吳文超，王子奇

（1. 山東核電有限公司，山東　煙臺　265116；2. 山東中實易通集團(tuán)有限公司，山東　濟(jì)南　250061）

AP1000汽輪發(fā)電機(jī)組甩負(fù)荷試驗研究

吳文超1，王子奇2

（1. 山東核電有限公司，山東煙臺265116；2. 山東中實易通集團(tuán)有限公司，山東濟(jì)南250061）

文章對AP1000核電汽輪發(fā)電機(jī)組甩負(fù)荷試驗進(jìn)行了介紹，并與國內(nèi)其他核電機(jī)組及常規(guī)火電機(jī)組的甩負(fù)荷試驗進(jìn)行了對比。討論了相關(guān)的試驗條件、試驗方法、應(yīng)采取的預(yù)防措施、注意事項及國外同類試驗的經(jīng)驗反饋，提出了一些相關(guān)建議。

AP1000核電廠；甩負(fù)荷試驗；負(fù)荷平臺；試驗方法

1　AP1000核電汽輪機(jī)組甩負(fù)荷試驗方法介紹

汽輪發(fā)電機(jī)組是核電廠二回路的核心設(shè)備。首批AP1000核電汽輪發(fā)電機(jī)組采用日本三菱技術(shù)，由哈動-三菱聯(lián)合體供貨。汽輪機(jī)工作轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，為單軸、四缸雙流六排汽的反動凝汽式汽輪機(jī)，由一個高壓缸、三個低壓缸及附屬系統(tǒng)組成，高、低壓缸均為雙分流型式，每側(cè)各10級動、靜葉片，額定工況下高壓缸進(jìn)汽壓力為5.38 MPa，進(jìn)汽溫度為268.6 ℃，再熱蒸汽壓力為0.932 MPa，再熱蒸汽溫度為257 ℃，排汽壓力為4.4 kPa，設(shè)計壽命為60年。兩個兩級再熱的汽水分離再熱器對稱布置在低壓缸兩側(cè)。汽輪發(fā)電機(jī)組的總體布置如圖1所示。

圖1　AP1000汽輪發(fā)電機(jī)組的總體布置Fig.1　The general layout of AP1000 turbine generator

1.1試驗?zāi)繕?biāo)

甩負(fù)荷試驗的目的是為了驗證甩負(fù)荷發(fā)生時調(diào)速器的功能，試驗時汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速因慣性升高，此時調(diào)速器應(yīng)能將轉(zhuǎn)速穩(wěn)定控制，沒有意外的超速發(fā)生，機(jī)械超速保護(hù)不動作。試驗在30%、50%、75%、100%額定負(fù)荷下各做一次，其中100%負(fù)荷平臺下的試驗還包括帶廠用電穩(wěn)定運行試驗。

1.2試驗先決條件

試驗前，一回路與二回路系統(tǒng)穩(wěn)定在要求的負(fù)荷水平運行，試驗用儀器校驗合格并已接入系統(tǒng)，要求檢查下列條件已滿足：電鍋爐至汽輪機(jī)軸封的輔助蒸汽可用；凝汽器水簾噴淋和低壓缸排汽噴淋系統(tǒng)在自動位；MSR加熱控制模式在自動位；給水前置泵NPSH控制可用；相關(guān)保護(hù)裝置試驗如機(jī)械超速試驗、調(diào)節(jié)器上升/下降試驗、油泵自啟試驗已正確完成；手動停機(jī)裝置動作正常；汽輪機(jī)旁排閥處于自動位，凝汽器允許接收旁排蒸汽；LL與AVR投用；30%負(fù)荷平臺試驗前，OPC設(shè)定值從30%調(diào)整至50%，試驗后恢復(fù)；汽輪機(jī)導(dǎo)汽管疏水閥、抽汽管疏水器旁路閥等處于自動位；緊急柴油發(fā)電機(jī)備用自動；啟動給水泵自動位；主蒸汽至除氧器的加熱蒸汽控制閥自動位。

