戴永扇，趙 旸，李 捷，何海洋

（中核核電運(yùn)行管理有限公司 對(duì)外服務(wù)處，浙江 嘉興 314300）

0 引言

巴基斯坦卡拉奇K2機(jī)組是目前海外第一臺(tái)華龍一號(hào)堆型，反應(yīng)堆熱功率3050MW，電功率1145MW。K2機(jī)組于2015年8月20日開工建設(shè)，2021年5月20日移交巴方。

RRC57帶廠用電試驗(yàn)在機(jī)組啟動(dòng)至50%FP、100%FP功率平臺(tái)時(shí)執(zhí)行，從機(jī)組所在功率平臺(tái)人為斷開500KV電網(wǎng)斷路器，機(jī)組自動(dòng)甩負(fù)荷至帶廠用電負(fù)荷，檢驗(yàn)試驗(yàn)過(guò)程中電廠控制系統(tǒng)維持或恢復(fù)主要參數(shù)在它們正常運(yùn)行范圍內(nèi)的能力[1]。

50%FP平臺(tái)機(jī)組甩負(fù)荷至帶廠用電期間，多余的蒸汽由TSC汽輪機(jī)蒸汽旁路系統(tǒng)排入凝汽器，帶走一回路的熱量。因甩負(fù)荷時(shí)間短，若蒸汽旁排閥響應(yīng)速度慢，二回路熱量不能及時(shí)排走，一回路溫度壓力將迅速上升，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致機(jī)組停機(jī)停堆。因此，蒸汽旁排閥的響應(yīng)速度對(duì)機(jī)組應(yīng)對(duì)瞬態(tài)十分重要。

1 K2機(jī)組汽機(jī)旁路系統(tǒng)

機(jī)組功率運(yùn)行期間，發(fā)生停機(jī)或甩負(fù)荷時(shí)，堆芯提供的功率與汽輪機(jī)負(fù)荷之間會(huì)出現(xiàn)不平衡[2]。由于控制棒調(diào)節(jié)能力有限，當(dāng)負(fù)荷變化幅度超過(guò)10%額定負(fù)荷時(shí)，需要TSC汽輪機(jī)蒸汽旁路系統(tǒng)立即投入運(yùn)行，為反應(yīng)堆提供一個(gè)“負(fù)荷”，從而避免核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)（NSSS）中溫度和壓力超過(guò)保護(hù)閾值，確保核電站的安全[3]。

汽輪機(jī)蒸汽旁路系統(tǒng)的排放容量設(shè)計(jì)為滿功率運(yùn)行時(shí)，能將蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生的85%蒸汽量排向凝汽器。

汽輪機(jī)蒸汽旁路系統(tǒng)共設(shè)置了12個(gè)蒸汽旁排閥，分成3組。第1組包括3個(gè)蒸汽旁排閥（TSC121VV、TSC117VV、TSC113VV），排 放 容 量 為21.25%額 定蒸汽容量；第2組包括3個(gè)蒸汽旁排閥（TSC115VV、TSC119VV、TSC123VV），排 放 容 量 為21.25%額 定蒸汽容量；第3組包括6個(gè)蒸汽旁排閥（TSC114VV、TSC122VV、TSC124VV、TSC116VV、TSC118VV、TSC120VV），排放容量為42.5%額定蒸汽容量。

TSC蒸汽旁排閥開啟方式有兩種：調(diào)制開啟和快速開啟。調(diào)制開啟是指閥門根據(jù)DCS控制指令的大小等比例開啟；快速開啟是指收到快開信號(hào)后，閥門快速全開。第1組排放閥調(diào)制開啟時(shí)，根據(jù)開啟指令大小，121VV、117VV、113VV按順序開啟；快速開啟時(shí)，整組同時(shí)開啟。第2組、第3組調(diào)制開啟和快速開啟，都是整組閥門同時(shí)開啟。

