翟樹叢+++劉辰星+++張斌利

摘 要：AP1000為美國(guó)西屋公司設(shè)計(jì)的先進(jìn)三代核電技術(shù)，蒸汽旁排系統(tǒng)作為AP1000核電廠維持一、二回路之間的功率平衡的一個(gè)重要系統(tǒng)，其特點(diǎn)是響應(yīng)快、調(diào)節(jié)特性好。文章主要對(duì)蒸汽旁排系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹，并就其控制原理及控制方法進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：AP1000；蒸汽旁排；作用

1 蒸汽旁排系統(tǒng)作用

蒸汽旁排系統(tǒng)主要作用是維持一、二回路間的功率平衡，在機(jī)組啟動(dòng)、停堆、冷卻和汽機(jī)甩負(fù)荷時(shí)，提供旁路蒸汽發(fā)生器蒸汽到凝汽器的功能，排出熱量，減小瞬態(tài)影響，避免啟動(dòng)安全系統(tǒng)。主要體現(xiàn)在兩方面：一方面是控制蒸汽母管壓力及一回路平均溫度。在機(jī)組啟動(dòng)過程中，通過調(diào)節(jié)旁排閥開度，可實(shí)現(xiàn)在暖管、沖轉(zhuǎn)、暖機(jī)、升速、帶負(fù)荷過程中維持蒸汽母管壓力，改善啟動(dòng)條件，加快啟動(dòng)速度。在電站冷卻和停堆過程中，將反應(yīng)堆余熱導(dǎo)出到凝汽器，加快冷卻速率，為正常余熱排出系統(tǒng)投入運(yùn)行提供前提條件。另一方面是在功率運(yùn)行中，當(dāng)電站甩去較大負(fù)荷時(shí)，在不開啟安全閥和大氣釋放閥，不引起反應(yīng)堆停堆的情況下，起緩沖調(diào)節(jié)作用，能承受40%額定蒸汽排放量。不致使反應(yīng)堆因超溫超壓使保護(hù)系統(tǒng)動(dòng)作。可以繼續(xù)運(yùn)行，維持電站的功率平衡。

2 系統(tǒng)組成

蒸汽旁排系統(tǒng)主要包括旁排閥及其控制系統(tǒng)，AP1000使用了6個(gè)旁排閥。每個(gè)閥能夠提供6.7%的滿負(fù)荷額定蒸汽流量，總共40%的蒸汽流量。

旁排閥有兩個(gè)相同容量的組。第一組包含V3051A/B/C，第二組包含V3052A/B/C。按順序開啟可以提高控制響應(yīng)和穩(wěn)定性。第一組在0-50%命令時(shí)開，第二組50%-100%時(shí)開，并且等第一組開完后才能調(diào)節(jié)。每組都有一個(gè)閥門分別與三個(gè)凝汽器外殼相連。

3 旁排閥運(yùn)行原理

汽機(jī)旁排閥使用帶有定位器的氣動(dòng)執(zhí)行器來控制閥門響應(yīng)。閥門氣壓決定了閥門調(diào)節(jié)開多大。氣動(dòng)執(zhí)行器有彈簧，失氣時(shí)關(guān)閉閥門。閥門有持續(xù)的位置指示和用于開關(guān)指示的限位開關(guān)。

如圖1所示，每個(gè)旁排閥執(zhí)行器串聯(lián)安裝四個(gè)電磁閥。其中電磁閥A、B、D，在電磁閥得電時(shí)，1、3口連通，失電時(shí)2、3連通。電磁閥C正好相反，得電時(shí)2、3連通，失電時(shí)1、3連通。

圖1 電磁閥布置圖

這些電磁閥可以實(shí)現(xiàn)保護(hù)聯(lián)鎖和快開旁排閥功能。其中，電磁閥C上電可以旁路定位器而快開旁排閥。

其他電磁閥用于聯(lián)鎖，阻止旁排閥運(yùn)行。電磁閥失電時(shí)，排出旁排閥執(zhí)行器中空氣，使閥門關(guān)閉。其中，電磁閥A、B為保護(hù)級(jí)聯(lián)鎖電磁閥，冗余配置，接受來自反應(yīng)堆保護(hù)與監(jiān)視系統(tǒng)（PMS）的信號(hào)。電磁閥D為控制級(jí)聯(lián)鎖電磁閥，接受蒸汽旁排控制系統(tǒng)的信號(hào)。

4 蒸汽旁排控制系統(tǒng)

