是由啟動超速跳閘或啟動后不久的負荷切換導致的真實超速跳閘所導致。要從根本上避免超速跳閘，必須了解影響汽輪機啟動升速和負荷切換階段超速跳閘的各個因素，根據(jù)核電廠蒸汽參數(shù)制定出標準的啟動升速曲線，并根據(jù)該標準曲線優(yōu)化LLS檢修參數(shù)，如圖2所示。

由該標準升速曲線可以看出，LLS汽輪機在啟動升速過程中，1 000 r/min和2 000 r/min是兩個關鍵速度點。當LLS汽輪機轉速達到約1 000 r/ min時，汽輪機調速器油壓建立，LLS汽輪機的調速桿已開始輸出增加汽輪機進汽調節(jié)閥調節(jié)閥（LLS003VV）開度的信號，而此時LLS汽輪機尚未帶上任何負載，此時開大調節(jié)閥（LLS003VV）勢必造成汽輪機超速跳閘。為此，汽輪機在調節(jié)閥（LLS003VV）閥芯前端設計有個阻尼器，該阻尼器的功能是在LLS汽輪機啟動階段未帶任何負載之前將調節(jié)閥（LLS003VV）的閥芯壓住限制其開啟，此階段LLS汽輪機的蒸汽供應量被限制在最小蒸汽供應量。

圖2 LLS標準啟動升速曲線Fig.2 The LLS standard startup ramp speed curve

4 提高LLS性能來提高其事故時供電的可靠性

鑒于LLS系統(tǒng)在核電廠發(fā)生嚴重失電事故時的重要作用，因此必須要確保LLS系統(tǒng)運行的可靠性。在通過大量對比常規(guī)火電廠和秦山二期LLS小汽機運行事件對照及各自所采取的處理問題的措施，可以嘗試采用下列方式來提高LLS系統(tǒng)的可用性[3]，如圖3所示。

4.1 加強對LLS系統(tǒng)的運行監(jiān)測

目前秦山二期對LLS系統(tǒng)運行監(jiān)測量非常少,主控KIT中無任何模擬量可看，僅有LLS001VV開閥指令是否發(fā)出、通風機（9LLS001ZV）狀態(tài)及負載開關（9LLS021JA/021JS）等幾個開關、接觸器的狀態(tài)；在LLS現(xiàn)場也就只能看到小汽機轉速（或由技術處人員臨時接入數(shù)顯式轉速表），而業(yè)內(nèi)其他核電站早在幾年前為了更好的監(jiān)測LLS系統(tǒng)的運行情況，就對LLS系統(tǒng)實施了數(shù)據(jù)集中系統(tǒng)的改造。改造后的系統(tǒng)實現(xiàn)了在同臺示波器上同時顯示LLS汽輪機進汽隔離閥（LLSOO1VV）及調節(jié)閥（LLS003VV）閥門開度、LLSOO1TC轉速、LLS發(fā)電機端電壓、LLS電氣控制臺9LLSOO1AR母線電壓、及其母線電流、LLS負載電阻（9LLSOOIRS）電流、水壓實驗泵主油泵（9RIS112MO）電流8個數(shù)據(jù)的功能。也正是通過改造，該電站1號機組在2008年的一次定期試驗中發(fā)現(xiàn)了調節(jié)閥（LLS003VV）的阻尼器性能異常，釋放動作提前1.4 s。后來更換了調節(jié)閥（LLS003VV）的針形限流閥后恢復正常，成功避免了LLS小汽機在啟動過程中的超速跳閘事故。

圖3 核電廠LLS系統(tǒng)流程簡圖Fig.3 Schematic of LLS system flow of nuclear power plant

因此要想確保LLS小汽機可靠啟動、正常運行，必須要嘗試全面且精確監(jiān)測LLS的運行參數(shù)，同時更進一步深入熟悉LLS的運行特性，才能更有效地規(guī)避LLS運行中出現(xiàn)的各種風險。例如運行人員在啟動LLS小汽機后，通過監(jiān)測汽機轉速、升速時間與標準升速曲線的一致性，就可以判斷小汽機是否發(fā)生異常，從而可以提前采取相應措施來避免事故；技術人員也能在日常LLS試驗中全面掌握反映LLS狀態(tài)的數(shù)據(jù)，并不斷積累，從而繪制出適合于秦山二期LLS小汽機特性的標準升速曲線圖，同時通過狀態(tài)監(jiān)測和趨勢分析，也為發(fā)現(xiàn)早期故障提供了幫助；維修人員在發(fā)生LLS故障時，通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，更準確地判斷故障點并及早消除。