汽輪機(jī)蒸汽旁路系統(tǒng)有兩種控制模式，溫度模式與壓力模式。溫度模式下，蒸汽旁排閥開啟信號(hào)正比于反應(yīng)堆冷卻劑平均溫度最大值與由汽機(jī)負(fù)荷整定的冷卻劑參考溫度之差；壓力模式下，維持蒸汽母管壓力接近于給定的設(shè)定值[4]。K2機(jī)組功率超過(guò)25%FP時(shí)，汽輪機(jī)蒸汽旁路系統(tǒng)由壓力模式切換至溫度模式。

RRC57試驗(yàn)過(guò)程中，TSC汽輪機(jī)蒸汽旁路系統(tǒng)工作在溫度模式。溫度模式下，汽輪機(jī)蒸汽旁路系統(tǒng)控制有3℃死區(qū)，即反應(yīng)堆冷卻劑溫度與由汽機(jī)負(fù)荷整定的冷卻劑參考溫度之差小于3℃時(shí)，TSC蒸汽旁排閥不動(dòng)作，由溫度調(diào)節(jié)棒R棒控制平衡一二回路功率。在沒有緊急停堆信號(hào)時(shí)，溫差超過(guò)6℃，產(chǎn)生第1組閥快開信號(hào)；溫差超過(guò)8.95℃，產(chǎn)生第2組閥快開信號(hào)；溫差超過(guò)14.9℃，產(chǎn)生第3組閥快開信號(hào)。

2 K2機(jī)組50%FP甩負(fù)荷至廠用電停堆過(guò)程及原因分析

2.1 50%FP甩負(fù)荷至帶廠用電試驗(yàn)過(guò)程

執(zhí)行K2機(jī)組RRC57帶廠用電試驗(yàn)，試驗(yàn)開始前K2機(jī)組核功率50%FP，發(fā)電機(jī)功率490MWe，各控制系統(tǒng)均處于正常工作狀態(tài)。

16時(shí)39分44秒，根據(jù)試驗(yàn)要求，斷開500KV電網(wǎng)斷路器，K2機(jī)組帶廠用電正常。廠用電負(fù)荷67MWe，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速最高1532rpm，穩(wěn)定后汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速1521rpm；16時(shí)39分45秒，主蒸汽旁路排放總開度需求2TSC401KM觸發(fā)蒸汽旁排閥調(diào)制開啟信號(hào)；16時(shí)39分47秒，穩(wěn)壓器壓力開始上漲（穩(wěn)壓器初始?jí)毫?5.4MPa）；16時(shí)39分51秒，蒸汽旁排閥第1組閥快開信號(hào)觸發(fā)（2TSC121/117/113VV快開信號(hào)），穩(wěn)壓器噴淋閥開始開啟；16時(shí)39分53秒，蒸汽旁排閥第1組閥全開（2TSC121/117/113VV全 開 ）；16時(shí)39分59秒， 穩(wěn)壓器壓力繼續(xù)上漲至16.47MPa，反應(yīng)堆停堆（停堆定值16.45MPa），汽輪機(jī)跳閘，發(fā)電機(jī)解列。試驗(yàn)過(guò)程趨勢(shì)如圖1所示。

圖1 K2機(jī)組50%FP甩負(fù)荷至廠用電試驗(yàn)趨勢(shì)圖Fig.1 Test trend of load rejection from the 50%FP of K2 Unit to sation power supply

2.2 50%FP甩負(fù)荷至帶廠用電試驗(yàn)停堆原因分析

16時(shí)39分45秒，TSC需求總開度2TSC401KM觸發(fā)蒸汽旁排閥開度指令，要求TSC第1組蒸汽旁排閥調(diào)制開啟，但TSC第1組蒸汽旁排閥信號(hào)閥門未動(dòng)作；16時(shí)39分51秒，第1組蒸汽旁排閥快開信號(hào)觸發(fā)，閥門開始動(dòng)作，距調(diào)制開啟信號(hào)觸發(fā)時(shí)間間隔6s；16時(shí)39分53秒，第1組蒸汽旁排閥因快開信號(hào)全開，開啟時(shí)間2s，主蒸汽壓力最高達(dá)7.85MPa；穩(wěn)壓器壓力控制輸出響應(yīng)正常，穩(wěn)壓器噴淋閥開啟，但穩(wěn)壓器壓力上漲至16.47MPa（停堆定值16.45MPa）。