1.3試驗方法

汽輪機(jī)在要求的負(fù)荷平臺（30%、50%、75%、100%）下穩(wěn)定運行時，手動斷開發(fā)電機(jī)出口斷路器，機(jī)組與電網(wǎng)解列，甩去所帶的電負(fù)荷，此時汽輪機(jī)、核島、發(fā)電機(jī)均應(yīng)不跳閘。甩負(fù)荷時注意觀察OPC的動作情況，汽輪機(jī)旁排閥應(yīng)動作正常，所有的抽汽逆止閥關(guān)閉，MS疏水泵和低加疏水泵跳閘（二回路系統(tǒng)穩(wěn)定后重新啟動），主蒸汽管道上的PORV閥不應(yīng)動作，主蒸汽壓力穩(wěn)定，核島所有參數(shù)穩(wěn)定，汽輪機(jī)能夠在空負(fù)荷下穩(wěn)定運行。其中100%功率平臺下斷開主變高壓側(cè)開關(guān)的試驗中，汽輪發(fā)電機(jī)組應(yīng)能夠在最小廠用電負(fù)荷下穩(wěn)定運行。

機(jī)組甩負(fù)荷前后及試驗過程中，記錄各有關(guān)參數(shù)供試驗分析，根據(jù)記錄繪制甩負(fù)荷過程中的轉(zhuǎn)速變化曲線，如圖2所示。

1.4試驗應(yīng)采取的預(yù)防措施和限制條件

在甩負(fù)荷試驗期間，人員應(yīng)撤出汽輪發(fā)電機(jī)運轉(zhuǎn)平臺，以防不測事件發(fā)生。在甩負(fù)荷發(fā)生后，如果自動控制不能穩(wěn)定，必要時應(yīng)切換為手動進(jìn)行調(diào)整，如調(diào)節(jié)系統(tǒng)嚴(yán)重晃動，無法維持空負(fù)荷運行時，立即停機(jī)。做好機(jī)械超速保護(hù)動作的事故預(yù)防。

圖2 汽輪發(fā)電機(jī)組甩負(fù)荷過程中轉(zhuǎn)速飛升曲線Fig.2 Curve of maximum momentary speed in the process of turbine load shedding

2　國內(nèi)其他核電機(jī)組和火電機(jī)組甩負(fù)荷試驗的一般做法

火電機(jī)組在汽輪機(jī)帶負(fù)荷整套試運期間，超速試驗合格后重新并網(wǎng)，條件具備后可進(jìn)行甩負(fù)荷試驗［1］。按DL/T711的要求，甩負(fù)荷試驗應(yīng)分別在50%、100%額定負(fù)荷兩級進(jìn)行。對已取得該型機(jī)組用常規(guī)法甩負(fù)荷實測的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量，或制造廠提供了該型試驗機(jī)組的轉(zhuǎn)子設(shè)計轉(zhuǎn)動慣量，該機(jī)組可選用測功法進(jìn)行汽輪機(jī)甩負(fù)荷試驗。甩負(fù)荷后，應(yīng)確認(rèn)汽輪機(jī)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)工作正常，各調(diào)節(jié)汽閥關(guān)閉，各抽汽閥關(guān)閉，DEH甩負(fù)荷功能實現(xiàn)，OPC動作正常，高低壓旁路自動控制正常，轉(zhuǎn)速先上升（最高轉(zhuǎn)速小于危急保安器動作值）后下降，逐漸趨于穩(wěn)定，否則應(yīng)打閘停機(jī)。

國內(nèi)其他核電機(jī)組甩負(fù)荷試驗一般也在50%、100%兩個功率平臺下進(jìn)行，其中50%功率平臺做一次甩負(fù)荷試驗，100%功率平臺包括兩次甩負(fù)荷試驗。

2.1試驗?zāi)繕?biāo)

