陳柯 王殳 黃奇 陳靜

（中國核動力研究設(shè)計院核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)重點試驗室，四川 成都 610041）

0 引言

福建福清5、6號核電機(jī)組采用我國完全自主知識產(chǎn)權(quán)的三代核反應(yīng)堆，屬于三環(huán)路百萬千瓦級核電站。汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)（排冷凝器部分）作為福清5、6核電廠中的重要系統(tǒng)，其作用是當(dāng)發(fā)生汽輪機(jī)負(fù)荷速降時（例如甩負(fù)荷、汽輪機(jī)脫扣），反應(yīng)堆的功率不能像汽輪機(jī)負(fù)荷的變化那樣快，會瞬時出現(xiàn)堆功率與汽輪機(jī)負(fù)荷的不匹配，此時需要將汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)投用，將多余蒸汽排放到凝汽器中為反應(yīng)堆提供一個“人為”負(fù)荷，消耗反應(yīng)堆產(chǎn)生的多余蒸汽。

1 福清5、6號機(jī)組汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)（凝汽器部分）功能描述

福清5、6號核電項目中，汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)（凝汽器部分）簡稱為TSC，其主要功能如下：

1）在電廠發(fā)生超過10%的階躍降負(fù)荷瞬態(tài)或5%FP/Min的線性降負(fù)荷瞬態(tài)或者直接甩負(fù)荷到廠用電（最高允許甩掉100%的外部電網(wǎng)負(fù)荷）的情況下，通過將反應(yīng)堆產(chǎn)生多余蒸汽排放至凝汽器從而避免出現(xiàn)反應(yīng)堆緊急停堆或者蒸汽大氣釋放閥及主蒸汽安全閥的開啟，從而重新建立起電廠一、二回路的熱平衡。

2）在出現(xiàn)某些工況下出現(xiàn)汽輪機(jī)跳機(jī)，反應(yīng)堆不至于停堆。

3）在電廠熱停堆工況下，通過TSC的投用，使得反應(yīng)堆一回路溫度冷卻到可以投用余熱排出系統(tǒng)的水平，從而繼續(xù)導(dǎo)出反應(yīng)堆余熱。

2 TSC系統(tǒng)儀控設(shè)計

2.1 系統(tǒng)配置

TSC系統(tǒng)設(shè)置12個蒸汽旁路控制閥，每個旁路閥搭配了一個手動的隔離閥。旁路閥中的六個安裝在凝汽器A的旁路管線上，其余六個安裝在凝汽器B的旁路管線上。需要說明的是，由于凝氣器容量的提升，接受蒸汽的能力也在擴(kuò)大，傳統(tǒng)核電堆型設(shè)置的旁路蒸汽到除氧器的功能在本項目中已經(jīng)取消。旁路閥門布置見圖1。

圖1 旁路閥門布置

蒸汽旁路閥分為三組，總的排放能力為額定工況下85%主蒸汽流量。每組排放量和閥門數(shù)量見表1：

表1 閥門分組情況

2.2 TSC系統(tǒng)的運(yùn)行模式

根據(jù)運(yùn)行工況的不同，TSC系統(tǒng)設(shè)置兩種運(yùn)行模式：

1）平均溫度控制模式：也稱作Tavg模式，用一回路平均溫度實測值（Tavg）與工況點對應(yīng)的參考溫度（Tref）的偏差作為信號，控制TSC各組閥門開/閉，該模式適用于電廠高負(fù)荷（機(jī)組功率大于20%）且反應(yīng)堆處于自動控制的狀態(tài)。平均溫度控制模式下設(shè)兩個蒸汽排放控制回路。

A）甩負(fù)荷蒸汽排放控制回路：此控制回路是為了防止突然大的負(fù)荷下降引起的反應(yīng)堆冷卻劑溫度上升太大。偏差信號是反應(yīng)堆冷卻劑平均溫度Tavg經(jīng)過超前滯后環(huán)節(jié)補(bǔ)償后 （補(bǔ)償電廠熱響應(yīng)和閥位運(yùn)動的滯后）與汽輪機(jī)沖動級壓力推導(dǎo)出來的參考溫度Tref的差值。隨著蒸汽的逐漸釋放，偏差信號（Tavg-Tref）下降到控制棒能夠作用的范圍內(nèi)，控制棒起到調(diào)節(jié)一、二回路負(fù)荷差的作用，蒸汽排放進(jìn)而停止。

