百万千瓦级核电机组和火电机组的主蒸汽超压保护装置比较

柏冰，舒茂龙，卢艳东，王淑红，余长军，田洪志

(1．国核工程有限公司，上海 200233;2．国华宁海电厂，浙江 宁波 315612;3．中机国能电力工程有限公司，上海 200061;4．安徽电气工程职业技术学院，安徽 合肥 230051)

0 引言

近年来，随着经济技术的发展和电网容量的不断扩大，国内核电机组和具有高参数大容量火力发电机组得到迅猛发展，AP 1000核电机组和百万超超临界火电机组成为其中的典型代表。而主蒸汽保护系统是任何机组在非正常工况下保证机组安全的关键设施，它的安全可靠与否直接关系着机组运行的安全可靠性。

AP 1000核电机组是由美国西屋电气公司设计的第3代压水堆核电机组，安全性能好，设计寿命为60年，发电功率为1 250MW［1］。目前，正在我国浙江三门和山东海阳分别建设2台机组，其中三门#1机组作为第1台AP 1000核电机组，预计2013年发电。

关于1000MW火电机组，当今美国、日本及欧洲诸国基本采用超超临界技术，由于地域和技术流派的差异，在主蒸汽保护系统上有不同的技术特点。美国和日本基本采用在锅炉过热器出口安装过热安全阀的方式;而欧洲诸国在百万千瓦级机组上采用100%高压旁路配置取代过热器安全阀功能。在国外技术的不断引进吸收下，现在我国已经形成了完整的超超临界火电机组研发、设计、制造和运行基础，初步掌握了超超临界发电技术，达到了国际先进水 平［2－3］。 本 文 以 浙 江 国 华 宁 海 电 厂 二 期1000MW超超临界发电机组为实例，与AP 1000核电机组在主蒸汽的超压保护方面做出比较分析。

1 AP 1000核电机组主蒸汽系统超压保护装置简介

AP 1000核电机组为单堆布置两环路机组，核岛内的压力容器、蒸汽发生器、反应堆冷却剂泵和冷却剂管道构成2个一回路(反应堆冷却剂系统)，将反应堆产生的热量通过蒸汽发生器传递到二回路(主蒸汽系统)［4］。主蒸汽系统有2条管线，每条管线的安全保护装置主要有:主蒸汽安全阀、大气释放阀、主蒸汽隔离阀及其旁通阀和汽轮机旁路排放系统等，如图1所示。

机组在运行期间，主蒸汽系统能够承受±10%阶跃负荷扰动以及每分钟±5%线性负荷变化，而不必投用汽轮机旁路系统或主蒸汽安全阀。当机组从满功率阶跃下降10%～50%或汽轮机在低于50%满功率停机时，汽轮机旁路排放系统与核蒸汽供应系统的控制系统一起运行，以保证系统排出热量和机组安全。当机组发生50%～100%满功率甩负荷时，汽轮机旁路排放系统、核蒸汽供应系统的控制系统和快速功率下降系统一起运行。当汽轮机旁路排放系统不可用时，主蒸汽系统通过大气释放阀和主蒸汽安全阀向大气排汽，进行卸压和调节。

在发生必须停堆事件时，主蒸汽隔离阀及其旁路阀关闭，主蒸汽管线上相关的其余阀门关闭，大气释放阀打开，向大气排放蒸汽，将反应堆衰变热移出，直到堆芯冷却到正常余热排出系统能够正常工作的状态。当大气释放阀开启后仍然无法满足系统泄压时，安全阀将顺序动作提供超压保护。在机组冷停堆时，大气释放阀由蒸汽管道压力自动控制，操纵员从主控室或远程停堆工作站手动调节压力整定值，以阶梯方式手动调低压力整定点，以获得最大停堆速率。