由上述試驗(yàn)過(guò)程分析可知，試驗(yàn)失敗的根本原因?yàn)門SC蒸汽旁排閥調(diào)制開啟響應(yīng)緩慢，從TSC蒸汽旁排閥調(diào)制開啟信號(hào)觸發(fā)，到TSC蒸汽旁排閥實(shí)際開啟，延遲時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。穩(wěn)壓器壓力從15.4MPa開始上漲至16.47MPa僅15s，TSC第1組蒸汽旁排閥從旁路閥總需求開度2TSC401KM觸發(fā)，到收到快開信號(hào)，時(shí)間間隔6s，閥門沒有動(dòng)作；直到第1組蒸汽旁排閥收到快開信號(hào)之后，第1組蒸汽旁排閥才全開，導(dǎo)致一回路過(guò)熱，穩(wěn)壓器壓力升至停堆定值以上，觸發(fā)停堆信號(hào)。

3 K2機(jī)組蒸汽旁排閥響應(yīng)延遲分析及優(yōu)化

蒸汽旁排閥門接收到調(diào)制開啟指令后，第1組閥門未立即動(dòng)作，接收到快開信號(hào)后才動(dòng)作。可能原因：①閥門定位器工作異常，不能實(shí)現(xiàn)調(diào)制開啟功能；②閥門氣路響應(yīng)異常。

3.1 閥門定位器工作異常分析

機(jī)組停堆后，對(duì)第1組閥門進(jìn)行靜態(tài)功能驗(yàn)證，強(qiáng)制蒸汽旁排閥允許開電磁閥S2、S3得電。在DCS側(cè)模擬閥門調(diào)制開啟指令，閥門正常動(dòng)作，調(diào)制開啟回路能正常工作，延遲2s左右，排除閥門定位器工作異常可能。

3.2 閥門氣路響應(yīng)異常分析

機(jī)組從高負(fù)荷甩負(fù)荷到帶廠用電運(yùn)行時(shí)，蒸汽旁排閥由反應(yīng)堆冷卻劑溫度與由汽機(jī)負(fù)荷整定的冷卻劑參考溫度之差控制的負(fù)荷需求由指令信號(hào)控制。來(lái)自核島控制系統(tǒng)的信號(hào)，控制每個(gè)旁路調(diào)節(jié)閥氣路上的3個(gè)電磁閥?？扉_電磁閥S1在收到快開信號(hào)時(shí)，旁通蒸汽旁排閥調(diào)制開啟控制回路，快速開啟蒸汽旁排閥。另外兩個(gè)電磁閥（S2、S3）為冗余的蒸汽旁排閥開啟允許電磁閥，只有兩個(gè)冗余電磁閥同時(shí)得電時(shí)，蒸汽旁排閥才能打開，蒸汽旁排閥氣路簡(jiǎn)圖如圖2所示。

圖2 蒸汽旁排閥氣路簡(jiǎn)圖Fig.2 Schematic diagram of turbine bypass valve

K2機(jī)組蒸汽旁排閥為雙氣缸設(shè)計(jì)，采用雙作用式定位器控制。現(xiàn)場(chǎng)閥門氣路結(jié)構(gòu)如圖3所示。因K2機(jī)組采用的兩位三通氣控閥（圖3藍(lán)框所示）通流能力不足，不能滿足閥門動(dòng)作時(shí)間要求，現(xiàn)場(chǎng)采用3個(gè)氣控閥并聯(lián)方案解決該問(wèn)題。3個(gè)氣控閥功能及型號(hào)一致，分析時(shí)可看作一個(gè)整體。