B）反應(yīng)堆緊急停堆蒸汽排放控制回路：反應(yīng)堆緊急停堆引起汽機(jī)跳閘，甩負(fù)荷蒸汽排放控制器此時不起作用，而反應(yīng)堆緊急停堆蒸汽排放控制器投入工作。由于已經(jīng)處于停堆狀態(tài)，反應(yīng)堆控制棒全部下插至堆底，所有功率調(diào)節(jié)棒組不可用，偏差信號需要選取經(jīng)過超前/滯后補(bǔ)償?shù)睦鋮s劑平均溫度Tavg與零負(fù)荷參考溫度Tref之間的差值。為防止反應(yīng)堆過冷，設(shè)置有聯(lián)鎖信號以保證停堆控制回路最多只能控制第一、二組旁路閥，第三組旁路閥一直保持關(guān)閉狀態(tài)。

TSC平均溫度控制模式邏輯簡圖見圖2。

圖2 平均溫度控制模式邏輯簡圖

2）壓力控制模式：也稱作P模式，用蒸汽母管壓力測量值與其整定值之差作為信號，通過PI控制器控制TSC第一、二組旁路閥開啟。該模式用于低負(fù)荷（機(jī)組功率小于20%）且反應(yīng)堆功率處于手動控制模式。第三組旁路閥在P模式時同樣處于強(qiáng)制閉鎖狀態(tài)，因為低功率水平下，不需要全部旁路閥投用。

低負(fù)荷時，壓力控制是更為可取的模式。首先在低負(fù)荷時，反應(yīng)堆冷卻劑溫度對蒸汽流量的響應(yīng)很慢，而蒸汽壓力對蒸汽流量的響應(yīng)很快。其次在低負(fù)荷時，蒸汽壓力與大氣釋放閥開啟定值之間的裕量很小，用壓力控制模式可以保證大氣釋放閥不至于非正常開啟。

TSC壓力控制模式邏輯簡圖見圖3。

圖3 壓力控制模式邏輯簡圖

2.3 控制閥工作模式

蒸汽旁路控制閥的開啟方式有兩種：調(diào)制開啟和快速開啟。調(diào)制開啟是指閥門按照調(diào)制信號的大小成正比例開啟，其中第1組3個閥是一個接一個依次調(diào)制開啟；第二組3個閥和第三組的6個閥都是同時調(diào)制開啟的。閥門調(diào)節(jié)曲線見圖4。

12個閥門都具備快速開啟功能，蒸汽旁路排放控制系統(tǒng)按組為單位設(shè)置了若干快速開啟定值，一旦溫差信號大于快速開啟定值，即產(chǎn)生快開信號，閥門快速開啟，這是為了適應(yīng)在瞬態(tài)工況下蒸汽排放的需求而設(shè)置的?？焖匍_啟模式只存在于溫度控制模式，而壓力控制模式下，由于電廠處于低負(fù)荷運(yùn)行模式，發(fā)生甩負(fù)荷程度的程度比較低，所以壓力模式?jīng)]有設(shè)計旁路閥快開功能。

圖4 各組旁路閥調(diào)節(jié)開啟曲線

2.4 旁路控制閥聯(lián)鎖信號

為了避免因為控制器失效使得汽輪機(jī)旁路閥誤開啟，旁路系統(tǒng)設(shè)置有允許和閉鎖信號作為聯(lián)鎖。

1）允許信號：為了防止在小的負(fù)荷擾動使蒸汽旁路閥動作，設(shè)置兩個閾值比較器用于產(chǎn)生排放允許信號。該功能可以檢測出汽機(jī)負(fù)荷下降速率。當(dāng)甩負(fù)荷的速率超過定值時，即超過15%FP/min的速率下降時觸發(fā)“允許A”信號，超過50%FP/min的甩負(fù)荷速率時觸發(fā)“允許B”信號，兩個信號分別解鎖不同組別的蒸汽旁路閥，使其處于待排放狀態(tài)。此外還有部分特殊工況也能產(chǎn)生排放允許信號。相關(guān)信息見圖5。

