核电厂水压试验泵汽轮机组运行研究

2013-03-02崔杨杰

中国核电 2013年3期

关键词：截止阀水压试验汽机

崔杨杰

（海南核电有限公司，海南昌江 572700）

核电厂水压试验泵汽轮机组运行研究

崔杨杰

（海南核电有限公司，海南昌江 572700）

福岛核事故以后，核电厂应对全厂断电事故的能力得到了业界的广泛关注，而水压试验泵汽轮机组在全厂失电的情况下，能够维持一回路压力边界完整以及向机组运行所需仪表供电，对于电厂安全具有重要意义。文章研究典型的600 MW压水堆核电厂水压试验泵汽轮机组系统（系统代码：LLS）原理结构、重要功能、正常运行的工艺流程等方面。同时，还介绍了小汽机的运行工况和试验情况。最后，从电厂实际运行的角度出发，对小汽机在核电厂实际运行中的一些问题进行分析，并依据分析结果探讨了解决方案。

应急电源；超速保护；紧急停机；H3工况；限流器；核安全

日本福岛核事故发生后，核安全引起国内外核工业界的高度关注。人们的目光再次转移到全厂断电对核电厂的危害上来。而LLS在全厂失电的情况下，能够维持一回路压力边界完整以及向机组运行所需仪表供电，对核电厂的安全性具有重要意义[4]。文章主要描述了600 MW核电汽轮机组LLS的功能、原理结构以及在调试、商运及常规电厂运行中曾出现过的问题，结合实际工作实践，探讨如何进一步提高LLS系统运行可用性，以满足核电厂的需求，进而提高核电厂的安全性。

1 系统简介

LLS的供汽母管由蒸汽发生器的主蒸汽（压力：7.6 MPa）供汽，在各个对应机组的汽动辅助给水泵的供汽管道上分接引出。如果在一个机组的两列配电盘LHA和LHB同时不能供电的情况下（H3工况），则需要LLS能给水压试验泵（9RIS011PO）提供380 V应急电源。通过水压试验泵的运行能确保给一次侧冷却剂（主泵）1号机械密封的注入水流量，从而保证了反应堆冷却剂系统的完整性，同时还给机组运行所需的重要核仪表供电。

秦山二期1、2号机组的LLS汽轮发电机组采用了从法玛通进口的4P1型号,汽轮机为双列级冲动式，额定转速为3 000 r/min，机械超速保护装置整定在3 600 r/min。汽轮机转速可以在就地共振转速测量计LLS001LC上显示。汽轮机的转速由液压调速器控制，调速器配有限制调节阀（LLS003VV）开度调度装置，主要用于汽轮机在启动过程中近气压力较高时，维持汽轮机转速在低于超速限制范围内。转速调节范围是可以手动调节的。此外，小汽机还配有一通—断型截止阀（LLS002VV），在小汽机超速时，可使汽轮机脱扣，截止阀002VV还装有一手动复位装置，供跳闸后复位使用，如图1所示。

由于LLS小汽机在机组正常运行时不使用，仅在发生严重断电事故时使用，为了保证并测试该系统的可用性，必须定期进行性能实验。LLS的定期试验共有3个：

1）PTLLS001：核对空载条件下，LLS运行时所关联设备动作的正确性。

2）PTLLS002：汽轮发电机和水压试验泵无密封注水带负荷启动和运行试验。

3）PTLLS003：汽轮发电机和水压试验泵综合试验。

同时考虑到由于LLS汽轮机在非能动核电机组中，在全厂断电事故中的突出作用，因此核安全监管部门对LLS的可运行性提出了很高的要求：即如果正常运行时LLS不可用，则必须将核电机组运行状态降级到对电源依赖程度最低的状态，以确保电厂的安全[2]。

图1 小汽机流程简图Fig.1 Schematic of small turbine flow

2 典型电厂LLS系统调试、运行中出现的问题

2.1 调试期间的事件

调试期间，在7.6 M P a压力的时候，进行TPLLS053调试规程中的手动启动小汽机的试验。在汽轮机截止阀（LLS002VV）阀门的开度慢慢变大的时候，调速器无法迅速的实现调节，总是导致机组超速。仔细分析原因得出结论：调试过程中，自启动时机组状态为汽机截止阀（LLS002VV）全关，汽轮机调节阀（LLS003VV）全开。当慢慢打开截止阀（LLS002VV）时，进汽量增大，汽轮机转速上升，则汽机调节阀（LLS003VV）开度减小。同时发电机的电流及电压输出时，发电机与水压试验泵之间的电流接触器（LLS021JA）接通，此时发电机带上负载，有反向力矩作用。汽轮机转速下降，调节阀（LLS003VV）开度变大，此时截止阀（LLS002VV）阀门开度较小且正在打开。为了提高汽轮机的转速，则致使调节阀（LLS003VV）开度很大，进汽量很大，接着当截止阀（LLS002VV）开度已经变大且已到正常的进汽阀位,由于此时调节阀（LLS003VV）开度太大，在调速器来不及调节003VV的开度到正常的位置时，机组已经超速。

