福清5、6号核电机组汽轮机旁路系统（TSC）仪控设计

陈柯 王殳 黄奇 陈静

（中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术重点试验室，四川 成都 610041）

0 引言

福建福清5、6号核电机组采用我国完全自主知识产权的三代核反应堆，属于三环路百万千瓦级核电站。汽轮机旁路系统（排冷凝器部分）作为福清5、6核电厂中的重要系统，其作用是当发生汽轮机负荷速降时（例如甩负荷、汽轮机脱扣），反应堆的功率不能像汽轮机负荷的变化那样快，会瞬时出现堆功率与汽轮机负荷的不匹配，此时需要将汽轮机旁路系统投用，将多余蒸汽排放到凝汽器中为反应堆提供一个“人为”负荷，消耗反应堆产生的多余蒸汽。

1 福清5、6号机组汽轮机旁路系统（凝汽器部分）功能描述

福清5、6号核电项目中，汽轮机旁路系统（凝汽器部分）简称为TSC，其主要功能如下：

1）在电厂发生超过10%的阶跃降负荷瞬态或5%FP/Min的线性降负荷瞬态或者直接甩负荷到厂用电（最高允许甩掉100%的外部电网负荷）的情况下，通过将反应堆产生多余蒸汽排放至凝汽器从而避免出现反应堆紧急停堆或者蒸汽大气释放阀及主蒸汽安全阀的开启，从而重新建立起电厂一、二回路的热平衡。

2）在出现某些工况下出现汽轮机跳机，反应堆不至于停堆。

3）在电厂热停堆工况下，通过TSC的投用，使得反应堆一回路温度冷却到可以投用余热排出系统的水平，从而继续导出反应堆余热。

2 TSC系统仪控设计

2.1 系统配置

TSC系统设置12个蒸汽旁路控制阀，每个旁路阀搭配了一个手动的隔离阀。旁路阀中的六个安装在凝汽器A的旁路管线上，其余六个安装在凝汽器B的旁路管线上。需要说明的是，由于凝气器容量的提升，接受蒸汽的能力也在扩大，传统核电堆型设置的旁路蒸汽到除氧器的功能在本项目中已经取消。旁路阀门布置见图1。

图1 旁路阀门布置

蒸汽旁路阀分为三组，总的排放能力为额定工况下85%主蒸汽流量。每组排放量和阀门数量见表1：

表1 阀门分组情况

2.2 TSC系统的运行模式

根据运行工况的不同，TSC系统设置两种运行模式：

1）平均温度控制模式：也称作Tavg模式，用一回路平均温度实测值（Tavg）与工况点对应的参考温度（Tref）的偏差作为信号，控制TSC各组阀门开/闭，该模式适用于电厂高负荷（机组功率大于20%）且反应堆处于自动控制的状态。平均温度控制模式下设两个蒸汽排放控制回路。

A）甩负荷蒸汽排放控制回路：此控制回路是为了防止突然大的负荷下降引起的反应堆冷却剂温度上升太大。偏差信号是反应堆冷却剂平均温度Tavg经过超前滞后环节补偿后 （补偿电厂热响应和阀位运动的滞后）与汽轮机冲动级压力推导出来的参考温度Tref的差值。随着蒸汽的逐渐释放，偏差信号（Tavg-Tref）下降到控制棒能够作用的范围内，控制棒起到调节一、二回路负荷差的作用，蒸汽排放进而停止。

B）反应堆紧急停堆蒸汽排放控制回路：反应堆紧急停堆引起汽机跳闸，甩负荷蒸汽排放控制器此时不起作用，而反应堆紧急停堆蒸汽排放控制器投入工作。由于已经处于停堆状态，反应堆控制棒全部下插至堆底，所有功率调节棒组不可用，偏差信号需要选取经过超前/滞后补偿的冷却剂平均温度Tavg与零负荷参考温度Tref之间的差值。为防止反应堆过冷，设置有联锁信号以保证停堆控制回路最多只能控制第一、二组旁路阀，第三组旁路阀一直保持关闭状态。

TSC平均温度控制模式逻辑简图见图2。

图2 平均温度控制模式逻辑简图

2）压力控制模式：也称作P模式，用蒸汽母管压力测量值与其整定值之差作为信号，通过PI控制器控制TSC第一、二组旁路阀开启。该模式用于低负荷（机组功率小于20%）且反应堆功率处于手动控制模式。第三组旁路阀在P模式时同样处于强制闭锁状态，因为低功率水平下，不需要全部旁路阀投用。

