320MW機(jī)組甩負(fù)荷瞬態(tài)及提高甩負(fù)荷成功率方法分析

趙子毅

【摘 要】甩負(fù)荷事故對(duì)電廠來(lái)說(shuō)是一種嚴(yán)重的事故，尤其是當(dāng)甩負(fù)荷失敗后可能對(duì)反應(yīng)堆、汽輪機(jī)、安全指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)性等諸多方面造成不利的影響。本文通過(guò)對(duì)甩負(fù)荷后瞬態(tài)的分析，及甩負(fù)荷后各參數(shù)的變化，提出了幾條提高甩負(fù)荷成功的建議。

【關(guān)鍵詞】320MW核電機(jī)組；甩負(fù)荷；蒸汽發(fā)生器液位；成功率

中圖分類號(hào)： TM623 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）20-0031-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.20.011

【Abstract】Load rejection accident is a serious accident to a plant.It is bad to the safety of the reactor， the safety of steam turbine， safety indicators， economy when the Load rejection failure. Based on the analysis of the transient Load rejection and the changes of the parameters，proposing several recommendations to improve the success of Load rejection.

【Key words】320MW nuclear power plant； Load rejection； The level of steam generator； Success rate

1 甩負(fù)荷成功的意義

秦山30萬(wàn)機(jī)組的甩負(fù)荷事故分為兩類：一類是由于電網(wǎng)或母線故障而跳開(kāi)2001M，帶廠用電運(yùn)行；另一類是2001B非全相保護(hù)動(dòng)作三相跳閘，汽機(jī)空載運(yùn)行。當(dāng)30萬(wàn)機(jī)組發(fā)生甩負(fù)荷事故后，如果甩負(fù)荷失敗，汽輪機(jī)停機(jī)將造成諸多不利的影響。第一，若P10信號(hào)存在，汽輪機(jī)停機(jī)將導(dǎo)致反應(yīng)堆停堆，影響生產(chǎn)指標(biāo)，同時(shí)控制棒快速落到堆底，可能對(duì)控制棒造成損壞。第二，若汽輪機(jī)停機(jī)，主汽門將快速關(guān)閉，而失去外電負(fù)荷調(diào)門將自動(dòng)關(guān)閉，主汽門關(guān)閉速度比調(diào)門關(guān)閉速度快，所以若甩負(fù)荷失敗導(dǎo)致汽機(jī)停機(jī)比甩負(fù)荷成功所引起的反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)壓力、溫度和水容積的瞬態(tài)的嚴(yán)重性更大。第三，汽輪機(jī)的運(yùn)行可靠直接影響著機(jī)組本身的安全性和機(jī)組的使用壽命，機(jī)組頻繁的啟停以及變負(fù)荷運(yùn)行而產(chǎn)生的交變應(yīng)力可能損壞轉(zhuǎn)子。第四，當(dāng)2001M跳閘后，汽輪發(fā)電機(jī)的正常運(yùn)行保證了給廠內(nèi)負(fù)荷供電的可靠性，不但保證了反應(yīng)堆的安全，也減小了對(duì)廠內(nèi)用電設(shè)備的危害。第五，當(dāng)2001B跳閘后，汽輪機(jī)不停機(jī)減少了機(jī)組再次并網(wǎng)的時(shí)間，更具經(jīng)濟(jì)性。