4.2 調整調節(jié)閥（LLS003VV）閥門開啟時間

從歷次LLS小汽機超速事件中，不難發(fā)現(xiàn)LLS小汽機超速的主要原因就是調節(jié)閥（LLS003VV）動作的不正確，即提前動作或動作時開度偏大或超調導致汽輪機超速，因此必須要重點分析，深入研究調節(jié)閥（LLS003VV）閥門的結構特點及其動作特性。

通過查找設備廠家提供的調節(jié)閥（LLS003VV）的原始出廠資料，查出該閥為雙座式球形調節(jié)閥，特點是提升力較小，所以調節(jié)系統(tǒng)較小，機組緊湊。

調節(jié)閥（LLS003VV）（汽輪機轉速調節(jié)閥）有3種工作模式：

1）小汽機停運時：調節(jié)閥（LLS003VV）壓空引自隔離閥（LLS001VV）電磁閥后并通過限流器到氣動阻尼器，使活塞向右頂住連桿并作用于調節(jié)閥（LLS003VV）調節(jié)閥控制杠系統(tǒng)上，使調節(jié)閥（LLS003VV）保持在預設開度（4 mm），防止大量蒸汽進入汽機。

2）小汽機有啟動信號時：隔離閥（LLS001VV）失電壓空斷氣，閥門打開，調節(jié)閥（LLS003VV）也失去壓空，但由于調節(jié)閥（LLS003VV）壓空管線上有限流器存在使氣動阻尼器的失氣速度減慢，氣動阻尼器會緩慢向左移動不再作用在調節(jié)閥（LLS003VV）的控制桿上使調節(jié)閥（LLS003VV）緩慢打開防止小汽機超速。

3）小汽機開始正常工作后：液壓調速器作用在調節(jié)閥（LLS003VV）上，保證汽輪機的額定轉速穩(wěn)定在3 000 r/min。

通過仔細研究發(fā)現(xiàn)，實際最容易超速的情況主要就是在上面的第二種模式，即小汽機啟動階段。因為調節(jié)閥（LLS003VV）在接到啟動命令后，阻尼器便開始釋放，調節(jié)閥（LLS003VV）開始緩慢開啟。查看大亞灣核電站的相關資料，發(fā)現(xiàn)調節(jié)閥（LLS003VV）設置的開啟時間要比秦山二期慢至少5 s，它是在負載電阻開關(LLS027JA)閉合后，阻尼器才開始釋放，調節(jié)閥（LLS003VV）才緩慢開啟。在此之前該閥門一直被限制在最小蒸汽供應量上（預設開度：3 mm左右）。

由此，可以嘗試通過調整調節(jié)閥（LLS003VV）的設定開啟時間，來確保LLS小汽機啟動的可靠性。調整時間的措施可以為LLS小汽機的運行帶來兩個好處：

1）調節(jié)閥（LLS003VV）開啟控制較簡單，只要按照標準升速曲線設定好釋放時間（5 s左右即可）。

2）小汽機超速風險較小，因為調節(jié)閥（LLS003VV）開啟時間較晚，是在小汽機工作較穩(wěn)定的階段動作。如果調節(jié)閥（LLS003VV）開啟較早，在有蒸汽流波動時及負荷帶載時，閥門容易超調，開得過大甚至全開，從而使調速器失去了快速、準確的調節(jié)功能，小汽機在這種工況下超速風險很大。

綜上兩種嘗試措施的采取，可以極大優(yōu)化調節(jié)閥（LLS003VV）的運行模式，提高LLS小汽機運行的可靠性，同時大大降低其超速跳閘導致不可用的風險。

5 結束語

目前，國內(nèi)各核電廠對于LLS機械方面的研究雖已經(jīng)有了一定的水準，但相對于國外各成熟核電廠來說，運行時間較短，且掌握的經(jīng)驗和運行數(shù)據(jù)極其有限，在電氣和儀表方面還有很多可能存在的故障模式需要繼續(xù)努力探討。