低负荷时，压力控制是更为可取的模式。首先在低负荷时，反应堆冷却剂温度对蒸汽流量的响应很慢，而蒸汽压力对蒸汽流量的响应很快。其次在低负荷时，蒸汽压力与大气释放阀开启定值之间的裕量很小，用压力控制模式可以保证大气释放阀不至于非正常开启。

TSC压力控制模式逻辑简图见图3。

图3 压力控制模式逻辑简图

2.3 控制阀工作模式

蒸汽旁路控制阀的开启方式有两种：调制开启和快速开启。调制开启是指阀门按照调制信号的大小成正比例开启，其中第1组3个阀是一个接一个依次调制开启；第二组3个阀和第三组的6个阀都是同时调制开启的。阀门调节曲线见图4。

12个阀门都具备快速开启功能，蒸汽旁路排放控制系统按组为单位设置了若干快速开启定值，一旦温差信号大于快速开启定值，即产生快开信号，阀门快速开启，这是为了适应在瞬态工况下蒸汽排放的需求而设置的。快速开启模式只存在于温度控制模式，而压力控制模式下，由于电厂处于低负荷运行模式，发生甩负荷程度的程度比较低，所以压力模式没有设计旁路阀快开功能。

图4 各组旁路阀调节开启曲线

2.4 旁路控制阀联锁信号

为了避免因为控制器失效使得汽轮机旁路阀误开启，旁路系统设置有允许和闭锁信号作为联锁。

1）允许信号：为了防止在小的负荷扰动使蒸汽旁路阀动作，设置两个阈值比较器用于产生排放允许信号。该功能可以检测出汽机负荷下降速率。当甩负荷的速率超过定值时，即超过15%FP/min的速率下降时触发“允许A”信号，超过50%FP/min的甩负荷速率时触发“允许B”信号，两个信号分别解锁不同组别的蒸汽旁路阀，使其处于待排放状态。此外还有部分特殊工况也能产生排放允许信号。相关信息见图5。

图5 旁路控制阀允许信号

2）闭锁信号：设置了若干逻辑信号用于快关旁路阀。当出现以下事件时，应在2秒内快速闭锁不同组别的旁路阀，以防止蒸汽释放过多造成一回路平均温度过冷，影响反应堆负反应性。除了设计自动闭锁信号，旁路阀还设置有手动闭锁功能，提供给操作员一种紧急情况下快速关闭阀门的手段。相关信息见图6。

图6 旁路控制阀闭锁信号

2.5 控制阀结构

TSC旁路控制阀为气动阀，其控制回路由3个电磁线圈构成，分别是两个不同安全列的联锁电磁阀，用于接受从控制系统发出的阀门快关联锁信号；一个快速开启控制电磁阀，用于接受控制系统发出的旁路阀快开信号，三个电磁阀通过控制气动阀的气路开闭，从而实现旁路阀的快关和快开逻辑。另外旁路阀设置了一个气动定位器，用于接受由电气转换器发出的调制开闭信号。

图7

3 福清5、6号TSC系统仪控实现计划

福建福清5、6号机组是全数字化商用核电站，全厂仪控系统选用AREVA 和 Siemens的 TXS（1E）+SPPA-T2000（NC,NC+）的 DCS 平台。TSC系统由于不执行保护和专设功能，定义为NC级，在非安全级的SPPA-T2000平台实现。其主要实现流程是首先由设计院进行功能分析，逻辑设计，I/O清单编制，理论定值设置，控制阀规格书编制然后由DCS供货商根据设计院的提资分配控制机柜，分配I/O卡件和端子，进行逻辑组态，二层人机接口组态，阀门供货商根据规格书生产设备。设计院再根据DCS供货商和阀门供货商的卡件端子清单设计接线图，最终所有设备到现场后，由现场人员进行安装调试，参数优化，最终移交运行人员。

4 结束语

福岛事故以来，我国制定了更严格的核安全法规，也对核电站设计提出更高的要求。作为新开工的福清5、6号机组主要系统，TSC不管是概念设计，功能划分还是逻辑联锁设置、参数选取都遵循了安全与经济性兼顾的原则并满足三代核电厂的安全指标和国家相关法规。目前该系统已经完成初步设计并进入施工设计阶段，随着工程建设逐渐进入高潮，TSC的相关设计必将有条不紊，继续深化，并最终助力福清5、6号机组早日建成投产。