针对以上情况确定了更改方法为：1、2号机组调节阀（LLS003VV）的开度不能太大，否则调速器调节能力有限，引起超速。以上原因搞清楚后，在手动启机过程中，快速打开截止阀（LLS002VV）阀门，当机组转速上升时，调节阀（LLS003VV）开度减小，同时机组带上负荷，转速下降，调节阀（LLS003VV）开度增大，此时截止阀（LLS002VV）阀已经全部打开，调节阀（LLS003VV）只需增加一点开度，即可提供足够的供汽量，当供汽量较大时，调节阀（LLS003VV）开度减小，在调速器的作用下，调节阀（LLS003VV）投入自动运行状态。

2.2 运行期间的重要事件

2 0 0 8年1 2月1日2 3：0 0，按计划执行PT1LLS003（小汽机和水压试验泵综合试验）试验，12月2日00：05，当执行到小汽机超速试验时，机械超速保护未动作，运行人员紧急手动停机，随后的检查发现小汽机的发电机出现故障。将小汽机发电机组置于停机状态，根据技术规范要求记第二组I0。并通知维修人员对小汽机进行检修。2008年12月2日开始，维修处对LLS小汽机的电机1LLS001AP进行了返厂检修，并安排对小汽机、水压试验泵和相关的电气回路进行检查。2008年12月14日17：00完成功能再鉴定，结果合格。

后来针对此次事件，专门编写了一本新规程PTLLS004《LLS小汽机单体超速试验》。改进后的超速试验通过限制隔离阀（LLS001VV）开度（15%），手动缓慢开启截止阀（LLS002VV）阀门及用特殊方式（如千斤顶）缓慢开启调节阀（LLS003VV）3个阀开度，大大减少了执行小汽机超速试验时的风险。

3 LLS小汽机跳闸原因

根据收集到的近年来资料，其他常规电厂中，LLS系统汽轮机也发生过大量不可用事件，后来根据统计调查发现，大部分的不可用事件都是由启动超速跳闸或启动后不久的负荷切换导致的真实超速跳闸所导致。要从根本上避免超速跳闸，必须了解影响汽轮机启动升速和负荷切换阶段超速跳闸的各个因素，根据核电厂蒸汽参数制定出标准的启动升速曲线，并根据该标准曲线优化LLS检修参数，如图2所示。

由该标准升速曲线可以看出，LLS汽轮机在启动升速过程中，1 000 r/min和2 000 r/min是两个关键速度点。当LLS汽轮机转速达到约1 000 r/ min时，汽轮机调速器油压建立，LLS汽轮机的调速杆已开始输出增加汽轮机进汽调节阀调节阀（LLS003VV）开度的信号，而此时LLS汽轮机尚未带上任何负载，此时开大调节阀（LLS003VV）势必造成汽轮机超速跳闸。为此，汽轮机在调节阀（LLS003VV）阀芯前端设计有个阻尼器，该阻尼器的功能是在LLS汽轮机启动阶段未带任何负载之前将调节阀（LLS003VV）的阀芯压住限制其开启，此阶段LLS汽轮机的蒸汽供应量被限制在最小蒸汽供应量。

图2 LLS标准启动升速曲线Fig.2 The LLS standard startup ramp speed curve

4 提高LLS性能来提高其事故时供电的可靠性

鉴于LLS系统在核电厂发生严重失电事故时的重要作用，因此必须要确保LLS系统运行的可靠性。在通过大量对比常规火电厂和秦山二期LLS小汽机运行事件对照及各自所采取的处理问题的措施，可以尝试采用下列方式来提高LLS系统的可用性[3]，如图3所示。