2 甩負(fù)荷事故后對(duì)各系統(tǒng)參數(shù)的影響

2.1 對(duì)轉(zhuǎn)速的影響

當(dāng)發(fā)生甩負(fù)荷故障后，由于轉(zhuǎn)子阻力矩降低，汽輪機(jī)組會(huì)超速。此時(shí)DEH進(jìn)入轉(zhuǎn)速控制模式，OPC超前器功能啟動(dòng)，迅速關(guān)閉調(diào)門和再熱調(diào)門，防止汽機(jī)超速。核電汽輪機(jī)組蒸汽為飽和蒸汽，參數(shù)低，容量大，汽輪機(jī)的通流部分表面與腔室、汽水分離再熱器和回?zé)岢槠艿乐芯采w著厚約幾十微米的水膜，在個(gè)別處水膜的厚度可達(dá)幾百微米，水膜中所包含的大量水分處于飽和狀態(tài)，當(dāng)發(fā)生甩負(fù)荷事故時(shí)，機(jī)組同流部分壓力下降，水膜蒸發(fā)形成蒸汽，成為機(jī)組二次及多次超速的原因之一。秦山30萬(wàn)機(jī)組超速保護(hù)控制器設(shè)定超速保護(hù)值為103%，當(dāng)OPC檢測(cè)到汽機(jī)超速103%后，迅速關(guān)閉調(diào)門和再熱調(diào)門，防止汽機(jī)二次超速。下圖為30萬(wàn)機(jī)組50%、100%甩負(fù)荷試驗(yàn)時(shí)的相關(guān)趨勢(shì)。

由于汽輪機(jī)的超速而導(dǎo)致的頻率增加將增加冷卻劑流量，增加的反應(yīng)堆的安全裕度。但是若DEH調(diào)速系統(tǒng)故障，有可能導(dǎo)致棒電源機(jī)組及主泵等設(shè)備跳閘，從而導(dǎo)致反應(yīng)堆停堆。當(dāng)OPC自動(dòng)動(dòng)作正常時(shí)，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速將控制在合理范圍內(nèi)，能保證重要負(fù)荷正常運(yùn)行，將增大甩負(fù)荷成功的概率。此外，當(dāng)發(fā)生甩負(fù)荷故障時(shí)，機(jī)操要關(guān)注汽機(jī)振動(dòng)、金屬溫度、軸向位移等參數(shù)，若超過(guò)限值，要迅速手動(dòng)停機(jī)。

2.2 對(duì)反應(yīng)堆冷卻劑平均溫度、穩(wěn)壓器壓力、液位的影響

由于甩負(fù)荷故障后，調(diào)門快速關(guān)閉，蒸汽流量突然減小，蒸汽發(fā)生器殼側(cè)壓力升高。與此同時(shí)，蒸汽發(fā)生器傳熱能力減小，反應(yīng)堆冷卻劑平均溫度升高和體積膨脹，從而導(dǎo)致冷卻劑向穩(wěn)壓器流動(dòng)，引起反應(yīng)堆冷卻劑壓力升高。隨后隨著控制棒的下插、穩(wěn)壓器壓力控制系統(tǒng)（噴淋）動(dòng)作及旁排或大氣釋放閥的動(dòng)作，反應(yīng)堆冷卻劑平均溫度、穩(wěn)壓器壓力液位下降。下圖為30萬(wàn)機(jī)組75%甩負(fù)荷試驗(yàn)時(shí)的相關(guān)趨勢(shì)。

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，甩負(fù)荷事故對(duì)秦山30萬(wàn)機(jī)組反應(yīng)堆冷卻劑平均溫度及穩(wěn)壓器的壓力和液位影響并不大，自動(dòng)控制系統(tǒng)可以將各參數(shù)控制在要求的范圍內(nèi)。所以在甩負(fù)荷事故后，堆操要盡快確認(rèn)自動(dòng)控制系統(tǒng)是否相應(yīng)正常。若動(dòng)作異常，應(yīng)迅速手動(dòng)調(diào)節(jié)。需要注意的是：甩負(fù)荷后，若C5信號(hào)存在，控制棒不會(huì)自動(dòng)提升，控制棒應(yīng)手動(dòng)控制平均溫度。

2.3 對(duì)蒸汽發(fā)生器液位的影響

下圖是C2調(diào)試50%甩負(fù)荷試驗(yàn)時(shí)蒸汽發(fā)生器液位的變化趨勢(shì)：

從圖中可以看出，甩負(fù)荷的瞬間，由于調(diào)門的關(guān)閉，蒸汽流量下降，蒸汽壓力上升，蒸汽發(fā)生器窄量程水位由于虛假水位迅速下降。隨后旁排動(dòng)作，蒸汽壓力釋放，蒸汽發(fā)生器液位上升。隨著程序液位的降低，主給水調(diào)節(jié)閥關(guān)小，主給水流量降低，蒸汽發(fā)生器液位開(kāi)始下降。由于堆機(jī)功率不匹配，旁排閥的頻繁動(dòng)作，使蒸汽發(fā)生器液位不斷波動(dòng)。此外，旁排閥的頻繁動(dòng)作，使汽輪機(jī)的沖動(dòng)級(jí)壓力波動(dòng)，從而使參考平均溫度及蒸汽發(fā)生器程序液位不斷波動(dòng)，堆機(jī)功達(dá)平衡調(diào)節(jié)時(shí)間較長(zhǎng)。