图1 AP 1000核电机组主蒸汽系统图

汽轮机旁路排放系统位于汽轮机厂房内，属于非安全级设备，不执行安全相关的功能。它在机组启动、阶跃减负荷、甩负荷或停堆时，将主蒸汽以可控的方式旁通汽轮机，输送到凝汽器中，汽轮机旁路排放系统能够把满负荷时主蒸汽流量的40%旁通到主凝汽器。

主蒸汽安全阀和大气释放阀位于安全壳外的辅助厂房内，安全阀的安全等级为二级，大气释放阀为3级，它们的抗震等级均为抗震Ⅰ类。在每根主蒸汽管线上，设置了1台大气释放阀和6台安全阀。6台安全阀的整定压力值各不相同，排气量随着整定压力值的增加而增大，避免了系统蒸汽压力过大波动、造成反应堆功率较大瞬态(见表1)。每条主蒸汽管线的安全阀排汽总量为3783 t/h，能够满足在任何情况下蒸汽压力不超过系统110%设计压力的要求［5］。

2 宁海电厂1000MW火电机组主蒸汽系统的超压保护装置

浙江国华宁海电厂二期2台1 000MW超超临界发电机组2009年投产，目前机组运行总体良好。宁海二期百万千瓦级机组采用由上海锅炉厂引进的法国Alstom公司的超超临界塔式锅炉。在锅炉3级过热器上设计了2个出口集箱，每个集箱两端引出2条过热蒸汽出口管线，总计有4条过热蒸汽管线。为消除热偏差，每个集箱的出口管线与另外一个集箱的出口管线两两合并，形成2根主蒸汽管线去汽轮机高压缸。在过热器集箱出口位置、没有并线的4根过热蒸汽管线上，各设计了1条高压旁路管线去再热器进口联箱，每条旁路设置1个再热器安全阀，如图2所示。

在正常运行时，高压旁路阀全关，处于滑压溢流跟踪模式。当汽轮机机前压力超过设定值时，高压旁路阀将自动开启进行溢流，以限制主蒸汽压力的进一步增大，提高汽轮机运行的安全性。当机组异常(例如汽机突然跳闸导致主蒸汽超压)时，主蒸汽压力开关任一动作(大于29．3MPa)可使高压旁路阀安全快开，高温高压蒸汽快速进入再热器进行泄压，同时配有高压旁路减温水进行减温。当机组因真空故障导致低压旁路闭锁时，再热蒸汽压力超过额定值(大于7．5MPa)，二级再热器出口集箱的再热器安全阀安全快开，迅速排出工质，起到超压保护作用。

表1 AP 1000核电机组的主蒸汽安全阀和大气释放阀设计参数

图2 1000MW火电机组主、再热蒸汽系统图

整个高压旁路系统的主要设备包括高压旁路控制阀、高压旁路喷水控制阀、高压旁路喷水隔离阀。旁路系统动力采用NBF400/630型液压控制，专配动力供油站，具有油温自动控制装置、在线自动净化过滤装置及冲洗装置。在电源故障的情况下，油站蓄能器所储能量能提供足够的液压动力，使旁路系统所有阀门完成1～2次全行程的开或关。

旁路系统的控制策略在西门子SPPA T3000冗余控制器中组态运行，实现旁路系统的监视和控制功能。旁路供油系统(油站)的控制设备(包括控制柜和就地控制箱)采用分散控制系统(DCS)。

整个高压旁路系统采用100%容量配置，由于高压旁路已具有100%容量的快速卸压功能，因此，过热器出口不需装设任何锅炉过热器安全阀，但需同步配置100%容量再热器安全阀。高压旁路阀为液压传动，其快速开启时间为1～3 s，能实现快速自动跟踪超压保护。在保证主蒸汽超压保护的同时，通过调节控制汽压可适应机组不同工况的滑参数启、停和运行，事故排除后机组即可重新带负荷，既减少了锅炉启、停次数，又减轻了对汽轮机的热冲击，缩短恢复带负荷时间，可满足各种启动工况的要求。