汽輪機(jī)組甩負(fù)荷后，最高飛升轉(zhuǎn)速不應(yīng)使機(jī)械超速保護(hù)動作。對于額定轉(zhuǎn)速為3 000 r/min的機(jī)組最高飛升轉(zhuǎn)速不得超過3 300 r/min，調(diào)節(jié)系統(tǒng)動態(tài)過程應(yīng)迅速穩(wěn)定，使機(jī)組能空負(fù)荷穩(wěn)定運行。

2.2試驗條件

主要設(shè)備無重大缺陷，操作機(jī)構(gòu)靈活，主要監(jiān)視儀表準(zhǔn)確；保安系統(tǒng)動作可靠，機(jī)械超速試驗合格，手動停機(jī)裝置動作正常；汽門嚴(yán)密性試驗合格，汽門快速關(guān)閉時間符合要求；抽氣逆止閥聯(lián)鎖動作正常，關(guān)閉嚴(yán)密；輔助油泵和事故油泵聯(lián)鎖動作正常，油系統(tǒng)油質(zhì)合格；輔助蒸汽備用汽源能自動投入；汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)處于熱態(tài)備用狀態(tài)；蒸汽安全閥校驗合格；儀控、電氣保護(hù)接線正常。動作可靠，并能滿足試驗要求；廠用電源可靠；發(fā)電機(jī)主開關(guān)和滅磁開關(guān)跳合良好；試驗用儀器、設(shè)備校驗合格，并已接入系統(tǒng)；試驗組織機(jī)構(gòu)成立，職責(zé)分工明確；已經(jīng)取得電網(wǎng)調(diào)度員的同意。

2.3試驗方法

斷開發(fā)電機(jī)主開關(guān)，機(jī)組與電網(wǎng)解列，甩去全部負(fù)荷，測取機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動態(tài)特性；一般按甩全部負(fù)荷的50%、100%兩次進(jìn)行。根據(jù)機(jī)組的具體情況，必要時在甩負(fù)荷試驗前，對設(shè)備的運行狀態(tài)及運行參數(shù)的控制方法等，可以做適當(dāng)?shù)牟僮骱驼{(diào)整。機(jī)組甩負(fù)荷后應(yīng)使蒸汽發(fā)生器（鍋爐）不超壓，汽輪機(jī)不超速、發(fā)電機(jī)不過壓，維持機(jī)組空負(fù)荷運行，力求盡快并網(wǎng)。當(dāng)甩50%額定負(fù)荷后，轉(zhuǎn)速超調(diào)量大于或者等于5%時，應(yīng)中斷試驗。

機(jī)組甩負(fù)荷后，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在額定轉(zhuǎn)速，進(jìn)行以下檢查：汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)開啟情況；軸封壓力、除氧器壓力、除氧器水位和凝汽器水位；機(jī)組軸向位移、差脹、排汽溫度；抽汽逆止門關(guān)閉情況；開啟汽輪機(jī)本體及抽汽管道疏水；檢查機(jī)組振動情況。

2.4試驗應(yīng)采取的預(yù)防措施

在進(jìn)行甩負(fù)荷過程中，應(yīng)設(shè)專人監(jiān)視轉(zhuǎn)速。其他監(jiān)視參數(shù)可參照運行規(guī)程中的有關(guān)要求，如軸向位移、差脹、振動、排汽溫度等。

若機(jī)組甩負(fù)荷后機(jī)械超速保護(hù)動作，應(yīng)做以下操作和檢查：

1）檢查汽門和抽氣逆止門關(guān)閉是否嚴(yán)密。

2）待機(jī)組轉(zhuǎn)速降低至額定轉(zhuǎn)速以下時掛閘。

3）若機(jī)組轉(zhuǎn)速繼續(xù)下降，應(yīng)及時啟動輔助油泵、頂軸油泵。

4）設(shè)法恢復(fù)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速至額定轉(zhuǎn)速，完成有關(guān)項目檢查。