圖3 蒸汽旁排閥氣路圖Fig.3 The air path diagram of turbine bypass valve

3.2.1 調(diào)制開啟氣路分析

儀用壓空（800KPa）經(jīng)過(guò)689KPa減壓閥連接S2電磁閥、閥門定位器、下氣缸繼動(dòng)器、上氣缸繼動(dòng)器減壓閥（200KPa）。

S1快開電磁閥未得電時(shí)，受快開電磁閥S1控制的4個(gè)氣動(dòng)兩位三通閥（圖4黃框所示）控制氣路對(duì)空，氣壓為0KPa，氣動(dòng)閥不動(dòng)作，兩端氣路連通。

圖4 蒸汽旁排閥調(diào)制開啟氣路圖Fig.4 The air path diagram of turbine bypass valve modulation opening

S2、S3允許電磁閥均帶電時(shí)，經(jīng)過(guò)S2、S3電磁閥的控制氣流向如圖4橙色線所示。對(duì)應(yīng)4個(gè)兩位三通氣控閥動(dòng)作，調(diào)制控制氣路連通，如圖4藍(lán)色線所示。

定位器將接收到的DCS控制指令轉(zhuǎn)化為氣信號(hào)，分別控制上下氣缸氣路繼動(dòng)器，通過(guò)繼動(dòng)器控制旁路閥上下氣缸壓力，進(jìn)而調(diào)制開啟蒸汽旁排閥。

3.2.2 快速開啟氣路分析

S1、S2、S3電磁閥均帶電時(shí)，如圖5所示。圖中8個(gè)氣動(dòng)兩位三通閥均動(dòng)作，定位器控制氣路被旁通，下氣缸直接與氣源連接，進(jìn)氣壓力800KPa，快速進(jìn)氣。上氣缸通過(guò)氣動(dòng)兩位三通閥（上氣缸氣路黃框所示三通閥）與大氣相通，上氣缸快速排氣。

圖5 K2機(jī)組蒸汽旁排閥快速開啟氣路圖Fig.5 The air path diagram of turbine bypass valve fast opening

閥門上氣缸本體裝有1個(gè)兩位三通氣控閥，控制氣回路接入S1快開電磁閥后端。當(dāng)S1失電時(shí)，該兩位三通氣控閥不動(dòng)作，上氣缸不通過(guò)該兩位三通氣控閥排氣；當(dāng)S1得電時(shí)，該兩位三通氣控閥動(dòng)作，上氣缸對(duì)空排氣，縮短快開時(shí)間。

3.2.3 快速關(guān)閉氣路分析

當(dāng)S2、S3允許電磁閥任一失電時(shí)，蒸汽旁排閥氣路連通如圖6所示。上下氣缸氣路中，4個(gè)兩位三通氣控閥（圖6綠框所示）均恢復(fù)為初始位置，上氣缸直接與氣源相連，下氣缸對(duì)空，閥門快速關(guān)閉。

圖6 K2機(jī)組蒸汽旁排閥快速關(guān)閉氣路圖Fig.6 The air path diagram of turbine bypass valve fast opening

3.2.4 試驗(yàn)過(guò)程中蒸汽旁排閥控制氣路切換分析

蒸汽旁排閥控制試驗(yàn)過(guò)程中，氣路切換分析如下：甩負(fù)荷試驗(yàn)前，蒸汽旁排閥無(wú)允許開啟信號(hào)，電磁閥S2、S3處于失電狀態(tài)，氣路連通狀態(tài)為快關(guān)氣路狀態(tài)（如圖6所示），上氣缸與氣源直接連通，壓力800KPa。根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程：

