賈寶峰

(深圳中廣核工程設計有限公司上海分公司，上?！?00241)

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非能動核電站蒸汽排放控制系統(tǒng)分析

賈寶峰

(深圳中廣核工程設計有限公司上海分公司，上海200241)

為了更深入地了解非能動核電站蒸汽排放控制系統(tǒng)，從蒸汽排放控制系統(tǒng)的組成、功能、基本原理及控制邏輯等方面，對非能動核電站與二代改進型核電站進行了對比分析，歸納得到了非能動核電站蒸汽排放控制的特點。分析結果表明，與二代改進型核電站相比，非能動核電站在蒸汽排放控制系統(tǒng)的控制邏輯、控制對象等方面均有所提升。

核電站非能動蒸汽排放控制系統(tǒng)控制邏輯平均溫度壓力控制控制對象熱交換

0　引言

通常，壓水堆核電廠由飽含水(冷卻劑)介質(zhì)的一回路和飽含蒸汽介質(zhì)的二回路組成。核電廠的發(fā)電過程可簡單描述為能量的轉(zhuǎn)換過程。首先，核燃料在反應堆內(nèi)裂變產(chǎn)生的熱能在壓力容器內(nèi)傳遞給一回路的冷卻劑，然后一回路與二回路在蒸汽發(fā)生器中進行熱交換，最后由二回路產(chǎn)生的蒸汽驅(qū)動汽輪發(fā)電機發(fā)電。在核電廠的正常運行工況下，一回路產(chǎn)生的熱能與二回路所需的熱能是相互平衡的。但是，在某些特殊工況下，兩個回路的能量會出現(xiàn)不平衡的情況，這就需要通過蒸汽排放控制系統(tǒng)將一回路產(chǎn)生的多余蒸汽引入凝汽器(或者排向大氣)，以此來維持兩個回路的能量平衡。此外，在反應堆停堆以及計劃內(nèi)的電廠冷卻期間，也可以通過蒸汽排放系統(tǒng)排出堆芯余熱。由此可見，蒸汽排放控制系統(tǒng)在核電廠運行過程中起著非常重要的作用。

本文通過對非能動核電站蒸汽排放控制原理的分析及其與二代改進型核電站的對比，得出非能動核電站蒸汽排放控制的特點及兩者之間的差異。

1　非能動核電站蒸汽排放控制系統(tǒng)

1.1控制系統(tǒng)概述

非能動核電站蒸汽排放控制系統(tǒng)的容量按額定蒸汽流量的40%進行設計。蒸汽排放系統(tǒng)能夠處理超過10%但不大于50%滿功率的甩負荷工況，或50%滿功率水平以下的汽輪機脫扣工況。當反應堆在50%滿功率以上時，如發(fā)生汽輪機脫扣或超過50%滿功率的甩負荷，在快速降功率系統(tǒng)的配合下，蒸汽排放系統(tǒng)也能滿足系統(tǒng)的設計需要。非能動核電站的蒸汽排放控制系統(tǒng)所控制的設備包括2組(共6個)蒸汽旁排閥和2個大氣釋放閥[1-5]。

凝汽器排放閥流程圖如圖1所示，其包括2組蒸汽旁排閥，每個凝汽器分別連接1個旁排閥。

圖1　凝汽器排放閥流程圖Fig.1　Flowchart of the process of thecondenser venting valve

1.2控制邏輯

非能動核電站蒸汽排放有平均溫度和蒸汽壓力兩種控制模式。溫度模式與壓力模式的相互切換由操作員手動完成[1-5]。

1.2.1平均溫度Tavg控制模式

蒸汽排放控制系統(tǒng)溫度控制模式僅在反應堆功率運行的條件下，對蒸汽排放的相關設備進行控制。其主要作用是：在汽輪機快速甩負荷時，排放蒸汽發(fā)生器內(nèi)產(chǎn)生的過量蒸汽。由于汽輪機甩負荷的速度比反應堆降功率的速度快，因此需要通過該控制系統(tǒng)來維持電廠的平穩(wěn)過渡。

非能動核電站蒸汽排放平均溫度控制功能框圖如圖2所示。當汽輪機發(fā)生較大、較快速的甩負荷(一般指短時間內(nèi)大于10%滿功率的階躍降負荷)時，由反應堆冷卻劑平均溫度經(jīng)超前/滯后補償?shù)玫降闹怠⑵啓C第一級壓力轉(zhuǎn)換的參考溫度、汽機負荷補償信號，計算得出控制偏差值，并經(jīng)過甩負荷控制器來調(diào)節(jié)第1組和第2組旁路排放閥。如果該偏差大于某設定值(如圖2中H1、H2)，就快速開啟對應的旁路排放閥。

圖2　蒸汽排放平均溫度模式控制功能框圖Fig.2　Block diagram of the control function of the steamventing average temperature mode

1.2.2蒸汽壓力控制模式

非能動核電站蒸汽排放壓力控制及大氣釋放閥控制功能如圖3所示。

圖3　蒸汽壓力控制模式及大氣釋放閥控制功能框圖Fig.3　Block diagram of steam pressure control mode and theatmospheric relief valve control function

