吳東鑫

（江蘇核電有限公司，江蘇 連云港 222042）

0 引言

田灣核電一期工程的汽輪發(fā)電機(jī)組采用俄羅斯供貨的K-1000-60-3000 型機(jī)組，汽輪機(jī)整套控制系統(tǒng)均由俄方設(shè)計(jì)院聯(lián)合德國(guó)西門子公司共同設(shè)計(jì)，調(diào)節(jié)系統(tǒng)為電液并存調(diào)節(jié)方式，而田灣核電二期工程采用由哈爾濱電氣股份有限公司設(shè)計(jì)和制造的HN1176-6.0 型半轉(zhuǎn)速汽輪發(fā)電機(jī)組，其對(duì)應(yīng)的原型機(jī)為AP1000 配套使用的TC6F-54 型汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組，該機(jī)組是一臺(tái)單軸、四缸六排汽帶中間汽水分離再熱器的反動(dòng)式凝氣式汽輪機(jī)[1]，其汽輪機(jī)控制系統(tǒng)由哈爾濱汽輪機(jī)廠聯(lián)合德國(guó)西門子公司負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)供貨，西門子數(shù)字蒸汽汽機(jī)控制器（STC）控制汽輪機(jī)調(diào)閥，從而達(dá)到控制蒸汽流量的目的[2]。國(guó)產(chǎn)汽輪發(fā)電機(jī)組與WWER-1000/428 型反應(yīng)堆匹配使用在國(guó)內(nèi)外均屬首次，且該型汽輪發(fā)電機(jī)為國(guó)內(nèi)外首臺(tái)商業(yè)運(yùn)行機(jī)組，俄方設(shè)計(jì)院和哈爾濱汽輪機(jī)廠的兩種設(shè)計(jì)路線在汽輪機(jī)的設(shè)計(jì)、運(yùn)行以及控制理念上有著較大的不同，主要體現(xiàn)在堆機(jī)協(xié)調(diào)配合、自動(dòng)化程度要求等方面，另外汽輪發(fā)電機(jī)組解列的功率平臺(tái)的規(guī)定也有所不同，上述差異對(duì)田灣二期工程堆機(jī)協(xié)調(diào)下汽輪機(jī)停機(jī)過程的控制帶來了較大的影響。為此本文對(duì)VVER-1000 型反應(yīng)堆以及TC6F-54 型汽輪機(jī)在停機(jī)過程的協(xié)調(diào)問題進(jìn)行詳細(xì)深入的分析，針對(duì)性地提出解決方案，為后續(xù)核電機(jī)組基于堆機(jī)協(xié)調(diào)下汽輪機(jī)自動(dòng)停機(jī)的順利設(shè)計(jì)提供了重要的參考。

1 VVER-1000型反應(yīng)堆以及TC6F-54型汽輪機(jī)的堆機(jī)協(xié)調(diào)方式

VVER-1000 型反應(yīng)堆以及TC6F-54 型汽輪機(jī)的堆機(jī)協(xié)調(diào)方式分為N 模式和T 模式兩種。

1.1 N模式

N 模式為機(jī)跟堆模式，反應(yīng)堆自動(dòng)功率控制系統(tǒng)（APC）控制堆功率，汽輪機(jī)控制系統(tǒng)（DEH）控制主蒸汽集管壓力，并維持主蒸汽集管壓力為6.02MPa，正常運(yùn)行期間旁排閥處于關(guān)閉狀態(tài)。

1.2 T模式

T 模式為堆跟機(jī)模式，反應(yīng)堆自動(dòng)功率控制系統(tǒng)（APC）控制主蒸汽集管壓力，并維持主蒸汽集管壓力為6.02MPa，汽輪機(jī)控制系統(tǒng)（DEH）控制電功率，正常運(yùn)行期間旁排閥處于關(guān)閉狀態(tài)。