2.4 對(duì)發(fā)電機(jī)端電壓的影響

甩負(fù)荷后，頻率增加，端電壓升高，由于為恒端電壓控制方式，晶閘管導(dǎo)通角減小，發(fā)電機(jī)無(wú)功減小，端電壓降至18KV。若AVR調(diào)節(jié)過(guò)慢，可能導(dǎo)致發(fā)電機(jī)過(guò)電壓保護(hù)。

2.5 對(duì)主給水系統(tǒng)的影響

由于汽輪機(jī)超速保護(hù)動(dòng)作，各抽汽逆止閥關(guān)閉。低加抽汽的隔離造成進(jìn)入除氧器的凝結(jié)水溫度降低，高加抽汽的隔離造成高加至除氧器的疏水減少，加上除氧器本身四段抽汽的喪失，使除氧器的壓力迅速降低，但是除氧器內(nèi)部的水溫變化較壓力有一定的滯后，導(dǎo)致除氧器壓力小于入口給水溫度對(duì)應(yīng)的飽和壓力，則很有可能導(dǎo)致主給水泵前置泵發(fā)生汽蝕，而前置泵的汽蝕導(dǎo)致主給水泵汽蝕，從而損壞主給水泵。

若主給水泵小流量再循環(huán)閥沒(méi)有打開(kāi)，主給水流量低導(dǎo)致泵體內(nèi)水溫度升高，同樣會(huì)造成主給水泵的汽蝕。

3 提高甩負(fù)荷的成功概率的方法及建議

根據(jù)前面的分析，甩負(fù)荷不成功主要的原因有：轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)不佳，導(dǎo)致重要設(shè)備跳閘，從而導(dǎo)致停堆；機(jī)組振動(dòng)、潤(rùn)滑油溫度超標(biāo)導(dǎo)致停機(jī)停堆；主給水泵汽蝕，喪失主給水；發(fā)電機(jī)端電壓過(guò)高；蒸汽發(fā)生器液位由于虛假液位停機(jī)或停堆。針對(duì)不成功原因，提高成功的方法有下：

3.1 提高DEH的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)性能，加強(qiáng)對(duì)汽輪機(jī)的疏水

通過(guò)試驗(yàn)可以看到秦山30萬(wàn)機(jī)組DEH調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的性能較好，甩負(fù)荷后頻率能保持在合理的范圍內(nèi)，并且最后穩(wěn)定運(yùn)行，可以保證設(shè)備可靠運(yùn)行。

通流部分水膜壓力突降變成蒸汽是秦山30萬(wàn)機(jī)組汽輪機(jī)超速的主要原因之一，因此甩負(fù)荷后檢查汽輪機(jī)本體疏水是否正常打開(kāi)非常有必要。甩負(fù)荷事故發(fā)生后，常規(guī)島值班員應(yīng)迅速檢查汽機(jī)本體疏水閥、導(dǎo)氣管通風(fēng)閥是否打開(kāi)。若疏水閥不能正常動(dòng)作，則手動(dòng)打開(kāi)相關(guān)疏水閥。

3.2 保證二回路重要系統(tǒng)的正常運(yùn)行

甩負(fù)荷事故發(fā)生后，因?yàn)楦髦匾到y(tǒng)都在自動(dòng)控制下進(jìn)行調(diào)節(jié)，所以在確認(rèn)完自動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)作正常、輔助蒸汽切換后，主控及現(xiàn)場(chǎng)均應(yīng)立即檢查二回路重要系統(tǒng)（工業(yè)水系統(tǒng)、定轉(zhuǎn)子冷卻水水系統(tǒng)、潤(rùn)滑油系統(tǒng)）的設(shè)備是否運(yùn)行正常，若發(fā)生誤跳，應(yīng)盡快恢復(fù)，尤其要關(guān)注主給水再循環(huán)閥動(dòng)作是否正常，若沒(méi)有打開(kāi)，立即手動(dòng)打開(kāi)，保證二回路相關(guān)設(shè)備的安全運(yùn)行。

