停机不停堆后的风险分析及其控制措施探讨

杜春列，吴雪松

（海南核电有限公司，海南 海口 570125）

1 满功率运行时发生停机不停堆后，反应堆控制系统的控制目标

核电机组由于其特殊性和设计上的原因，一般不参与调峰。另外，因核电属于清洁能源，符合我国提倡节能减排、发展低碳经济的指导方针，所以除大修期间外，一般处于满功率运行，此时，一回路产生的功率与二回路功率匹配，同时一回路平均温度（Tav）=一回路参考温度（Tref）=310 ℃。当汽轮机停机后[汽轮机跳闸（C8）信号产生]，GCT凝汽器排放系统运行，此时汽轮机进汽压力为零，不能代表二回路的总负荷。在这种情况下，需要人为设置一个功率数值（20%Pn），我们称为最终功率整定值。此时，反应堆控制系统的控制目标将会是什么？停机后，一回路负荷都是一定的吗（20%Pn）？

图1 反应堆功率调节和最终功率整定值Fig.1 Nuclear power regulation and final power set point

由图1可以看出，当汽轮机停机，C8信号产生，则继电器RGL402XR带电，将停机前汽轮机压力记忆，同时旁路MS的信号，接通记忆的汽轮机压力信号与20%Pn的低选值，该低选值（20%Pn）送GCT系统，同时与当前实际的汽轮机压力（停机后，调门关闭，汽轮机压力为零）高选后，送控制棒功率调节系统（还是20%Pn）。经参考平均温度函数发生器，变成Tref，此时Tref＝20%/100%×（310-290.8）＋290.8=294.64，而此时一回路平均温度Tav由于汽轮机停机，二回路负荷减少，而先升温（如图2、图3所示），则Tav大于Tref16 ℃左右，根据棒速单元曲线，控制棒将以最大速率插棒（即72步/min）。查物理曲线，在C棒未叠步下插时，D棒的平均微分价值为5 pcm/步左右。棒速乘以棒的微分价值则可以估算出控制棒每分钟引入360 pcm的负反应性，因此对寿期初的核电机组来说（功率亏损大约是1 200 pcm），每分钟功率下降20%左右；对寿期末的核电机组来说（功率亏损大约是2 400 pcm），每分钟功率下降15%左右，而15%的功率对应的参考温度为3 ℃左右。

当一、二回路温差超过2.8 ℃时，控制棒就会失去控制能力。所以仅仅依靠控制棒下插，是跟不上二回路负荷变化的。此时就需要GCTC旁路系统运行来带走一回路多余的热量。为了防止控制棒与GCT-C的功能重叠，GCT-C在温度模式下设置了3 ℃的死区，只有当一、二回路温差超过3 ℃，GCT-C才有开度。为了加快GCT-C的响应速度，还设置了快开方式。一旦GCT排凝汽器阀开启后，随着Tav与Tref温差的减少，GCT-C开度将逐渐减少，当高选冷却剂温度Tavg,max与Tref差值低于3 ℃时，这部分开度为零。即当Tavg,max高出Tref在3 ℃以内时，由棒控系统来调节。而棒控系统调节的最终目标是Tavg,max与Tref的偏差在±0.83 ℃。所以反应堆停机不停堆后，反应堆控制系统的最终目标是Tavg,max在294 ℃左右，而不是20%Pn。那么停机不停堆后，核功率是多少呢？

2 满功率运行时发生停机不停堆后，影响反应堆功率的因素

由图1可以看到，GCT-C温度模式下，反应堆不停堆时的开度信号由两部分组成：一部分是上面提到的，用来补偿控制棒调节能力的不足，这部分开度最终为零；另一部分则用来补偿实际汽轮机负荷与最终功率整定值的不足部分。对于汽轮机停机来说，这部分开度始终是19%。所以停机不停堆瞬态过后，GCT-C的最终开度是19%。按照GCT-C系统手册上的设计基准，这部分对应的负荷大约是19%×0.85=16%，再加上二回路其他的可能用汽量，包括蒸汽转换系统（STR）、汽轮机轴封系统（CET）、给水除氧器系统（ADG）等，二回路负荷在20%左右，符合最终功率整定值为20%的设计要求。

但是GCT-C固定19%开度这部分的负荷不是固定不变的，取决于凝汽器是否为真空状态、蒸汽母管的压力等，而二回路其他用汽量也有可能变化。所以停机不停堆时，二回路的功率并不是固定的，但通过反应堆自稳性的作用，一回路功率能达到与二回路负荷相匹配。所以我们可以肯定的是，如果把每次停机不停堆瞬态过后与达到稳定的数据比较的话，Tavg,max一定都在（294.6±0.83）℃，而一回路功率会有偏差。如图2曲线所示：停机不停堆瞬态过后，Tavg,max与Tref的偏差在±0.83 ℃内，GCT-C开度固定为18.97%，最终功率整定值为20%，而核功率为26%。图3给出了机组上满功率运行发生停机不停堆的曲线。从图中也可以看出，停机不停堆稳定后，平均温度为294.6℃，核功率为23%。

3 满功率运行时发生停机不停堆后，当反应堆核功率超过30%时的停堆风险及应对措施

如果瞬态过后，由于二回路负荷增加导致核功率超过30%Pn（堆功率大于定值（P16信号）存在），有没有停堆的风险呢？由图4可以看到，此时C8信号存在，P16信号存在，能否停堆取决于是否有凝汽器不可用信号或GCT-C不可用信号。