4.1 加强对LLS系统的运行监测

目前秦山二期对LLS系统运行监测量非常少,主控KIT中无任何模拟量可看，仅有LLS001VV开阀指令是否发出、通风机（9LLS001ZV）状态及负载开关（9LLS021JA/021JS）等几个开关、接触器的状态；在LLS现场也就只能看到小汽机转速（或由技术处人员临时接入数显式转速表），而业内其他核电站早在几年前为了更好的监测LLS系统的运行情况，就对LLS系统实施了数据集中系统的改造。改造后的系统实现了在同台示波器上同时显示LLS汽轮机进汽隔离阀（LLSOO1VV）及调节阀（LLS003VV）阀门开度、LLSOO1TC转速、LLS发电机端电压、LLS电气控制台9LLSOO1AR母线电压、及其母线电流、LLS负载电阻（9LLSOOIRS）电流、水压实验泵主油泵（9RIS112MO）电流8个数据的功能。也正是通过改造，该电站1号机组在2008年的一次定期试验中发现了调节阀（LLS003VV）的阻尼器性能异常，释放动作提前1.4 s。后来更换了调节阀（LLS003VV）的针形限流阀后恢复正常，成功避免了LLS小汽机在启动过程中的超速跳闸事故。

图3 核电厂LLS系统流程简图Fig.3 Schematic of LLS system flow of nuclear power plant

因此要想确保LLS小汽机可靠启动、正常运行，必须要尝试全面且精确监测LLS的运行参数，同时更进一步深入熟悉LLS的运行特性，才能更有效地规避LLS运行中出现的各种风险。例如运行人员在启动LLS小汽机后，通过监测汽机转速、升速时间与标准升速曲线的一致性，就可以判断小汽机是否发生异常，从而可以提前采取相应措施来避免事故；技术人员也能在日常LLS试验中全面掌握反映LLS状态的数据，并不断积累，从而绘制出适合于秦山二期LLS小汽机特性的标准升速曲线图，同时通过状态监测和趋势分析，也为发现早期故障提供了帮助；维修人员在发生LLS故障时，通过对监测数据的分析，更准确地判断故障点并及早消除。

4.2 调整调节阀（LLS003VV）阀门开启时间

从历次LLS小汽机超速事件中，不难发现LLS小汽机超速的主要原因就是调节阀（LLS003VV）动作的不正确，即提前动作或动作时开度偏大或超调导致汽轮机超速，因此必须要重点分析，深入研究调节阀（LLS003VV）阀门的结构特点及其动作特性。

通过查找设备厂家提供的调节阀（LLS003VV）的原始出厂资料，查出该阀为双座式球形调节阀，特点是提升力较小，所以调节系统较小，机组紧凑。

调节阀（LLS003VV）（汽轮机转速调节阀）有3种工作模式：

1）小汽机停运时：调节阀（LLS003VV）压空引自隔离阀（LLS001VV）电磁阀后并通过限流器到气动阻尼器，使活塞向右顶住连杆并作用于调节阀（LLS003VV）调节阀控制杠系统上，使调节阀（LLS003VV）保持在预设开度（4 mm），防止大量蒸汽进入汽机。

2）小汽机有启动信号时：隔离阀（LLS001VV）失电压空断气，阀门打开，调节阀（LLS003VV）也失去压空，但由于调节阀（LLS003VV）压空管线上有限流器存在使气动阻尼器的失气速度减慢，气动阻尼器会缓慢向左移动不再作用在调节阀（LLS003VV）的控制杆上使调节阀（LLS003VV）缓慢打开防止小汽机超速。

3）小汽机开始正常工作后：液压调速器作用在调节阀（LLS003VV）上，保证汽轮机的额定转速稳定在3 000 r/min。

通过仔细研究发现，实际最容易超速的情况主要就是在上面的第二种模式，即小汽机启动阶段。因为调节阀（LLS003VV）在接到启动命令后，阻尼器便开始释放，调节阀（LLS003VV）开始缓慢开启。查看大亚湾核电站的相关资料，发现调节阀（LLS003VV）设置的开启时间要比秦山二期慢至少5 s，它是在负载电阻开关(LLS027JA)闭合后，阻尼器才开始释放，调节阀（LLS003VV）才缓慢开启。在此之前该阀门一直被限制在最小蒸汽供应量上（预设开度：3 mm左右）。