蒸汽旁排控制系統(tǒng)是電廠控制系統(tǒng)（PLS）的五大控制系統(tǒng)之一，為旁排閥提供開、關(guān)、或調(diào)節(jié)信號(hào)。蒸汽旁排控制系統(tǒng)有兩種運(yùn)行模式：蒸汽母管壓力模式和TAVG模式。

4.1 蒸汽母管壓力模式

蒸汽母管壓力模式由操縱員手動(dòng)選擇。在啟動(dòng)中使用，直到機(jī)組并網(wǎng)。也用于機(jī)組冷卻。該模式使用蒸汽母管壓力和壓力整定值來控制蒸汽流量和維持蒸汽壓力。

如圖2所示，當(dāng)蒸汽母管壓力進(jìn)入控制回路，首先進(jìn)行中選，取三路輸入信號(hào)的中間值。如果信號(hào)失效，會(huì)產(chǎn)生報(bào)警并將旁排壓力控制器置為手動(dòng)。

信號(hào)選擇后，蒸汽母管壓力經(jīng)過滯后環(huán)節(jié)■進(jìn)行濾波，使信號(hào)平滑，然后進(jìn)入加法器。它與壓力整定值選擇器選擇的整定值進(jìn)行比較，使模擬加法器產(chǎn)生壓力偏差信號(hào)（PE）。

圖2 蒸汽母管壓力模式控制邏輯圖

PE=PC-PT，其中，PE為壓力偏差，PC為濾波后的蒸汽母管壓力， PT為蒸汽母管壓力整定值，來自壓力整定值選擇器。其輸入有三種：

（1）手動(dòng)，操縱員手動(dòng)輸入的整定值，主要用于機(jī)組啟動(dòng)階段；

（2）反應(yīng)堆緊急停堆時(shí)，預(yù)設(shè)的固定值；

（3）電廠冷卻模式下，蒸汽壓力整定值算法的計(jì)算值。在冷卻模式下，操縱員輸入期望的最終溫度和冷卻速率，然后通過電廠冷卻模式蒸汽壓力整定值算法（基于水汽熱力學(xué)特性算法STEAMTABLE），最終生成合適的蒸汽壓力整定值。

之后，PE信號(hào)通過典型的PI調(diào)節(jié)器（K2+■）生成蒸汽排放需求信號(hào)。旁排信號(hào)在通過手動(dòng)/自動(dòng)控制站后，送往一個(gè)門選邏輯。該邏輯在門選觸發(fā)信號(hào)為1（即選定蒸汽母管壓力模式）時(shí)，輸出為來自蒸汽壓力控制器的蒸汽排放需求信號(hào)。若門選觸發(fā)信號(hào)為0（即選定TAVG模式）時(shí)，輸出來自甩負(fù)荷控制器的輸出（來自TAVG模式）。

只有一個(gè)旁排信號(hào)能通過門選邏輯，其輸出取決于當(dāng)前的模式，操作員可通過模式選擇器來選擇當(dāng)前的模式。如果探測(cè)到控制棒電源機(jī)組母線電壓低或者產(chǎn)生反應(yīng)堆停堆信號(hào)（P4），即發(fā)生反應(yīng)堆緊急停堆時(shí)，也相當(dāng)于選定蒸汽母管壓力模式。

之后，旁排信號(hào)被送到旁排閥，根據(jù)蒸汽排放需求按順序調(diào)節(jié)旁排閥。蒸汽排放需求為0-50%時(shí)，依序調(diào)節(jié)第一組旁排閥。蒸汽排放需求為50-100%時(shí)，依序調(diào)節(jié)第二組旁排閥。

4.2 TAVG控制模式

蒸汽母管壓力模式使用在啟動(dòng)和停堆中，而TAVG模式用于功率運(yùn)行時(shí)，特別是汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)并網(wǎng)后。這個(gè)模式用于需要旁排動(dòng)作的功率瞬態(tài)，比如甩負(fù)荷或跳機(jī)。該模式使用TAVG和汽輪機(jī)第一級(jí)壓力來控制蒸汽流量。

TAVG控制模式設(shè)計(jì)成在汽輪發(fā)電機(jī)甩負(fù)荷時(shí)提供人工熱負(fù)荷。因?yàn)槠麢C(jī)降負(fù)荷比反應(yīng)堆快的多，故設(shè)計(jì)該系統(tǒng)，可提供虛假負(fù)荷以減小大的甩負(fù)荷后的電廠瞬態(tài)，阻止反應(yīng)堆冷卻劑溫度快速升高。