1.3 機(jī)組啟動(dòng)以及瞬態(tài)工況下協(xié)調(diào)方式

在機(jī)組啟動(dòng)期間，反應(yīng)堆自動(dòng)功率控制系統(tǒng)（APC）控制堆功率穩(wěn)定，旁排閥處于打開狀態(tài)維持主蒸汽集管壓力，汽輪機(jī)控制系統(tǒng)（DEH）處于轉(zhuǎn)速模式，負(fù)責(zé)控制汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速，并按照設(shè)計(jì)速率沖轉(zhuǎn)至額定轉(zhuǎn)速1500RPM，在同期并網(wǎng)之后汽輪機(jī)控制系統(tǒng)（DEH）切換至負(fù)荷模式，提升機(jī)組負(fù)荷直至旁排閥關(guān)閉，在旁排閥全部關(guān)閉后汽輪機(jī)控制系統(tǒng)（DEH）切換至壓力模式，跟隨反應(yīng)堆同步提升電功率，直至機(jī)組滿功率運(yùn)行。

機(jī)組正常運(yùn)行期間如果出現(xiàn)甩負(fù)荷工況，旁排閥在主蒸汽集管壓力緊急上升時(shí)自動(dòng)打開，并維持主蒸汽集管壓力為6.27MPa，汽輪機(jī)控制系統(tǒng)（DEH）則自動(dòng)切換至負(fù)荷控制模式，在甩負(fù)荷工況結(jié)束之后，維持切換當(dāng)前電功率穩(wěn)定。

2 VVER-1000型反應(yīng)堆及TC6F-54型汽輪機(jī)在停機(jī)過程中的控制要求分析

2.1 VVER-1000型反應(yīng)堆在停機(jī)過程中的要求

在田灣核電一期工程中，正常停機(jī)時(shí)，APC（反應(yīng)堆自動(dòng)功率控制系統(tǒng)）處于N 模式下控制堆功率，汽輪機(jī)控制系統(tǒng)工作在壓力控制工況，控制主蒸汽集管壓力。隨著反應(yīng)堆工作在維持功率工況，降低機(jī)組負(fù)荷，當(dāng)汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)功率降低至300 MW 時(shí)即可準(zhǔn)備打閘停機(jī)，之后由操縱員使用后備盤事故停機(jī)按鈕，切除汽輪機(jī)[3]。同時(shí)汽輪機(jī)旁排閥通過快甩負(fù)荷信號(hào)降低旁排閥開啟定值，使旁排閥自動(dòng)開啟并維持主蒸汽集管壓力在6.27MPa。

根據(jù)田灣核電一期工程的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，反應(yīng)堆功率下降到比較低的水平并不利于反應(yīng)堆功率的穩(wěn)定控制。同時(shí)田灣一期汽輪機(jī)停運(yùn)過程中，為了在打閘停機(jī)時(shí)形成快速甩負(fù)荷信號(hào)，規(guī)定宜在電功率大于212MW 時(shí)，打閘停機(jī)[4]。

在田灣核電二期工程的設(shè)計(jì)階段，俄方設(shè)計(jì)院要求3、4 號(hào)機(jī)組汽輪機(jī)正常停機(jī)時(shí)反應(yīng)堆的功率平臺(tái)應(yīng)該維持在20%Nnom ～40%Nnom。

2.2 TC6F-54型汽輪機(jī)在停機(jī)過程中的要求

汽輪機(jī)的停機(jī)過程是一個(gè)降溫過程和冷卻過程，隨著機(jī)組溫度的下降，各部件受到不均勻的冷卻，也將產(chǎn)生熱變形和熱應(yīng)力[5]，在汽輪機(jī)正常停機(jī)過程中需要嚴(yán)格遵守主汽輪機(jī)運(yùn)行規(guī)程的相關(guān)規(guī)定。根據(jù)哈爾濱汽輪機(jī)廠提供的運(yùn)行規(guī)程中規(guī)定，TC6F-54 型汽輪機(jī)應(yīng)在5%的額定電功率平臺(tái)進(jìn)行解列并打閘停機(jī)[6]，以減小對(duì)缸體的損傷，延長(zhǎng)汽輪機(jī)的壽命。同時(shí)，在汽輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行導(dǎo)則中也規(guī)定：“將發(fā)電機(jī)有功負(fù)荷及無功負(fù)荷降至最低，然后再執(zhí)行停機(jī)操作”[7]。