此外，在日本福島事故后，事故應急電源供給的可靠性問題已引起了國內(nèi)、外核電業(yè)的高度重視[5]。如何提高LLS的供電可靠性，尤其是在發(fā)生不可預計的嚴重事故時，已經(jīng)成為了一個重要研究課題。秦山二期擴建機組LLS目前已經(jīng)不再采用傳統(tǒng)的汽輪發(fā)電機組形式，取而代之的是柴油發(fā)電機組。柴油發(fā)電機組運行方式更簡單，同時不再依賴由一回路余熱產(chǎn)生的蒸汽，因而也就避免了向一回路引入正反應性的核全安問題。但是柴油機運行要帶油罐，油罐本身就具有易燃易爆的風險。

可以展望的是，在不久的將來，在隨著容量小、可靠性高、穩(wěn)定性高的小型太陽能光伏發(fā)電—蓄能設備等可再生能源發(fā)電技術的高速發(fā)展，必將有更多可靠、穩(wěn)定的發(fā)電設備可以作為LLS的選型嘗試。

[1] 唐熠遠. RRC系統(tǒng)手冊[R]. 成都：中國核動力研究設計院，2000：12-13.（TANG Yi-yuan. RRC System Handook[R]. Chengdu：Nuclear Power Institute of China,2000:12-13.）

[2] 鄒樹梁，鄒旸. 日本福島第一核電站核事故對中國核電發(fā)展的影響與啟示[G]. 南華大學核能經(jīng)濟與管理研究中心，中國原子能科學研究院，2011.10：285-286.（ZOU Shou-liang, ZOU Yang. The influence and revelation of Fukushima nuclear accident to China's nuclear power development [G]. Nuclear Energy Economy and Management Center of University of South China, China Institute of Atomic Energy, 2011.10:285-286.）

[3] 張力. 福島核事故對安全科學的啟示[R]. 湖南工學院，2010.5：57-59.（ZHANG Li. Revelation of Fukushima nuclear accident to safety science[R]. Hunan Engineering College, 2010.5:57-59.）

[4] 王乃彥. 核電站安全分析[R]. 中國原子能科學研究院，2002.6：39-43.（WANG Nai-yan. Safety analysis for nuclear power plant[R]. China Institute of Atomic Energy, 2002.6:39-43.）

[5] 劉映尚，張伯明，謝昌渝. 具有大型核電站的電力系統(tǒng)的安全策略和措施[R]. 清華大學電機系，廣東核電合營公司，2003.5：50-51.（LIU Yin-shang, ZHANG Bo-ming, XIE Chang-yu. Safety strategy and measures of large nuclear power plant electric system[R]. Department of Electric Machine, Tsinghua University, Guangdong Nuclear Power Joint Venture Co., Ltd., 2003.5:50-51.）

Study on Hydro-test Pump Turbine Operation of Nuclear Power Plant

CUI Yang-jie
（Hainan Nuclear Power Co., Ltd., Changjiang of Hainan Prov. 572700, China)

Since the Fukushima accident, the capacity of the nuclear power plant in station blackout accident has been widely concerned in the industry. The hydro-test pump turbine can maintain the integrity of a loop pressure boundary and to supply power to instruments needed for nuclear power plant operation in case of station blackout. It is of great signif i cance for the safety of nuclear power plant. This paper studies the principle structure, important function and normal operation of the hydro-test pump turbine (Code: LLS) of a typical 600 MW PWR nuclear power plant. At the same time, operating conditions and tests for small steam turbine are introduced. Finally, from the actual operation point of view, some problems in the actual operation of small turbine in a nuclear power plant are analyzed, and solutions are discussed based on the analytical results.

emergency power supply；overspeed protection；emergency shutdown；H3 condition；limiter; nuclear safety

TM623Article character：A

1674-1617(2013)03-0236-06

TM623

A

1674-1617(2013)03-0236-06

2013-03-15

崔楊杰（1977—），男，四川威遠縣人，工程師，從事核電廠工藝系統(tǒng)調試和運行專業(yè)領域研究。