由此，可以尝试通过调整调节阀（LLS003VV）的设定开启时间，来确保LLS小汽机启动的可靠性。调整时间的措施可以为LLS小汽机的运行带来两个好处：

1）调节阀（LLS003VV）开启控制较简单，只要按照标准升速曲线设定好释放时间（5 s左右即可）。

2）小汽机超速风险较小，因为调节阀（LLS003VV）开启时间较晚，是在小汽机工作较稳定的阶段动作。如果调节阀（LLS003VV）开启较早，在有蒸汽流波动时及负荷带载时，阀门容易超调，开得过大甚至全开，从而使调速器失去了快速、准确的调节功能，小汽机在这种工况下超速风险很大。

综上两种尝试措施的采取，可以极大优化调节阀（LLS003VV）的运行模式，提高LLS小汽机运行的可靠性，同时大大降低其超速跳闸导致不可用的风险。

5 结束语

目前，国内各核电厂对于LLS机械方面的研究虽已经有了一定的水准，但相对于国外各成熟核电厂来说，运行时间较短，且掌握的经验和运行数据极其有限，在电气和仪表方面还有很多可能存在的故障模式需要继续努力探讨。

此外，在日本福岛事故后，事故应急电源供给的可靠性问题已引起了国内、外核电业的高度重视[5]。如何提高LLS的供电可靠性，尤其是在发生不可预计的严重事故时，已经成为了一个重要研究课题。秦山二期扩建机组LLS目前已经不再采用传统的汽轮发电机组形式，取而代之的是柴油发电机组。柴油发电机组运行方式更简单，同时不再依赖由一回路余热产生的蒸汽，因而也就避免了向一回路引入正反应性的核全安问题。但是柴油机运行要带油罐，油罐本身就具有易燃易爆的风险。

可以展望的是，在不久的将来，在随着容量小、可靠性高、稳定性高的小型太阳能光伏发电—蓄能设备等可再生能源发电技术的高速发展，必将有更多可靠、稳定的发电设备可以作为LLS的选型尝试。

[1] 唐熠远. RRC系统手册[R]. 成都：中国核动力研究设计院，2000：12-13.（TANG Yi-yuan. RRC System Handook[R]. Chengdu：Nuclear Power Institute of China,2000:12-13.）

[2] 邹树梁，邹旸. 日本福岛第一核电站核事故对中国核电发展的影响与启示[G]. 南华大学核能经济与管理研究中心，中国原子能科学研究院，2011.10：285-286.（ZOU Shou-liang, ZOU Yang. The influence and revelation of Fukushima nuclear accident to China's nuclear power development [G]. Nuclear Energy Economy and Management Center of University of South China, China Institute of Atomic Energy, 2011.10:285-286.）

[3] 张力. 福岛核事故对安全科学的启示[R]. 湖南工学院，2010.5：57-59.（ZHANG Li. Revelation of Fukushima nuclear accident to safety science[R]. Hunan Engineering College, 2010.5:57-59.）

[4] 王乃彦. 核电站安全分析[R]. 中国原子能科学研究院，2002.6：39-43.（WANG Nai-yan. Safety analysis for nuclear power plant[R]. China Institute of Atomic Energy, 2002.6:39-43.）

[5] 刘映尚，张伯明，谢昌渝. 具有大型核电站的电力系统的安全策略和措施[R]. 清华大学电机系，广东核电合营公司，2003.5：50-51.（LIU Yin-shang, ZHANG Bo-ming, XIE Chang-yu. Safety strategy and measures of large nuclear power plant electric system[R]. Department of Electric Machine, Tsinghua University, Guangdong Nuclear Power Joint Venture Co., Ltd., 2003.5:50-51.）

Study on Hydro-test Pump Turbine Operation of Nuclear Power Plant

CUI Yang-jie
（Hainan Nuclear Power Co., Ltd., Changjiang of Hainan Prov. 572700, China)

Since the Fukushima accident, the capacity of the nuclear power plant in station blackout accident has been widely concerned in the industry. The hydro-test pump turbine can maintain the integrity of a loop pressure boundary and to supply power to instruments needed for nuclear power plant operation in case of station blackout. It is of great signif i cance for the safety of nuclear power plant. This paper studies the principle structure, important function and normal operation of the hydro-test pump turbine (Code: LLS) of a typical 600 MW PWR nuclear power plant. At the same time, operating conditions and tests for small steam turbine are introduced. Finally, from the actual operation point of view, some problems in the actual operation of small turbine in a nuclear power plant are analyzed, and solutions are discussed based on the analytical results.

emergency power supply；overspeed protection；emergency shutdown；H3 condition；limiter; nuclear safety

TM623Article character：A

1674-1617(2013)03-0236-06