3 汽輪機(jī)自動(dòng)停機(jī)順控設(shè)計(jì)過程中的問題以及分析

3.1 初步設(shè)計(jì)中汽輪機(jī)停機(jī)順控邏輯中存在的問題

由于該型國(guó)產(chǎn)汽輪發(fā)電機(jī)組與WWER-1000/428 型反應(yīng)堆匹配使用在國(guó)內(nèi)外均屬首次，無任何成熟經(jīng)驗(yàn)可以參考，所以原設(shè)計(jì)中廠家提供的汽輪機(jī)停機(jī)順控邏輯并不能滿足核島自動(dòng)功率控制器（APC）對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)停運(yùn)的限制要求，以及汽輪機(jī)在降負(fù)荷停機(jī)過程當(dāng)中的需要。

在原設(shè)計(jì)中，具體的停機(jī)步序如下：

A、停機(jī)順控允許條件：

汽輪機(jī)的電功率大于282MW。

B、在停機(jī)允許條件滿足的情況下，操縱員手動(dòng)投入停機(jī)順控，停機(jī)順控步序如下：

S1：設(shè)定負(fù)荷的目標(biāo)值為282MW，設(shè)置負(fù)荷的變化率為55MW/min。

當(dāng)電功率達(dá)到目標(biāo)值282MW 時(shí)，執(zhí)行下一步：

S2：將HOLD 按鈕激活。

將S1 步中設(shè)定的目標(biāo)值以及變化率鎖定。降負(fù)荷的限制條件滿足時(shí)，執(zhí)行下一步：

S3：將HOLD 按鈕激活。

將S1 步中設(shè)定的目標(biāo)值以及變化率鎖定。降負(fù)荷的限制條件滿足時(shí)，執(zhí)行S2 步。此時(shí)如果汽輪機(jī)電功率大于20% Pnom，則繼續(xù)循環(huán)執(zhí)行步序，如果汽輪機(jī)電功率小于20% Pnom，則執(zhí)行下一步：

S4：順控結(jié)束。

根據(jù)對(duì)上述汽輪機(jī)停機(jī)順控的分析，其中存在的主要問題有：

1）在降負(fù)荷期間，自動(dòng)功率控制器（APC）處于N 模式，即機(jī)跟堆模式，由反應(yīng)堆控制堆功率，汽輪機(jī)控制主蒸汽集管壓力。同時(shí)根據(jù)俄方的設(shè)計(jì)要求，反應(yīng)堆的堆功率需要保持不低于20%的功率，根本無法跟隨汽輪機(jī)降低至5% Pnom 的電功率平臺(tái)。

2）在自動(dòng)功率控制器（APC）處于N 模式下，如果反應(yīng)堆功率降至20%Nnom 維持不變，汽輪機(jī)控制系統(tǒng)處于壓力控制工況，也無法將電功率降低至5%Pnom。

3）堆機(jī)協(xié)調(diào)下的停機(jī)過程中，反應(yīng)堆的堆功率需要保持不低于20%Nnom，汽輪機(jī)的電功率又需要維持在5%Pnom 才能解列，這樣就需要引入旁排閥將多余蒸汽排至凝汽器，以維持主蒸汽集管壓力穩(wěn)定。當(dāng)汽輪機(jī)在電功率為5% Pnom 時(shí)解列停機(jī)，由于負(fù)荷量小，無法形成甩負(fù)荷信號(hào)，旁排閥門無法根據(jù)甩負(fù)荷信號(hào)立即打開，必須等待主蒸汽集管壓力從6.02MPa 上升到6.67MPa 時(shí)打開并維持主蒸汽集管壓力為6.27MPa。此時(shí)在APC-N 模式下，如果主蒸汽集管壓力大于APC-T 模式壓力額定值0.2MPa 時(shí)，自動(dòng)功率控制器（APC）會(huì)強(qiáng)制選擇并投入T 模式[8]，開始下插控制棒，如此將會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)堆功率持續(xù)降低，引入負(fù)反應(yīng)性。