在電廠啟動、低功率運行(汽機同步期間)、電廠停堆等情況下，蒸汽排放控制系統(tǒng)處于蒸汽壓力控制模式，并能夠按照當時的運行條件或操縱員選擇的運行方式，對蒸汽排放的相關設備進行控制。蒸汽母管壓力測量值與壓力整定值算法單元的偏差通過PI(比例積分)控制器調(diào)節(jié)兩組蒸汽旁排閥，使蒸汽母管壓力維持在預設的整定值。

當蒸汽排放控制系統(tǒng)處于平均溫度控制模式時，可通過調(diào)節(jié)蒸汽旁排閥的控制指令來自平均溫度控制器。

將兩個環(huán)路的主蒸汽壓力測量值分別與蒸汽壓力設定值進行比較，得出偏差；然后經(jīng)PI控制器計算，得出各環(huán)路大氣釋放閥的控制指令。

2　二代改進型核電站蒸汽排放控制系統(tǒng)

2.1核電站概述

二代改進型核電站蒸汽排放控制系統(tǒng)的容量按100%額定蒸汽流量進行設計。蒸汽排放系統(tǒng)凝汽器排放閥能夠處理核電廠100%甩負荷的工況，而不引起反應堆跳堆或觸發(fā)大氣釋放閥和安全閥。在反應堆緊急停堆時，可防止蒸汽發(fā)生器超壓。系統(tǒng)將阻止安全閥開啟，逐步帶出余熱，使反應堆冷卻劑平均溫度達到零負荷溫度，并允許核電廠熱停堆；用手動冷卻將余熱排出，達到余熱排出系統(tǒng)可以投入使用的工況。在汽輪機啟動前，允許啟動反應堆及二回路系統(tǒng)[6-8]。

在進行滿功率甩負荷至廠用電、滿功率停機不停堆、滿功率停堆同時停機等大負荷變化時，需要向除氧器進行蒸汽排放。

當凝汽器排放不可用時，可通過大氣排放閥排放蒸汽，使反應堆冷卻劑冷卻到余熱排出系統(tǒng)可投用的工況。

2.2控制邏輯

二代改進型核電站的蒸汽排放控制系統(tǒng)也有2種控制模式，分別為平均溫度Tavg控制模式和蒸汽壓力控制模式[1-3、8]。

2.2.1平均溫度Tavg控制模式

當蒸汽排放控制系統(tǒng)在平均溫度控制模式時，有停堆和未停堆這2種情況。

①停堆時，根據(jù)冷卻劑的平均溫度的最大值與反應堆零功率時的冷卻劑參考溫度的差值，經(jīng)過函數(shù)處理后，輸出控制指令，調(diào)節(jié)各組排放閥。

②未停堆時，根據(jù)最終功率設定值、汽輪機第一級壓力、冷卻劑平均溫度最大值，經(jīng)過函數(shù)、超前/滯后等算法得到的控制指令，調(diào)節(jié)各組排放閥。

當蒸汽排放控制系統(tǒng)處于蒸汽壓力控制模式時，輸出切換到壓力控制模式指令。

與非能動核電站相比，二代改進型核電站蒸汽排放控制系統(tǒng)根據(jù)反應堆的運行模式,采取不同的控制平均溫度Tavg控制模式，需要控制的對象較多且控制邏輯較為復雜。

2.2.2蒸汽壓力控制模式

當蒸汽排放控制系統(tǒng)處于壓力控制模式時，只有排往凝汽器第1組和第2組的共6個閥門參與蒸汽排放控制，并根據(jù)蒸汽母管壓力的測量值與蒸汽母管壓力設定值的偏差，經(jīng)過PI控制器參與蒸汽排放控制。排往凝汽器的第3組的6個閥門和排往除氧器的2個閥門，在蒸汽壓力控制模式下都被閉鎖，不參與蒸汽排放控制。

3個環(huán)路大氣釋放閥的控制指令由各環(huán)路的主蒸汽壓力測量值與蒸汽壓力設定值的偏差，經(jīng)過PI控制器計算得出。

與非能動核電站相比，二代改進型核電站蒸汽排放控制系統(tǒng)的蒸汽壓力控制模式僅需控制4組閥門中的2組，其余2組不參與控制，其控制策略基本相同。2種堆型的大氣釋放閥控制策略也基本相同。

3　兩種核電站蒸汽排放控制系統(tǒng)的對比分析

3.1控制對象的數(shù)量及類型

非能動核電站與二代改進型核電站的蒸汽排放控制系統(tǒng)控制對象主要包括蒸汽旁排閥和大氣釋放閥，兩者的數(shù)量及類型的對比如表1所示。

表1　蒸汽排放控制對象數(shù)量及類型對比表Tab.1　The comparision of the number andtype of steam venting control objects

相比二代改進型核電站，非能動核電站減少了3個除氧器排放閥、6個蒸汽旁排閥；此外，非能動核電站有2個二回路，而二代改進型核電站有3個二回路，非能動核電站減少了1個大氣釋放閥。