其中，p為理想氣體的壓強(qiáng)；V為理想氣體的體積；n為氣體物質(zhì)的量（通常是摩爾）；R為理想氣體常數(shù)；T為理想氣體的熱力學(xué)溫度。由公式可知，氣體物質(zhì)的量與體積、氣體壓強(qiáng)成正比，氣體壓力體積、壓強(qiáng)越大，氣體物質(zhì)的量越大。甩負(fù)荷試驗(yàn)開始后，甩負(fù)荷速率大于15%FP/2min，第1組、第2組蒸汽旁排閥允許信號(hào)觸發(fā)，電磁閥S2、S3得電，閥門氣路由快關(guān)氣路切換至調(diào)制開啟氣路。調(diào)制開啟過(guò)程中，上氣缸氣體通過(guò)上氣缸氣路中的繼動(dòng)器排出，氣缸中氣體壓力越大，氣缸中所含氣體越多，排氣時(shí)間越長(zhǎng)，閥門開啟時(shí)間越長(zhǎng)，響應(yīng)時(shí)間越慢。

針對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中蒸汽旁排閥氣路切換過(guò)程分析，蒸汽旁排閥處于快關(guān)狀態(tài)下，上氣缸壓力過(guò)高是造成閥門調(diào)制開啟響應(yīng)延遲的主要原因。

3.3 蒸汽旁排閥響應(yīng)延遲解決方案

針對(duì)該氣路缺陷，有兩種解決方案：①更換通流能力更強(qiáng)的繼動(dòng)器或直接采用國(guó)內(nèi)成熟的氣路結(jié)構(gòu)，但K項(xiàng)現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法提供相關(guān)設(shè)備，國(guó)內(nèi)調(diào)貨嚴(yán)重影響調(diào)試工期；②直接改進(jìn)現(xiàn)有氣路結(jié)構(gòu)，在快關(guān)氣路增設(shè)減壓閥（圖7紅框所示）。與直接安裝在氣源與氣缸氣路連接三通閥后端相比，該安裝位置可在不影響快開氣路的情況下，降低閥門快關(guān)狀態(tài)時(shí)上氣缸壓力，理論上可有效縮短閥門調(diào)制開啟時(shí)的響應(yīng)延遲。

圖7 K2機(jī)組蒸汽旁排閥快關(guān)氣路優(yōu)化方案Fig.7 Optimization scheme of quick closing air path of turbine bypass valve of K2 unit

3.4 蒸汽旁排閥響應(yīng)延遲優(yōu)化方案驗(yàn)證

為保證優(yōu)化方案對(duì)降低蒸汽旁排閥響應(yīng)延遲有效，首先對(duì)2TSC119VV加裝減壓閥進(jìn)行驗(yàn)證。驗(yàn)證過(guò)程中，若先模擬開啟允許信號(hào)，S2、S3電磁閥得電后，閥門氣路狀態(tài)由快速關(guān)閉氣路切換至調(diào)制關(guān)閉氣路，上氣缸壓力高于200KPa，上氣缸繼動(dòng)器排氣，上氣缸氣壓逐漸下降至200KPa。RRC57試驗(yàn)過(guò)程中，調(diào)制開啟命令與允許信號(hào)幾乎同時(shí)出現(xiàn)，為充分模擬甩負(fù)荷試驗(yàn)工況，調(diào)制開啟時(shí)先模擬開度指令，再模擬開啟允許信號(hào)。

2TSC119VV減壓閥閥后壓力與閥門開啟響應(yīng)延遲時(shí)間關(guān)系見表1。開啟延時(shí)為指令發(fā)出到閥門閥位發(fā)生變化時(shí)間。

表1 加裝減壓閥后壓力與閥門響應(yīng)延遲數(shù)據(jù)表Table 1 Data table of pressure and valve response delay after installation of reducing valve