綜上所述，旁排閥在停機(jī)過程中何時(shí)打開維持主蒸汽集管壓力以及APC 的模式也成為必須綜合分析考慮的問題。機(jī)組準(zhǔn)備停運(yùn)時(shí)，發(fā)電機(jī)負(fù)荷減少、解列或只帶廠用電負(fù)荷，而有了旁路系統(tǒng)的配合，可使核島逐漸降低負(fù)荷，直至核島停堆[9]。當(dāng)主蒸汽集管壓力升高時(shí)，如果旁排閥未及時(shí)準(zhǔn)確打開降低主蒸汽集管壓力，則可能觸發(fā)反應(yīng)堆PP1 預(yù)保護(hù)動(dòng)作，導(dǎo)致反應(yīng)堆功率持續(xù)降低。若旁排閥提前打開，又會(huì)導(dǎo)致主蒸汽集管壓力下降，一回路冷卻劑溫度降低，將對(duì)反應(yīng)堆引入正反應(yīng)性，同樣不利于機(jī)組穩(wěn)定，對(duì)機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行造成風(fēng)險(xiǎn)。

綜上所述，以及結(jié)合1.1 以及1.2 章節(jié)中的相關(guān)要求分析，目前的停機(jī)順控邏輯并不能滿足核島以及汽輪機(jī)在停機(jī)過程中的要求，也不滿足機(jī)組在正常運(yùn)行時(shí)的實(shí)際應(yīng)用。而對(duì)該停機(jī)順控進(jìn)行修改，需要對(duì)停機(jī)過程中的上述問題進(jìn)行詳細(xì)深入的分析以及提出相應(yīng)的解決辦法，為堆機(jī)協(xié)調(diào)下汽輪機(jī)停機(jī)順控的實(shí)現(xiàn)提供相關(guān)依據(jù)。

3.2 問題的分析以及解決措施

1）在核電廠中，反應(yīng)堆的安全處于最重要的地位，其余系統(tǒng)或設(shè)備均須適應(yīng)和配合反應(yīng)堆的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)際運(yùn)行，所以在停機(jī)過程當(dāng)中，自動(dòng)功率控制器（APC）應(yīng)處于N模式下，汽輪機(jī)控制系統(tǒng)（DEH）維持主蒸汽集管壓力，同時(shí)跟隨反應(yīng)堆功率下降，同步降低電負(fù)荷。所以當(dāng)反應(yīng)堆功率從100%Nnom 降至20%Nnom 后，反應(yīng)堆功率應(yīng)該維持不變。

圖1 汽輪發(fā)電機(jī)組自動(dòng)停機(jī)順控步序圖Fig.1 Step diagram of turbine automatic shutdown

2）在APC-N 模式下，在反應(yīng)堆功率降至20%Nnom維持不變后，汽輪機(jī)無法繼續(xù)跟隨反應(yīng)堆降低負(fù)荷，汽輪機(jī)負(fù)荷的繼續(xù)降低可以通過強(qiáng)制觸發(fā)DEH 的甩負(fù)荷通道，通過甩負(fù)荷通道既可以將DEH 的控制模式從壓力模式切換至負(fù)荷模式，同時(shí)又可以設(shè)定相應(yīng)的負(fù)荷目標(biāo)值以及負(fù)荷變化率，將電功率降低至5%Pnom。

3）在反應(yīng)堆功率維持不變，汽輪機(jī)降負(fù)荷的過程中，主蒸汽集管的壓力將會(huì)升高，由此將帶來APC 模式的切換，不利于機(jī)組穩(wěn)定控制。通過對(duì)APC 系統(tǒng)的工作特性以及旁排閥的工作模式的分析，制定了優(yōu)化思路：在汽輪機(jī)停機(jī)順控執(zhí)行之前，將自動(dòng)功率控制器（APC）切除自動(dòng)，或者將APC-T 模式主蒸汽集管壓力定值修改為6.27MPa。這樣，在停機(jī)過程中，就不會(huì)導(dǎo)致APC 模式發(fā)生改變。

圖2 汽輪發(fā)電機(jī)組自動(dòng)停機(jī)參數(shù)曲線圖Fig.2 Curve of turbine automatic shutdown

4）在反應(yīng)堆處于低功率運(yùn)行時(shí)，當(dāng)主蒸汽集管壓力在6.0MPa 時(shí)打開旁排閥，可能會(huì)導(dǎo)致一回路冷卻劑溫度低于280℃，將對(duì)反應(yīng)堆引入正反應(yīng)性，不利于機(jī)組穩(wěn)定。所以在停機(jī)前，將旁排閥的打開定值從6.67MPa 修改為6.27MPa，旁排打開后維持主蒸汽集管母管壓力為6.27MPa。