3.3 快速進(jìn)行輔助蒸汽汽源的切換，維持除氧器壓力液位

當(dāng)發(fā)生甩負(fù)荷事故后，應(yīng)迅速打開(kāi)輔助蒸汽供汽閥FZQ-01V，關(guān)閉汽輪機(jī)一級(jí)抽汽截止閥FZQ-03V，恢復(fù)輔助蒸汽母管供汽，并確認(rèn)除氧器恢復(fù)定壓運(yùn)行，維持除氧器壓力在0.5kg/cm2，以防止主給水泵發(fā)生汽蝕。此外，由于除氧器液位在60%功率以上是三沖量調(diào)節(jié)，甩負(fù)荷后將自動(dòng)切換為單沖量調(diào)節(jié)。因此，甩負(fù)荷后要檢查除氧器液位控制的程序液位設(shè)定是否正常，盡量保證除氧器液位在較高液位運(yùn)行，這也是防止主給水泵汽蝕的方法之一。

3.4 控制發(fā)電機(jī)的端電壓

甩負(fù)荷后發(fā)電機(jī)端電壓升高，必要時(shí)可將AVR切手動(dòng)，降低發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流，防止發(fā)電機(jī)定子過(guò)電壓保護(hù)動(dòng)作23.4KV。停止不必要的設(shè)備，保留一臺(tái)主給水泵、一臺(tái)凝結(jié)水泵、一臺(tái)凝升泵、兩臺(tái)循泵運(yùn)行，防止過(guò)多設(shè)備運(yùn)行影響發(fā)電機(jī)的端電壓和頻率。

3.5 減小調(diào)節(jié)過(guò)程中蒸汽發(fā)生器液位的波動(dòng)，加強(qiáng)對(duì)蒸汽發(fā)生器液位的監(jiān)視

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)中可以看出，在事故發(fā)生的瞬態(tài)，由于旁排閥動(dòng)作的滯后，蒸汽發(fā)生器蒸汽壓力升高，造成的虛假液位非常明顯，可能造成停堆。但是由于事故的發(fā)生往往是不能預(yù)期的，所以瞬態(tài)的調(diào)節(jié)取決于自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的特性，人為無(wú)法干預(yù)。但是，人為可以控制瞬態(tài)過(guò)后蒸汽發(fā)生器的液位。

低功率時(shí)，平均溫度對(duì)蒸汽流量變化響應(yīng)較慢，旁排控制系統(tǒng)穩(wěn)定性下降。因此，待冷卻劑平均溫度與參考平均溫度相差小于0.6℃后，將旁排控制方式開(kāi)關(guān)置“壓力”模式，提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

甩負(fù)荷事故發(fā)生后，在低功率下由于蒸汽/給水流量低不宜測(cè)量且蒸汽流量波動(dòng)大，再加上蒸汽發(fā)生器空泡份額低，核功率變化對(duì)蒸汽發(fā)生器窄量程液位變化影響較大。此外，旁排的頻繁動(dòng)作使虛假液位明顯，操縱員很難判斷蒸汽發(fā)生器真實(shí)的液位，蒸汽發(fā)生器的液位調(diào)節(jié)困難較大。蒸汽發(fā)生器寬量程液位反映的是蒸汽發(fā)生器的水裝量。較窄量程而言，寬量程能較快的反映出蒸汽發(fā)生器真實(shí)液位的變化趨勢(shì)。因此，若在CB504的計(jì)算機(jī)上加入蒸汽發(fā)生器寬量程的變化趨勢(shì)，操縱員可結(jié)合寬窄量程液位對(duì)蒸汽發(fā)生器真實(shí)液位的進(jìn)行判斷，以便需要手動(dòng)干預(yù)蒸汽發(fā)生器液位時(shí)，提供液位控制的判斷依據(jù)。