3 2种主蒸汽系统及其保护装置的比较

AP 1000核电机组与1000MW超超临界火电机组作为百万千瓦级发电机组，它们的主蒸汽系统有相似之处，但更多存在有差异的地方。AP 1000核电机组的蒸汽流量大，但工质物理热力参数相比较低，而1000MW超超临界火电机组的蒸汽参数很高(见表2)。AP 1000核电机组的主蒸汽是从蒸汽发生器出来的饱和蒸汽，没有过热阶段，蒸汽在高压缸做功后，到汽水分离再热器后进行再热，最后至低压缸做功，热效率为36．6%。而1000MW火电机组热效率可达45%以上，热力系统为典型的热力朗肯再热循环。蒸汽系统的差异直接影响主蒸汽系统保护功能实现的不同。

表2 AP 1000核电机组与1000MW火电机组的蒸汽参数比较

3．1 主蒸汽保护装置的系统配置差异

AP 1000核电机组主蒸汽系统的超压保护设备主要有汽轮机旁路排放系统、大气释放阀、安全阀等，这种设计便于保证机组安全运行和停堆操作。由于核电机组蒸汽流量大，对安全阀门的通流能力要求很高，采用多路多组阀门，对各种工况的安全控制条件手段增强。

1 000MW火电机组采用了“100%高压旁路+100%再热器安全阀”的配置方法，这种高压旁路设计，可取代过热器安全门，不仅消除了高压安全门启动时产生的高强度噪音，而且能最大限度地回收工质。

3．2 保护装置的性能要求差异

AP 1000核电机组的主蒸汽安全阀和大气释放阀作为核安全级设备，在安全停堆地震载荷下，不仅能够保持设备的结构完整性，而且还能够保持设备的功能和可运行性。火电机组设备却没有相关的要求。

1000MW超超临界火电机组的蒸汽参数很高，因此，主蒸汽系统的管道、阀门等设备的耐高温高压要求比核电机组相关设备严格得多。

3．3 主蒸汽保护装置的控制功能差异

AP 1000核电机组的大气释放阀具有通过压力模式调节一回路平均温度的能力。同时，在安全保护功能上具有阀门阀序的控制要求，实现核电机组各工况下安全保护需求。

1000MW火电机组没有大气释放阀这种装置，基本上采用单纯压力控制，实现压力保护与调节。火电机组将安全阀功能与旁路系统功能进行结合，减少了系统配置，有利于机组分散控制系统(DCS)集中控制。

4 结束语

(1)AP 1000核电机组主蒸汽安全保护通过汽轮机旁路排放系统、大气释放阀和安全阀来实现，具有调温调压双重功能。1 000MW火电机组具有高可靠性的“100%高压旁路+100%再热器安全阀”配置取代过热器安全阀功能，不仅消除因高压安全阀动作后产生的高强度噪音且能最大限度地回收工质，提高机组启动性能。

(2)AP 1000核电机组的主蒸汽参数相对较低，超压保护装置更为传统，这是基于核电设计相对保守的原则。1000MW火电机组热力系统相对复杂，运行参数高，超压保护控制功能要求更高。

(3)目前，我国在大力发展核电机组，针对目前核电技术人员缺口较大的状况，补充一些优秀的火电技术人员投入到核电工作中来，通过学习和培训，初步扭转了核电技术人员紧缺的局面。本文通过对比2种发电技术的主蒸汽保护系统，区别两者之间的异同点，有益于相关专业技术人员进一步掌握AP 1000核电和1000MW超超临界火电机组技术。

［1］孙汉虹．第三代核电技术AP 1000［M］．北京:中国电力出版社，2010．

［2］张磊．超超临界火电机组集控运行［M］．北京:中国电力出版社，2008．

［3］朱金利．锅炉设备系统及运行［M］．北京:中国电力出版社，2010．

［4］林诚格，郁祖胜．非能动安全先进压水堆核电技术［M］．北京:原子能出版社，2010．

［5］EJ 1189—2005，压水堆核电厂主蒸汽系统设计要求［S］．