圖5 旁路控制閥允許信號

2）閉鎖信號：設(shè)置了若干邏輯信號用于快關(guān)旁路閥。當(dāng)出現(xiàn)以下事件時，應(yīng)在2秒內(nèi)快速閉鎖不同組別的旁路閥，以防止蒸汽釋放過多造成一回路平均溫度過冷，影響反應(yīng)堆負(fù)反應(yīng)性。除了設(shè)計自動閉鎖信號，旁路閥還設(shè)置有手動閉鎖功能，提供給操作員一種緊急情況下快速關(guān)閉閥門的手段。相關(guān)信息見圖6。

圖6 旁路控制閥閉鎖信號

2.5 控制閥結(jié)構(gòu)

TSC旁路控制閥為氣動閥，其控制回路由3個電磁線圈構(gòu)成，分別是兩個不同安全列的聯(lián)鎖電磁閥，用于接受從控制系統(tǒng)發(fā)出的閥門快關(guān)聯(lián)鎖信號；一個快速開啟控制電磁閥，用于接受控制系統(tǒng)發(fā)出的旁路閥快開信號，三個電磁閥通過控制氣動閥的氣路開閉，從而實現(xiàn)旁路閥的快關(guān)和快開邏輯。另外旁路閥設(shè)置了一個氣動定位器，用于接受由電氣轉(zhuǎn)換器發(fā)出的調(diào)制開閉信號。

圖7

3 福清5、6號TSC系統(tǒng)儀控實現(xiàn)計劃

福建福清5、6號機(jī)組是全數(shù)字化商用核電站，全廠儀控系統(tǒng)選用AREVA 和 Siemens的 TXS（1E）+SPPA-T2000（NC,NC+）的 DCS 平臺。TSC系統(tǒng)由于不執(zhí)行保護(hù)和專設(shè)功能，定義為NC級，在非安全級的SPPA-T2000平臺實現(xiàn)。其主要實現(xiàn)流程是首先由設(shè)計院進(jìn)行功能分析，邏輯設(shè)計，I/O清單編制，理論定值設(shè)置，控制閥規(guī)格書編制然后由DCS供貨商根據(jù)設(shè)計院的提資分配控制機(jī)柜，分配I/O卡件和端子，進(jìn)行邏輯組態(tài)，二層人機(jī)接口組態(tài)，閥門供貨商根據(jù)規(guī)格書生產(chǎn)設(shè)備。設(shè)計院再根據(jù)DCS供貨商和閥門供貨商的卡件端子清單設(shè)計接線圖，最終所有設(shè)備到現(xiàn)場后，由現(xiàn)場人員進(jìn)行安裝調(diào)試，參數(shù)優(yōu)化，最終移交運(yùn)行人員。

4 結(jié)束語

福島事故以來，我國制定了更嚴(yán)格的核安全法規(guī)，也對核電站設(shè)計提出更高的要求。作為新開工的福清5、6號機(jī)組主要系統(tǒng)，TSC不管是概念設(shè)計，功能劃分還是邏輯聯(lián)鎖設(shè)置、參數(shù)選取都遵循了安全與經(jīng)濟(jì)性兼顧的原則并滿足三代核電廠的安全指標(biāo)和國家相關(guān)法規(guī)。目前該系統(tǒng)已經(jīng)完成初步設(shè)計并進(jìn)入施工設(shè)計階段，隨著工程建設(shè)逐漸進(jìn)入高潮，TSC的相關(guān)設(shè)計必將有條不紊，繼續(xù)深化，并最終助力福清5、6號機(jī)組早日建成投產(chǎn)。