5）機(jī)組甩負(fù)荷后，調(diào)節(jié)系統(tǒng)嚴(yán)重晃動，無法維持空負(fù)荷運行時，立即停機(jī)。

6）機(jī)組甩負(fù)荷后，轉(zhuǎn)速飛升至超速值，保護(hù)不動作時，立即停機(jī)。

3　不同試驗方法的幾點探討

由前述兩節(jié)內(nèi)容對比分析可知，AP1000核電機(jī)組的甩負(fù)荷試驗與常規(guī)火電的甩負(fù)荷試驗有明顯的不同點，如試驗方法、負(fù)荷平臺的選擇、驗收標(biāo)準(zhǔn)等，下面作對比分析。

3.1試驗平臺

國內(nèi)火電機(jī)組或其他核電機(jī)組的甩負(fù)荷試驗都選擇50%與100%兩個功率平臺來做甩負(fù)荷試驗。甩負(fù)荷這樣重大的試驗并不是越多越好，AP1000核電進(jìn)行4個平臺的甩負(fù)荷試驗是出于何種考慮呢？在日本，MHI供貨的核電機(jī)組全部是做4次甩負(fù)荷試驗，選4個試驗平臺（30%、50%、75%、100%）的原因是基于從簡單到復(fù)雜、從低風(fēng)險向高風(fēng)險逐步進(jìn)行的理念，以保證高負(fù)荷試驗更安全；MHI認(rèn)為低負(fù)荷情況下的甩負(fù)荷試驗對機(jī)組影響不大，而100%甩負(fù)荷對機(jī)組損害大。低負(fù)荷平臺的甩負(fù)荷合格，可確保100%甩負(fù)荷一次成功。

30%平臺甩負(fù)荷是在OPC功能屏蔽的情況下進(jìn)行的，以便在設(shè)計極限條件下最大限度考驗機(jī)組的調(diào)節(jié)特性。在此功率平臺下做甩負(fù)荷試驗時，只要旁排系統(tǒng)能正常動作，試驗過程對核島基本無影響，因為AP1000旁路的設(shè)計容量為額定負(fù)荷的40%。在50%、75%、100%平臺甩負(fù)荷時，OPC功能應(yīng)該正常投入。

低負(fù)荷平臺甩負(fù)荷試驗時，汽輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速不應(yīng)超過多少呢？MHI汽輪發(fā)電機(jī)組實施甩負(fù)荷試驗的經(jīng)驗反饋數(shù)據(jù)表明，30%、50%，75%、100%甩負(fù)荷試驗時，超速基本上是線性的，50%甩負(fù)荷超速未超過5%，75%再驗證一下不超過7.5%，可推測100%甩負(fù)荷不超過10%。如果用50%和75%的兩次試驗結(jié)果預(yù)測100%甩負(fù)荷試驗不超過8%（MHI認(rèn)為超速低于9%就可以了），則可做100%甩負(fù)荷試驗，并且可以推測100%甩負(fù)荷轉(zhuǎn)速飛升不會超過10%。試驗時，轉(zhuǎn)速要安排專人來監(jiān)視，并做好失電的考慮。各平臺甩負(fù)荷試驗超速情況如圖3所示。

3.2各平臺試驗驗收標(biāo)準(zhǔn)

對于國內(nèi)火電機(jī)組來說，甩50%額定負(fù)荷時，若機(jī)組轉(zhuǎn)速超調(diào)量達(dá)到或超過5%，將不再進(jìn)行100%甩負(fù)荷試驗。在AP1000的甩負(fù)荷試驗過程中，可根據(jù)前一平臺的試驗數(shù)據(jù)，預(yù)測下一更高平臺試驗的結(jié)果（如圖3所示），來決定是否繼續(xù)進(jìn)行下一平臺的試驗，而不是所有試驗平臺都執(zhí)行同一個標(biāo)準(zhǔn)，即“低于8%額定轉(zhuǎn)速”。

圖3　汽輪發(fā)電機(jī)組4個平臺甩負(fù)荷示意圖Fig.3　The load shedding of four turbine loading platforms