3.2旁排閥執(zhí)行裝置及控制方式

非能動核電站與2代改進型核電站的旁排閥執(zhí)行裝置對比如表2所示。

表2　旁排閥執(zhí)行裝置數(shù)量對比表Tab.2　The comparision actuators of the bypass valve

非能動核電站設置了3個閉鎖電磁閥(1個控制級閉鎖電磁閥由非安全級的電廠控制系統(tǒng)控制、2個保護級閉鎖電磁由安全級的電廠保護與監(jiān)視系統(tǒng)控制)。其中，來自非安全級的電廠控制系統(tǒng)的閉鎖信號用于判斷蒸汽排放的控制模式或汽輪機降功率的水平是否滿足解除旁排閥閉鎖；安全級的電廠保護與監(jiān)視系統(tǒng)閉鎖信號的主要作用是保護性閉鎖各組蒸汽旁排閥，并手動解除第1階段和第2階段的蒸汽排放閥的閉鎖。

二代改進型核電站只設置了2個保護級閉鎖電磁閥，它們分別接收安全級DCS的A列、B列的閉鎖信號。該信號用于判斷是否滿足各組排放閥的閉鎖條件。

4　非能動核電站蒸汽排放控制系統(tǒng)技術特點

對于非能動核電站而言，由于蒸汽排放控制系統(tǒng)的容量是按額定蒸汽流量的40%進行設計的，所以，蒸汽排放控制對象的數(shù)量相對于二代改進型核電站減少了約50%，相應控制系統(tǒng)的結構也得到了簡化，降低了工程造價。

在蒸汽排放閥的控制閉鎖裝置方面，相對于二代改進型核電站，非能動核電站為每個蒸汽排放閥增加了一個非安全級的閉鎖裝置，提高了蒸汽排放控制的可靠性。

非能動核電站的蒸汽排放控制系統(tǒng)與反應堆功率控制系統(tǒng)的配合，能夠應對汽機在不超過滿功率的汽輪機脫扣問題，實現(xiàn)了不超過50%額定負荷的階躍甩負荷。此外，非能動核電站增加了快速降功率控制邏輯，能夠處理50%滿功率以上的汽輪機脫扣或大于50%額定負荷的階躍甩負荷。蒸汽排放系統(tǒng)與快速降功率系統(tǒng)配合，能夠滿足電廠安全停堆、停機的設計要求。

5　結束語

通過對非能動核電站與二代改進型核電站的蒸汽排放控制原理、控制邏輯、控制對象的對比分析，總結了非能動核電站蒸汽排放控制系統(tǒng)的特點。非能動核電站蒸汽排放控制系統(tǒng)在邏輯控制、控制對象等方面均有所改進，較二代改進型核電站有所提升，對保障核電站更安全、經(jīng)濟地運行有著重要的意義。

[1] 林誠格，郁祖盛.非能動安全先進壓水堆核電技術[M].北京：原子能出版社，2010：699-700.[2] 孫漢虹.第三代核電技術AP1000[M].北京:中國電力出版社，2010：382-384.

[3] 林誠格,郁祖盛.非能動安全先進核電廠AP1000[M].北京:原子能出版社，2008：341-342.

[4] 馬中杰.AP1000核電站汽輪機旁路系統(tǒng)的運行分析[J].設計與分析，2011(15)：162-163.

[5] 董九虹.非能動反應堆蒸汽排放控制分析[J].科技創(chuàng)新導報，2015(14)：62-63.

[6] 吳劍鳴.核島儀控系統(tǒng)設計[M].壓水堆核電廠核島設計:第5卷.北京:原子能出版社，2010：152-161.

[7] 蘇林森,楊輝玉.900MW壓水堆核電站系統(tǒng)與設備[M].北京:原子能出版社，2007：346-353.

[8] 王寶生,王冬青.壓水堆核電廠蒸汽排放控制系統(tǒng)實時仿真研究[J]，核動力工程，2011，32(5)：38-44.

AnalysisoftheSteamVentingControlSysteminPassiveNuclearPowerPlant

Inordertofurtherunderstandthesteamventingcontrolsysteminpassivenuclearpowerplant,thecomposition,functions,basicprincipleandcontrollogicofsteamventingcontrolsysteminthepassivenuclearpowerplantandtheGen-IINPParecontrastedandanalyzed,thecharacteristicsofthesteamventingcontrolsystemofthepassivenuclearpowerplantisconcludedobtained.TheanalysisresultsshowthatcomparingwithGen-IINPP,thelogicalcontrolandcontrolobjectofthesteamventingcontrolsysteminpassivenuclearpowerplantareallupgraded.

NuclearpowerplantPassiveSteamdumpControlsystemControllogicAveragetemperaturePressurecontrolControlobjectHeatexchange

TH3;TP11

A< class="emphasis_italic">DOI

:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201610017

修改稿收到日期:2016-02-26。

作者賈寶峰(1977—)，男，2000年畢業(yè)于華北電力大學生產(chǎn)過程自動化專業(yè)，獲學士學位，工程師；主要從事核島儀控系統(tǒng)方向的研究。