非能动反应堆蒸汽排放控制分析

董九虹

摘 要：汽轮机旁路排放系统以可控的方式将主蒸汽母管的蒸汽排放至凝汽器，从而最大程度地减少正常运行工况（包括启动、停堆和机组冷却）和非正常瞬态（包括汽机跳闸和阶跃降负荷）对反应堆冷却剂系统的影响。该文主要对其运行方式、控制和闭锁进行了阐述，并进行未能紧急停堆的预期瞬态（ATWS）下的事故分析，为运行和维护工作提供指导。

关键词：甩负荷蒸汽排放控制器 蒸汽母管压力控制器 未能紧急停堆的预期瞬态。

中图分类号：U224 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）05（b）-0062-02

1 概述

汽轮机旁路排放系统共设置六个旁排阀，每台凝汽器设置两个，在额定负荷主蒸汽压力时，可将40%额定主蒸汽流量直接排放至凝汽器。结合快速降功率系统的50%RTP能力和控制棒系统的10%RTP能力，最终可以实现电厂100%RTP甩负荷能力。

2 控制

汽轮机旁路排放系统有两种主要运行模式：温度控制模式和压力控制模式。

温度控制模式主要用于工作瞬态需要蒸汽排放的情况，如：汽轮机跳闸、甩负荷。此时，采用一回路平均温度Tavg和根据汽轮机冲动级压力计算得到的参考温度Tref之差，控制旁排阀的开度，最终使反应堆功率与汽轮机负荷相匹配。

6个阀门被分为两列，第一列（V002A、V002B、V002C）在蒸汽排放需求量小于50%内调节开启，在蒸汽排放需求量大于50%时快速全开。第二列（V003A、V003B、V003C）在50%至100%蒸汽排放需求范围内调节开启，在大于100%蒸汽排放需求时快速全开。阀门调节开启和快速全开的切换是通过阀门供气管线上的电磁阀C来完成的，下面的联锁中会详细介绍。

压力控制模式主要用于低功率运行和电厂冷却阶段。采用蒸汽母管压力和压力整定值的差值来控制旁排阀的开度。在低功率运行时，蒸汽发生器压力对蒸汽流量的响应较快，而一回路平均温度Tavg则对蒸汽流量的响应较慢，无法灵敏控制旁排阀开关。且此时蒸汽压力较高与大气释放阀的动作值相近，若采用温度控制模式可能导致蒸汽压力超过大气释放阀的设定值，而造成大气释放阀开启。因此，在低功率运行和电厂冷却时，汽轮机旁路排放系统采用压力控制模式。

系统设有两个控制器，分别用于两种控制模式下：甩负荷蒸汽排放控制器，用于温度控制模式；蒸汽母管压力控制器，用于压力控制模式。

甩负荷蒸汽排放控制器：偏差信号是超前/滞后补偿的Tavg和根据汽轮机冲动级压力计算得到的参考温度Tref之差。最终使反应堆功率与汽轮机负荷相匹配，温度偏差在控制棒调节能力范围内，终止蒸汽排放，可使电厂稳定在准备汽轮机/发电机重新投入工作和/或电网同步的状态。

蒸汽母管压力控制器：偏差信号是蒸汽母管压力和压力整定值的差值。压力整定值由操纵员根据期望的冷却速率和期望的反应堆冷却剂系统的温度手动调整。

3 联锁

汽轮机旁排阀是弹簧加载式的气动球阀。在失气或者没有控制信号的时候处于关闭的位置。定位器对控制系统（甩负荷蒸汽排放控制器或蒸汽母管压力控制器）来的信号进行转换，为阀门执行机构提供一个合适的空气压力来调节阀门的开度。电磁阀位于向旁排阀执行机构供气的管线上，具体位置见图1。它作为一种保护联锁来控制旁排阀的开闭。如果电磁阀动作，使供气管线失压，那么由于弹簧力的存在，阀门仍将处于关闭的位置。下面详细介绍一下4个电磁阀的控制信号和功能。