從C2調(diào)試50%甩負(fù)荷試驗(yàn)的圖中可以看出，調(diào)節(jié)過(guò)程中蒸汽發(fā)生器液位的波動(dòng)，是汽輪機(jī)甩負(fù)荷至空載失敗的重要原因之一。旁排的頻繁動(dòng)作，是導(dǎo)致蒸汽發(fā)生液位波動(dòng)的主要原因。若能旁排保持一定開(kāi)度，將減小蒸汽發(fā)生器液位的波動(dòng)。手動(dòng)提高核功率，可使旁排保持一定的開(kāi)度。但是，核功率應(yīng)該保持P10出現(xiàn)值以下，避免意外停機(jī)造成停堆。

假設(shè)核電廠的傳熱效率均為100%，即核功率完全傳遞給蒸汽，汽機(jī)空載蒸汽流量約7%，即約140T/h，核功率為W，旁排的質(zhì)量流量MT/h，在焓熵表上查得6.3Mpa.下飽和蒸汽的焓h1是2781KJ/Kg，飽和水的焓h2是1230KJ/Kg，對(duì)應(yīng)的熱平衡有：

W=（M+140）×（h1-h2）

帶入數(shù)值，可以求得，當(dāng)核功率是80MW時(shí)，旁排的流量約為45T/h；當(dāng)核功率是85MW時(shí)，旁排的流量約為58T/h。將核功率保持在80MW至85MW之間應(yīng)能保證旁排有開(kāi)度，若旁排開(kāi)度過(guò)小，可手動(dòng)調(diào)小給定壓力，使旁排有穩(wěn)定的開(kāi)度（開(kāi)到多少？）。

綜上所述，甩負(fù)荷發(fā)生后，為了維持蒸汽發(fā)生器的水位，待冷卻劑平均溫度與參考平均溫度相差小于0.6℃后，我們需要做到并且建議：

將旁排自動(dòng)控制模式切換至“壓力”控制模式。

將控制棒投手動(dòng)，手動(dòng)提升控制棒，提高核功率至80MW～85MW，使旁排閥一直處于開(kāi)啟狀態(tài)。

當(dāng)蒸汽流量<20%額定流量后，將主給水切換到單沖量控制，減小蒸汽流量變化對(duì)主給水調(diào)節(jié)閥開(kāi)度的影響。

在CB504的計(jì)算機(jī)上加入蒸汽發(fā)生器寬量程的變化趨勢(shì)，必要時(shí)結(jié)合窄量程液位和寬量程變化趨勢(shì)手動(dòng)調(diào)節(jié)蒸汽發(fā)生器液位。當(dāng)虛假液位明顯時(shí)，參考核功率調(diào)節(jié)主給水流量。

3.6 加強(qiáng)運(yùn)行人員的培訓(xùn)

由于甩負(fù)荷事故不經(jīng)常發(fā)生，所以為了防止發(fā)生該事故時(shí)各崗位不知所措，需每年對(duì)主控及常規(guī)島值班員進(jìn)行培訓(xùn)。主控室人員可在模擬機(jī)訓(xùn)練時(shí)模擬該事故，檢驗(yàn)操作員是否響應(yīng)正確，配合是否默契。常規(guī)島值班員應(yīng)學(xué)習(xí)理論知識(shí)，清楚發(fā)生甩負(fù)荷事故后，應(yīng)該檢查哪些設(shè)備、閥門，減少事故的處理時(shí)間，防止事故擴(kuò)大。

4 結(jié)論

甩負(fù)荷事故嚴(yán)重危害著核電站的安全運(yùn)行，尤其是當(dāng)甩負(fù)荷失敗后，將對(duì)反應(yīng)堆、汽輪機(jī)、安全指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)性等諸多方面造成不利的影響。本文分析了甩負(fù)荷事故對(duì)轉(zhuǎn)速、反應(yīng)堆冷卻劑溫度、壓力、蒸汽發(fā)生器液位、發(fā)電機(jī)端電壓及主給水系統(tǒng)的影響，并通過(guò)對(duì)秦山30萬(wàn)機(jī)組及C2甩負(fù)荷試驗(yàn)結(jié)果分析，提出了事故發(fā)生后提高甩負(fù)荷成功率的方法及建議。希望本文能對(duì)發(fā)生甩負(fù)荷事故后的處理有一定的幫助。

【參考文獻(xiàn)】

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