GCT-C不可用信号包括3个子信号：GCT旁通隔离阀未全开、蒸汽排放闭锁信号及无GCT402XU2信号。我们仅仅讨论此时核功率大于P16，但小于50%的情况，所以只考虑GCT-C前两组排放阀的闭锁信号，他们包括凝汽器不可用信号（C9非）、冷却剂平均温度低于定值（P12）、GCT502CC置于闭锁位置、无汽轮机甩负荷15%FP/2S（C7A）信号。

停机不停堆瞬态后，Tavg,max在294 ℃左右，所以P12不存在；GCT502CC满功率时在“正常”位置；前面GCT-C能够开启，说明C7A存在，如果操纵员不复位的话，则C7A信号仍在。所以这时蒸汽排放闭锁信号只有凝汽器不可用信号（C9非）。所以概括起来，由于二回路负荷增加，导致一回路功率超过P16时，只有当凝汽器不可用或GCT旁通隔离阀未全开或GCT402XU2存在时才会导致停堆。

我们主要研究GCT402XU2信号，即图1中的信号2，它由两部分信号相加得来。加法器右边的信号，即Tavg,max与Tref的偏差信号，前面我们已经讨论出其偏差在±0.83 ℃内；加法器左边的信号为2.78 ℃，两个信号相加，在1.95～3.61 ℃之间，而GCT402XU2的阈值为1.75 ℃，如果在一、二回路功率平衡的情况下，即加法器的输出信号大于阈值，则GCT402XU2是动作的，即GCT402XU2信号是存在的。但我们也要看到，1.95 ℃与1.75 ℃的偏差只有0.2 ℃，如果二回路负荷增加导致一回路过冷，当过冷温差（Tavg,max－Tref）超过-0.83 ℃，控制棒将提升，如果控制棒的提升不能立即引起温度回升，就有可能使加法器的输出小于阈值，GCT402XU2不动作，从而导致停堆。

所以，停机不停堆后，如果二回路其他用汽量超过设计值，导致二回路总负荷超过30%，是有停堆风险的。那我们可不可以避免二回路负荷超过30%呢？前面已经讨论过，在停机不停堆后，二回路负荷由两部分组成，二回路其他用汽量（STR、ADG、CET等）和排到GCT-C的用汽量。如果有目的地减少排到GCT-C的用汽量，就会控制二回路负荷，使其不超过30%。

但在GCT-C温度模式下，在停机不停堆瞬态过后到汽轮机重新挂闸前，GCT-C的开度是固定的，除非Tavg,max低于Tref3 ℃以上GCT-C开度才减少。Tavg,max低于Tref3 ℃以内都要靠提升控制棒，从而提升一回路功率来匹配二回路功率变化。因此在温度模式下，想通过有目的地减少GCT-C阀门开度来减少二回路负荷是办不到的。停机不停堆瞬态过后，操纵员可不可以将GCT-C由温度模式切到压力模式呢？经过分析后我们认为是可以的。当二回路负荷增加，势必会导致蒸汽压力母管下降，在压力模式下GCT-C开度会自动减少。另外，从水蒸气P-T图上也可以看出低负荷时，压力的变化比温度的变化更明显，所以压力模式下对负荷的变化响应更快。所以认为，在停机不停堆瞬态过后（温度已在294 ℃左右），如果一回路功率有缓慢增长的趋势，且接近30%，可以考虑将GCT-C由温度模式切到压力模式。

那么如何将GCT-C由温度模式切到压力模式呢？切换时要注意什么问题呢？由图1可以看到，一旦GCT-C切到压力模式，则RGL402XR失电，旁路低选值的信号，将MS信号接入，最终功率整定值变为零，对应的参考平均温度将变为290.8 ℃，此时Tavg,max还是294 ℃左右，温差为3 ℃左右，控制棒将以最大速率自动下插，一回路过冷，平均温度下降，二回路对应的饱和温度也下降，蒸汽压力也随之下降，在压力模式下GCT-C自动关小，从而给机组造成很大瞬态。所以应该先将控制棒置手动，然后在“L”位置调节GCT401RC整定值，使GCT401RC的输出接近19%（大约4个小格），在GCT515LA灯亮的允许下，将GCT-C由温度模式切到压力模式。注意此时控制棒在手动模式，控制棒控制的是一回路的功率，温度由GCT-C来控制。此时GCT402XU2的输入信号仅仅是Tavg,max与290.8 ℃的差，所以操纵员应该清楚，如果Tavg,max与290.8 ℃的差小于1.75 ℃，则核功率超过30%，反应堆必停堆。按照正常操作，操纵员应该把一回路功率控制在14%左右同时保持一、二回路平衡，即可满足汽轮机重新冲转要求。

如果发生凝汽器不可用（凝汽器真空变差或喷淋水压力低），则蒸汽再往凝汽器排放对设备是不利的。所以也需要操纵员迅速降低一回路的功率，从而用汽轮机旁排系统往大气系统（GCT-A）排放。为了保证一、二回路平衡，需要降低二回路负荷。如前面所述，GCT-C在温度模式下开度是固定不变的，不能实现降负荷操作，因此也需要将GCT-C由温度模式切到压力模式。

如果发生GCT旁通隔离阀未全开，很可能是限位发生问题，这种情况一旦发生，同时核功率超过30%且停机，则反应堆会立即停堆。

[1] 王志，等编. GCT系统手册[R]. 北京：核工业第二研究设计院，1996.

[2] 唐熠远，等编. RRC系统手册[R]. 成都：中国核动力研究设计院，2000.

[3] 戚屯锋，等编. 秦山核电二期模拟图册、逻辑图册[R]. 浙江：核电秦山联营有限公司，2000.