电磁阀A/B：当收到来自PMS的一回路平均温度Tavg低2（274℃）或主蒸汽隔离信号时，电磁阀A、B动作使旁排阀供气管线失压，所有旁排阀无法开启。但对于阀门V002A和V002B，可在非1E级远程停堆站和主控室1E级PDSP盘上手动复位该闭锁信号。

电磁阀C：对于第一列旁排阀（V002A、V002B、V002C），电磁阀C动作的设定值是50%。在来自于PLS的蒸汽排放需求量小于50%内时，电磁阀C不动作，压缩空气经过定位器，为阀门执行机构提供一个合适的空气压力，从而调节阀门的开度。在蒸汽排放需求量大于50%时，电磁阀C动作，将定位器旁路，压缩空气直接通过电磁阀C供向阀门执行机构，阀门快速开启。对于第二列旁排阀（V003A、V003B、V003C），动作原理同上，只是电磁阀C的设定值为100%。

电磁阀D：当PMS中判断凝汽器不可用或没有C7信号（在温度控制模式下）产生时，电磁阀D动作使旁排阀供气管线失压，闭锁旁排阀开启，防止在小负荷扰动时启动蒸汽排放。C7信号用于监测汽轮机降负荷速率，当降负荷速率超过预设值时，产生C7信号，解锁旁排阀。这个预设值相当于10%的阶跃降负荷或负荷线性降低大于5%/min。

4 未能紧急停堆的预期瞬态（ATWS）下的事故分析

以上旁排阀的闭锁信号均来自PMS和PLS，未能紧急停堆的预期瞬态（ATWS）时仍存在一定风险。当核电厂发生预期瞬态事故时，需要反应堆紧急停堆系统自动停堆，但由于反应堆保护系统发生共因失效而导致的停堆失效，这类瞬态称为未能紧急停堆的预期瞬态（ATWS）。导致反应堆停堆功能失效的因素有：（1）保护和监控系统（PMS）的停堆信号失效；（2）停堆断路器断开失效；（3）机械失效，钩爪失电后棒束控制组件（RCCA）不能落入堆芯。美国三代核电厂（AP1000）设有多样化驱动系统（DAS），在PMS发生共因失效时，DAS可为电厂提供保护信号并触发反应堆保护系统动作。

ATWS下，要求核电厂部件满足美国机械工程学会（ASME）规定的C级应力限制。AP1000核电厂ATWS事故的验收准则为反应堆冷却剂系统（RCS）峰值压力小于22.16 MPa。

因此，我们对AP1000 DAS的控制保护逻辑做出改进，修改蒸汽旁排逻辑，SG宽量程低水位触发蒸汽旁排隔离。下面，对失去主给水ATWS进行最终工况分析，检验AP1000核电厂应对ATWS事故的能力。

在基本工况的基础上，减小蒸汽旁排容量至20%和0%（工况2和工况3），结果见图2。2个工况的RCS峰值压力为23.34 MPa和22.93 MPa，与基本工况相比RCS峰值压力明显降低，但仍不满足验收准则。由于蒸汽旁排容量减小，SG水装量下降速度减缓，一、二次侧传热得到改善，从而导致RCS峰值压力降低。此外，蒸汽旁排容量较大情况下，当RCS出现峰值压力时，SG压力很低（接近1个大气压），SG传热管将承受较大压差。因此及早隔离蒸汽旁排不但可以明显降低RCS峰值压力，还能改善SG传热管所承受的压差。結果表明，采用改进后的DAS控制保护逻辑，有利于缓解最极限的失去正常给水ATWS事故。

5 结语

文章对汽轮机旁路排放系统的运行控制和闭锁方式，进行了详细描述。并分析了改进后的DAS控制保护逻辑，即SG宽量程低水位触发蒸汽旁排隔离，在未能紧急停堆的预期瞬态（ATWS）下，电站的事故响应能力。结果表明，采用改进后的DAS控制保护逻辑，有利于缓解极限的失去正常给水的ATWS事故。

参考文献

[1] 缪亚民.AP1000核电厂常规岛系统初级运行[M].北京：中国原子能出版传媒有限公司，2011.

[2] 濮继龙.大亚湾核电站运行教程（下）[M].北京：原子能出版社，1999.

[3] 张建民，姜晶.反应堆控制[M].北京：原子能出版社，2009.