如圖3所示，TAVG為一回路平均溫度，來自反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)（PMS）的四個(gè)通道，當(dāng)四路TAVG信號(hào)進(jìn)入中值選擇器，取前三路進(jìn)行中值選擇，第四路信號(hào)作為備選信號(hào)，以替換可能的壞點(diǎn)信號(hào)。如果有二路以上信號(hào)為壞點(diǎn)，則閉鎖自動(dòng)的旁排控制，并且產(chǎn)生警報(bào)。

圖3 TAVG模式控制邏輯圖

TAVG 信號(hào)并沒有通過典型的滯后環(huán)節(jié)進(jìn)行濾波，而是通過一個(gè)超前/滯后環(huán)節(jié)■。超前/滯后功能將有助于提高反應(yīng)堆冷卻劑溫度回路的傳輸時(shí)間，提升系統(tǒng)響應(yīng)速度。

然后，TAVG進(jìn)入模擬加法器與基于汽輪機(jī)第一級(jí)壓力的兩種信號(hào)一同進(jìn)行處理，產(chǎn)生溫度偏差信號(hào)（TE）。

TE=TAVG-TREF-TC

其中：TE為溫度偏差信號(hào)，TREF為平均溫度參考值，TC為溫度補(bǔ)償信號(hào)。

為確定平均溫度參考值（TREF），汽輪機(jī)第一級(jí)壓力首先通過中值選擇，第二步是把汽輪機(jī)第一級(jí)壓力轉(zhuǎn)化成汽輪機(jī)負(fù)荷。將汽輪機(jī)第一級(jí)壓力轉(zhuǎn)化為汽輪機(jī)負(fù)荷，要用到以下算法：

PTU=A0+A1（TP）+A2（TP）2

其中，PTU是汽輪發(fā)電機(jī)組負(fù)荷，TP是測(cè)得的汽輪機(jī)第一級(jí)壓力，A0、A1、A2都是常量。

汽輪機(jī)負(fù)荷決定后，可通過參考平均溫度函數(shù)獲得TREF。然后，TREF信號(hào)將進(jìn)入一個(gè)超前/滯后環(huán)節(jié)。超前/滯后功能將消除先前信號(hào)處理所造成的時(shí)間延遲，同時(shí)也提供蒸汽排放的預(yù)測(cè)控制。

控制系統(tǒng)響應(yīng)具有滯后性，為更快的響應(yīng)汽機(jī)甩負(fù)荷，引入汽機(jī)甩負(fù)荷速率作為前饋信號(hào)對(duì)控制信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償，即溫度補(bǔ)償信號(hào)（TC）。TC來自于前面計(jì)算得來汽輪機(jī)負(fù)荷，汽輪機(jī)負(fù)荷信號(hào)進(jìn)入速率/滯后環(huán)節(jié)■，得到汽輪機(jī)負(fù)荷變化的速率。然后通過線性增益環(huán)節(jié)，來增加響應(yīng)速度。由于我們關(guān)注的是甩負(fù)荷的速率，因此TC的輸出應(yīng)該限定為負(fù)值。將其代入TE計(jì)算公式，實(shí)質(zhì)是引入了一個(gè)增量信號(hào)。

溫度偏差信號(hào)隨后進(jìn)入甩負(fù)荷控制器。甩負(fù)荷控制器包含死區(qū)，用來防止小瞬態(tài)下旁排閥的重復(fù)動(dòng)作，在死區(qū)范圍內(nèi)時(shí)，可由控制棒來調(diào)節(jié)一回路功率，無需打開旁排閥。

甩負(fù)荷控制器的輸出隨后進(jìn)入門選邏輯，在TAVG模式下被送往旁排閥。

對(duì)于大的甩負(fù)荷，為加快響應(yīng)速度，TAVG模式下增加了旁排閥快開功能。當(dāng)TE偏差足夠大時(shí)（H1/H2），可快開第一組或兩組旁排閥以滿足更快的汽機(jī)甩負(fù)荷。

5 聯(lián)鎖

有幾種工況不允許動(dòng)作旁排閥，比如TAVG很低或凝汽器沒有冷卻水的工況。這兩種工況都對(duì)電廠有不利影響。為了防止產(chǎn)生這些不良影響，視電廠工況，聯(lián)鎖邏輯允許或防止旁排閥動(dòng)作。聯(lián)鎖邏輯由獨(dú)立的處理器處理，被分為兩組：控制級(jí)聯(lián)鎖和保護(hù)級(jí)聯(lián)鎖。