3.3甩負(fù)荷試驗前機(jī)組運行狀態(tài)的調(diào)整要求建議

為了確保試驗安全進(jìn)行或者防止事故擴(kuò)大，在試驗開始前進(jìn)行一些調(diào)整是有必要的。例如，預(yù)暖旁路系統(tǒng)，提前切換廠用電，電鍋爐熱備用等。試驗前是否先切換廠用電至網(wǎng)上供電呢？根據(jù)接線圖可知，斷開發(fā)電機(jī)出口斷路器后，可以自動帶上廠用負(fù)荷，所以試驗前不用切換廠用電。電鍋爐必須要熱備用狀態(tài)，輔助蒸汽是熱備用狀態(tài)，考慮萬一核島停堆，甩負(fù)荷后，此時要停機(jī)，還要冷卻核島，汽輪機(jī)真空要保持很長時間，所以汽輪機(jī)軸封一直需要供汽。汽門活動性試驗、抽汽逆止閥活動試驗等試驗先做。日本一些核電廠甩負(fù)荷前，凝泵入口濾網(wǎng)先要反沖洗一下或人工清理，因甩負(fù)荷時蒸汽攜帶的臟物都到了凝汽器。4次試驗前，都先做機(jī)械超速的遠(yuǎn)方噴油試驗和進(jìn)行保護(hù)裝置在線試驗（再次驗證）。

3.4甩負(fù)荷試驗前汽門嚴(yán)密性試驗的工作要求

在甩負(fù)荷試驗中，OPC動作，主汽門不關(guān)，調(diào)門關(guān)閉，此時調(diào)門的嚴(yán)密性對防止汽輪機(jī)超速跳閘顯得很重要。如何單獨驗證調(diào)門的嚴(yán)密性呢？國內(nèi)火電機(jī)組要求單獨做調(diào)門的嚴(yán)密性試驗，并有專門的試驗方法和試驗邏輯，以防跳機(jī)后，主汽門卡澀不能關(guān)閉，具體試驗做法：在額定主蒸汽壓力下，高中壓主汽門和調(diào)節(jié)汽門分別全關(guān)而另一組汽門全開時，機(jī)組轉(zhuǎn)速能夠維持在1 000 r/min以下。這個試驗需要分別對主汽門和調(diào)節(jié)汽門獨立進(jìn)行。三菱驗證汽門嚴(yán)密性的試驗方法為：在機(jī)組啟動沖轉(zhuǎn)前，選擇“EH AUTO”，全開GV、RSV和ICV，而MSV全關(guān)，機(jī)組轉(zhuǎn)速能維持在150 r/min以下，則證明MSV嚴(yán)密。機(jī)組停機(jī)時，所有汽門全關(guān)，機(jī)組能夠正常惰走至轉(zhuǎn)速為零，則可以驗證汽門嚴(yán)密性合格。MHI提供的閥門嚴(yán)密性試驗程序不包含汽輪機(jī)調(diào)閥的單獨嚴(yán)密性試驗。調(diào)門的嚴(yán)密性是否有必要單獨來做試驗，MH認(rèn)為，因閥桿活動試驗要定期做，主汽門卡住的可能性很微小。當(dāng)然，調(diào)門單獨做嚴(yán)密性試驗，邏輯上是可以實現(xiàn)的，DEH是可以實現(xiàn)的，雖然AP1000核電機(jī)組沒有這種模式。

3.5AP1000機(jī)組甩負(fù)荷試驗方法討論

甩負(fù)荷試驗與孤島運行試驗有斷開發(fā)電機(jī)出口開關(guān)與斷開主變高壓側(cè)開關(guān)兩種試驗方法。AP1000機(jī)組在30%、50%和75%功率平臺實施的甩負(fù)荷試驗，采用打開發(fā)電機(jī)出口開關(guān)的方法。發(fā)電機(jī)出口開關(guān)斷開后，廠用電由電網(wǎng)供應(yīng)，試驗風(fēng)險較小。