通過(guò)表1數(shù)據(jù)可知，經(jīng)過(guò)減壓閥減壓后，閥門響應(yīng)延遲時(shí)間明顯縮短，且開啟延遲時(shí)間隨著減壓閥閥后壓力的減小而縮短。由于氣路中各部件動(dòng)作均需要時(shí)間，延遲時(shí)間不可能無(wú)限小?？紤]帶載時(shí)閥門關(guān)閉嚴(yán)密性，減壓閥閥后壓力設(shè)置為300KPa。12個(gè)蒸汽旁排閥均加裝減壓閥，設(shè)定壓力為300KPa后，逐個(gè)測(cè)試，所有閥門響應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)見表2。延遲時(shí)間為指令發(fā)出到閥門閥位發(fā)生變化時(shí)間，全行程時(shí)間為閥門從開始動(dòng)作到收到全開反饋時(shí)間，快開時(shí)間為快開指令發(fā)出到收到全開反饋時(shí)間，快關(guān)時(shí)間為快關(guān)指令發(fā)出到收到全關(guān)反饋時(shí)間。

表2 K2機(jī)組蒸汽旁排閥氣路優(yōu)化后驗(yàn)證數(shù)據(jù)表Table 2 Verification data table of turbine bypass valve of K2 unit after air path optimization

由表2可知，加裝減壓閥并設(shè)定壓力為300KPa后，所有蒸汽旁排閥響應(yīng)延遲大大縮短，與預(yù)期相符，且動(dòng)作時(shí)間均滿足設(shè)計(jì)要求（調(diào)制開啟要求10s內(nèi)全開；快開要求第1組2.5s內(nèi)全開，第2組、第3組2s內(nèi)全開；快關(guān)要求5s內(nèi)全關(guān)）。

4 蒸汽旁排閥響應(yīng)延遲優(yōu)化后機(jī)組瞬態(tài)工況表現(xiàn)

蒸汽旁排閥響應(yīng)延遲優(yōu)化方案實(shí)施及驗(yàn)證后，機(jī)組重新達(dá)到50%FP功率平臺(tái)，再次執(zhí)行50%FP平臺(tái)甩負(fù)荷至廠用電試驗(yàn)。第2次試驗(yàn)一回路平均溫度較高，快開信號(hào)產(chǎn)生較第1次試驗(yàn)快，第1組蒸汽旁排閥迅速快開，穩(wěn)壓器壓力最高僅到15.67Mpa。其他試驗(yàn)參數(shù)均穩(wěn)定，試驗(yàn)順利完成。

機(jī)組后續(xù)瞬態(tài)試驗(yàn)過(guò)程中，蒸汽旁排閥響應(yīng)正常，及時(shí)排走系統(tǒng)熱量，一二回路參數(shù)正常，證明該方案有效消除了蒸汽旁排閥氣路設(shè)計(jì)缺陷，縮短了蒸汽旁排閥調(diào)制響應(yīng)延遲時(shí)間，滿足華龍一號(hào)蒸汽旁排閥設(shè)計(jì)要求，增強(qiáng)了K2機(jī)組應(yīng)對(duì)瞬態(tài)的能力。

5 結(jié)論

海外華龍一號(hào)蒸汽旁排閥是該閥門首次應(yīng)用于核電機(jī)組，受蒸汽旁排閥應(yīng)用工況多及氣路設(shè)備能力限制，氣路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，且沒有同類機(jī)組可供參考，對(duì)原因分析提出了極大的挑戰(zhàn)。

對(duì)于華龍一號(hào)K2機(jī)組蒸汽旁排閥響應(yīng)延遲不同工況下的氣路連通情況進(jìn)行分解，對(duì)機(jī)組從50%FP功率甩負(fù)荷至廠用電試驗(yàn)過(guò)程中的關(guān)鍵參數(shù)趨勢(shì)細(xì)致分析，查找出快關(guān)狀態(tài)下閥門上氣缸壓力大是閥門響應(yīng)延遲時(shí)間長(zhǎng)的根本原因，并針對(duì)性地提出了快關(guān)氣路中加裝減壓閥的處理方案，解決了此技術(shù)難題，為K2機(jī)組順利完成節(jié)點(diǎn)任務(wù)提供了有力保障。同時(shí)，此解決方案為K3機(jī)組排除了氣路設(shè)計(jì)缺陷，也為后續(xù)使用該閥門的機(jī)組提供了分析該閥門氣路缺陷的思路。