5.1 控制級(jí)聯(lián)鎖

控制級(jí)聯(lián)鎖信號(hào)送往控制級(jí)電磁閥，首先是C9聯(lián)鎖信號(hào)，C9是凝汽器可用信號(hào)，其要求凝汽器真空度必須足夠高且至少一臺(tái)循環(huán)水泵運(yùn)行。為防止損壞凝汽器，在凝汽器不可用時(shí)閉鎖旁排閥動(dòng)作。大氣釋放閥作為凝汽器不可用時(shí)的備用蒸汽排放通道。

除了凝汽器可用外，旁排閥動(dòng)作還需滿足下列條件之一：TAVG模式下汽輪機(jī)甩負(fù)荷變化率高（C7）；選擇蒸汽母管壓力模式。

5.2 保護(hù)級(jí)聯(lián)鎖

有兩個(gè)冗余的保護(hù)級(jí)閉鎖邏輯電磁閥，其閉鎖信號(hào)來自PMS，一個(gè)來自B通道，一個(gè)來自D通道。這些聯(lián)鎖由TAVG低-2信號(hào)、蒸汽管線隔離信號(hào)、允許旁路TAVG低以冷卻的使能開關(guān)及手動(dòng)閉鎖來實(shí)現(xiàn)。

TAVG低-2信號(hào)進(jìn)入一個(gè)“四取二”選擇器。一旦低-2信號(hào)被觸發(fā)，蒸汽排放冷卻控制開關(guān)處于開位置，閉鎖信號(hào)被送入所有旁排閥。

如果運(yùn)行人員需要，對(duì)于執(zhí)行冷卻功能的閥門（V3051A/V3051B），低-2閉鎖命令可以被旁路。為了做到這一點(diǎn)，運(yùn)行人員暫時(shí)把冷卻控制開關(guān)置于“Enable”， 當(dāng)開關(guān)回到“ON”時(shí)，反饋環(huán)路允許旁路信號(hào)繼續(xù)。此操作將除去旁排閥的閉鎖信號(hào)，允許旁排閥在電廠冷卻時(shí)進(jìn)行必要的調(diào)節(jié)。當(dāng)冷卻完成，不再需要蒸汽旁排閥后，運(yùn)行人員將把冷卻開關(guān)置于“Disable”。把開關(guān)置于“Disable” 會(huì)將閉鎖信號(hào)送到電磁閥，并在冷卻期間切斷反饋回路。

運(yùn)行人員也可以手動(dòng)閉鎖所有蒸汽排放閥。通過將蒸汽排放模式控制開關(guān)置于“OFF”，閉鎖信號(hào)將被送到所有的蒸汽排放閥，且不能被旁路。當(dāng)存在蒸汽管線隔離信號(hào)時(shí)，也閉鎖所有旁排閥動(dòng)作。

6 結(jié)束語

通過上述分析對(duì)比可知，蒸汽旁排系統(tǒng)的兩種控制模式有著明顯的不同，其中蒸汽母管壓力模式以壓力偏差信號(hào)PE為控制變量，主要用于機(jī)組啟動(dòng)或停堆。而TAVG控制模式基于溫度偏差信號(hào)TE，主要用于機(jī)組功率運(yùn)行階段并響應(yīng)瞬態(tài)變化。蒸汽旁排系統(tǒng)可以旁排掉40%的蒸汽流量，在不同工況或階段提供不同的控制策略，以維持或減小熱平衡差異，減小瞬態(tài)影響。

AP1000設(shè)計(jì)可承擔(dān)100%甩負(fù)荷或汽輪機(jī)從100%功率跳機(jī)而不產(chǎn)生跳堆、大氣排放、或觸發(fā)穩(wěn)壓器或蒸汽發(fā)生器安全閥。為實(shí)現(xiàn)該設(shè)計(jì)要求，蒸汽旁排控制系統(tǒng)需結(jié)合反應(yīng)堆功率控制系統(tǒng)及快速降功率系統(tǒng)的能力。對(duì)于10%階躍負(fù)荷變化或每分鐘5%斜坡變化可通過反應(yīng)堆功率控制系統(tǒng)來調(diào)節(jié)。而對(duì)于甩負(fù)荷超過10%又低于50%或汽機(jī)在50%功率以下跳機(jī)，則蒸汽旁排控制系統(tǒng)與反應(yīng)堆功率控制系統(tǒng)一起動(dòng)作。對(duì)于超過50%功率的汽輪機(jī)跳機(jī)，或者甩負(fù)荷超過50%，以上所有系統(tǒng)和快速降功率系統(tǒng)一起動(dòng)作。

參考文獻(xiàn)

[1]林誠(chéng)格.非能動(dòng)安全先進(jìn)壓水堆核電技術(shù)[M].北京：原子能出版社，2010.