4 汽輪機(jī)停機(jī)順控的實(shí)現(xiàn)方案

4.1 汽輪機(jī)停機(jī)順控的說明

依據(jù)第2 章中對(duì)目前存在的問題分析以及制定的相關(guān)解決措施，最終整理形成整個(gè)停機(jī)順控的執(zhí)行方案。具體如下：

在停機(jī)過程中，APC（自動(dòng)功率控制系統(tǒng)）處于N 模式下，APC 控制反應(yīng)堆功率，汽輪機(jī)控制器處于壓力模式，控制主蒸汽集管壓力。當(dāng)反應(yīng)堆在APC-N 模式下降低核功率至20%Nnom 后，反應(yīng)堆功率維持不變，APC 退出自動(dòng)或者操縱員手動(dòng)將APC-T 模式的壓力設(shè)定值修改為6.27MPa，之后通過停機(jī)順控將旁排閥打開定值從6.67MPa修改到6.27MPa，并維持主蒸汽集管壓力6.27MPa。同時(shí)，將DEH 切換至功率模式（使用甩負(fù)荷通道runback 信號(hào)），以50MW/min 的速率自動(dòng)降低電功率到56MW（5%Pnom），然后與電網(wǎng)解列。之后經(jīng)操縱員確認(rèn)后，自動(dòng)執(zhí)行“關(guān)閉所有汽門”，并將旁排閥的打開定值恢復(fù)為6.67MPa，最后執(zhí)行汽輪機(jī)打閘停機(jī)。

4.2 汽輪機(jī)停機(jī)順控的步序

結(jié)合3.1 章節(jié)中對(duì)順控的描述，設(shè)計(jì)出具體的順控步序說明如圖1。

4.3 汽輪機(jī)停機(jī)順控的應(yīng)用與效果

上述章節(jié)中汽輪機(jī)停機(jī)順控的設(shè)計(jì)方案已在田灣二期工程中實(shí)際應(yīng)用，并在田灣二期工程調(diào)試期間對(duì)汽輪機(jī)自動(dòng)停機(jī)順序控制進(jìn)行了實(shí)際驗(yàn)證，整個(gè)停機(jī)過程各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作準(zhǔn)確、機(jī)組狀態(tài)平穩(wěn)，一次成功，同時(shí)滿足中俄各方對(duì)汽輪機(jī)自動(dòng)停機(jī)過程的所有的限制要求，圖2 為汽輪發(fā)電機(jī)組自動(dòng)停機(jī)各項(xiàng)參數(shù)曲線。

5 總結(jié)

本文以田灣核電站3、4 號(hào)機(jī)組汽輪機(jī)停機(jī)順控的實(shí)際問題為基礎(chǔ)，針對(duì)VVER-1000 型反應(yīng)堆以及TC6F-54 型汽輪機(jī)在停機(jī)過程中的控制要求進(jìn)行了詳細(xì)的分析，在充分考慮核島自動(dòng)功率控制系統(tǒng)（APC）和汽輪機(jī)控制系統(tǒng)（DEH）的控制特點(diǎn)以及旁排閥運(yùn)行模式的基礎(chǔ)上，對(duì)汽輪機(jī)的停機(jī)順控給出了詳盡的解決方案。本文中闡述的停機(jī)方式已在田灣二期工程中實(shí)現(xiàn)并應(yīng)用，在調(diào)試和生產(chǎn)階段進(jìn)行了多次實(shí)際驗(yàn)證，整個(gè)汽輪機(jī)停機(jī)過程中堆機(jī)協(xié)調(diào)穩(wěn)定，各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作準(zhǔn)確、機(jī)組狀態(tài)平穩(wěn)，能夠滿足核電機(jī)組實(shí)際運(yùn)行需求，為其他核電廠提高自動(dòng)化水平以及解決此類問題提供了重要參考。

表1 汽輪發(fā)電機(jī)組自動(dòng)停機(jī)參數(shù)Table 1 Parameter of turbine automatic shutdown