AP1000設(shè)計控制手冊APP-GW-GL-700第14.2.10.4.21章節(jié)中要求，AP1000機(jī)組應(yīng)具備接受100%甩負(fù)荷并穩(wěn)定運行的能力［2］。首批AP1000機(jī)組的孤島運行試驗由WEC負(fù)責(zé)，是在100%平臺做試驗，包含打開主變高壓側(cè)開關(guān)和發(fā)電機(jī)出口開關(guān)兩種試驗。試驗前電廠維持在滿功率平臺穩(wěn)定運行，反應(yīng)堆和汽輪機(jī)控制系統(tǒng)在自動模式，電廠溫度、壓力、液位、流量等參數(shù)正常［2］。

在斷開主變高壓側(cè)開關(guān)的試驗中，廠用電由汽輪發(fā)電機(jī)組供應(yīng)，這對核電廠自動控制系統(tǒng)提出了很高的要求，要求汽輪發(fā)電機(jī)組及核島在承受最大程度的負(fù)荷聚減后，還要維持低功率帶廠用電穩(wěn)定運行。在甩負(fù)荷過程中，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速不應(yīng)超過108%額定轉(zhuǎn)速。日本國內(nèi)的經(jīng)驗表明，甩負(fù)荷至孤島運行帶廠用電試驗風(fēng)險很大，此時萬一汽輪發(fā)電機(jī)跳閘，會導(dǎo)致全廠失電，柴油機(jī)會啟動，因此MHI建議不做此試驗。日本前期有些核電機(jī)組具備孤島運行能力，并進(jìn)行了該項試驗，后來的新機(jī)組基本上不進(jìn)行該項試驗。

MHI廠內(nèi)100%甩負(fù)荷帶廠用電的試驗進(jìn)行了仿真試驗。帶廠用電的試驗是否應(yīng)在低負(fù)荷演練一次，可以就這個問題繼續(xù)研討。SDPNC建議就50%的甩負(fù)荷孤島運行試驗作為后續(xù)研討議題，MHI擬再進(jìn)行一次50%功率平臺甩負(fù)荷帶廠用電的仿真試驗?，F(xiàn)場是否有必要在低功率平臺做一次帶廠用電的甩負(fù)荷試驗作為準(zhǔn)備性試驗，也是一項值得探討的問題。

［1］ DL/T863-2004 汽輪機(jī)啟動調(diào)試導(dǎo)則［S］.（DL/ T863-2004 Guidance on Turbine Startup Commissioning ［S］.）

［2］ D.Rupprecht. 1000 Design Control Document，Revision 19，U.S.A，Westinghouse Electric Company LLC［R］，2011：4802-4805.

［3］ Carl W. Hemming. AP1000 100 Percent Load Rejection Startup Test Specification［R］，Shandong，2012：5-20.

［4］ W-Williams. AP1000 Plant Trip from 100 Percent Power Startup Test Specification［R］. Shandong，2012：5-9.

Analysis of Turbine Load Shedding Test for AP1000 Nuclear Power Plant

WU Wen-chao1，WANG Zi-qi2
（1. Shandong Nuclear Power Co.，Ltd.，Yantai of Shandong Prov. 265116，China； 2. Shandong Zhongshiyitong Group Co.，Ltd.，Jinan of Shandong Prov. 250061，China）

This paper introduces the turbine load shedding test of the world's first AP1000 nuclear power plant， compares the test with those of other nuclear power plants and conventional thermal power plants. This paper discusses related test conditions， test methods， and preventive measures should be taken， matters to be noticed and similar foreign experience feedback， and puts forward some suggestions.

AP1000 nuclear power plant； load shedding test； loading platform； test method

TL37Article character：AArticle ID：1674-1617（2015）01-0019-05

TL37

A

1674-1617（2015）01-0019-05

2014-10-17

吳文超（1972—），男，湖北仙桃人，高級工程師，從事核電常規(guī)島調(diào)試工作。