核电厂反应堆和汽轮机接口设计的研究及改进

王旭峰 张 冲

(深圳中广核工程设计有限公司，广东 深圳 518172)

0 引言

为规范常规岛汽轮机和核岛之间仪控接口，电力标准《DL/T 5423 -2009，核电厂常规岛仪表与控制系统》明确要求［1］:常规岛与核岛间仪控接口信号的形式和数量应满足核电机组启动、停止、正常运行、异常及事故工况监视和控制要求。核岛和常规岛间根据具体工程设置下列信号:

(1)汽轮机保护状态信号;

(2)凝汽器故障保护和凝汽器可用信号;

(3)给水泵和汽轮机旁路系统状态反馈信号;

(4)汽轮机实发功率和功率控制信号;

(5)汽轮机频率控制和负荷限制信号;

(6)汽轮机流量限制信号;

(7)发电机功率信号;

(8)电网接入信号;

(9)汽轮机压力模式或负荷限制信号;

(10)汽轮机快速降负荷信号。

在核电厂调试运行期间，曾突发汽轮机1 号瓦振动高导致跳机，之后连锁真空破坏阀自动打开，凝汽器压力快速上升，以至产生凝汽器故障;在产生凝汽器故障信号和反应堆核功率大于10%Pn(P10信号)的情况下，将导致反应堆跳堆，严重影响核电厂运行安全、可用性及经济性。

本文对反应堆和汽轮机之间的接口进行研究和改进，以满足DL_T_5423 标准的要求，确保核电厂的安全可靠运行。

1 反应堆和汽轮机保护

1.1 反应堆保护

当产生汽轮发电机组轴瓦温度严重、轴瓦振动严重、油路异常等工况时将触发汽轮机跳机信号，自动打开真空破坏阀破坏真空以缩短汽轮机惰走时间。同时，为了降低鼓风效应对低压缸末级叶片的影响，并考虑核岛蒸汽旁路排放功能需求，控制系统需将凝汽器压力控制在一定范围，即真空破坏阀开启后凝汽器压力升高到一定限值后将自动关闭。

在真空破坏阀打开后，由于空气进入导致凝汽器换热系数降低，压力快速上升。根据汽轮机旁路系统(GCT)设计要求，凝汽器压力在达到30 kPaabs 时将触发凝汽器故障，在某些情况下可能导致凝汽器压力升高较快并触发不可用信号，不能保证核岛旁路蒸汽足够的排放时间，从而可能造成核电厂一回路超压，影响反应堆安全。

同时，根据核岛反应堆保护要求，当产生汽轮机跳机C8信号、凝汽器故障、反应堆核功率大于10% Pn的P10信号时，反应堆保护系统将动作使反应堆跳堆。

图1 反应堆跳堆逻辑图Fig.1 Logic of reactor trip

1.2 汽轮机保护

从汽轮机安全角度考虑，当产生如下两种情形之一时，必须自动打开真空破坏阀，破坏真空，以便快速提高汽轮机背压，确保汽轮机在轴系出现问题时可以尽快降低转速。

(1)当GGR 油系统供油不足或发生火灾;

(2)轴瓦振动高，或轴瓦温度高引发汽轮机跳机。

真空破坏阀打开后，必须按照一定规律自动关闭和打开，使背压能受控地增加;避免在汽轮机高转速的情况下凝汽器压力升高过快，导致低压缸末级叶片产生鼓风效应，损伤叶片。

1.2.1 真空破坏阀的开启和关闭

(2)保护关闭条件(P_OFF)。

式中:P 为凝汽器压力，kPaabs;n 为汽轮机转速，r/min;134.5 和168.1 来自于末级叶片尺寸要求的限制参数。

1.2.2 对于真空破坏阀的允许打开条件

(1)当0 ＜n ＜1 176 r/min 时，如果P ＜35 kPaabs，真空破坏阀允许打开;

1.2.3 对于真空破坏阀的保护关闭条件

这个效果并不一定要求使用绝对的纯黑和纯白色，只要足够深的黑和足够浅的白放在一起就能得到不错的效果。阈值调整图层只有一个控制选项——阈值色阶。使用这个滑块我们可以直接更改画面的黑白分界点。这个效果最适合本例中这种在纯色背景下拍摄的肖像，效果非常像装饰画。

(1)当0 ＜n ＜1 159 r/min 时，如果P ＞45 kPaabs，真空破坏阀保护关闭;

真空破坏阀动作条件示意图如图2 所示。

图2 真空破坏阀动作条件示意图Fig.2 Action criteria of the vacuum breaking valve

图3 表示在轴瓦振动高导致跳机后凝汽器压力、汽轮机转速的变化趋势。真空破坏阀的可控打开和关闭维持凝汽器压力在45 kPaabs 附近。据1.1 节知，在凝汽器压力升高的过程中，如果压力高于凝汽器故障的限值(30 kPaabs)，同时反应堆功率高于10%Pn，将连锁反应堆跳堆。

图3 凝汽器压力变化曲线Fig.3 Pressure changing curve of condenser

从反应堆保护和汽轮机保护角度考虑，二者存在矛盾，有必要对轴系或油路异常导致凝汽器故障、并连锁反应堆保护的接口进行优化和改进。

2 改进措施

2.1 修改现有凝汽器故障信号的产生逻辑

当触发C8跳机信号的同时，打开真空破坏阀，闭锁凝汽器压力超过30 kPaabs，产生凝汽器故障信号逻辑。凝汽器故障信号逻辑修改示意图如图4 所示。

当轴系或油路异常导致跳机时，可以正常打开真空破坏阀，缩短汽轮机惰走时间，保护汽轮机本体设备。同时，在闭锁情况下产生凝汽器故障信号逻辑，降低了误跳堆风险。

图4 凝汽器故障信号逻辑修改示意图Fig.4 Modification of the logic of condenser malfunction signal

但该措施存在如下风险。

(1)直接修改凝汽器故障逻辑，对反应堆保护影响很大，对核安全产生不利影响，从核安全角度考虑不可接受。

(2)正常运行期间，如果汽轮机跳机并打开真空破坏阀，凝汽器压力大于30 kPaabs 触发跳堆的逻辑将被闭锁，反应堆依照最终功率整定值维持30%Pn。如果凝汽器压力继续上升到60 kPaabs，将直接闭锁GCT-c 排放，二回路失去排热能力。此时，反应堆功率为30%Pn，但GCT-a 排放能力只有15%，一、二回路可能超压。

2.2 修改真空破坏阀自动控制逻辑

取消在轴系或油路异常后自动开启真空破坏阀的逻辑，由操纵员手动打开或关闭。

该措施可避免真空破坏阀自动开启带来的误跳堆风险，但操纵员在汽轮机跳机后需要快速判断是否开启真空破坏阀，有损坏汽轮机本体设备的风险。

2.3 修改凝汽器故障压力限值

在真空破坏阀自动打开的停机过程中，真空破坏阀通过不停地自动关闭和打开维持凝汽器在某个压力范围。据图2 可知，压力上限为45 kPaabs，此时已产生凝汽器故障信号。根据传热学计算原理，可推导出凝汽器总换热系数:

式中:k 为凝汽器总换热系数，W/m2℃;m 为循环水质量流量，kg/s;c 为冷却水定压比热容，J/kg℃;F 为凝汽器有效换热面积，m2;Q 为凝汽器热负荷，W;t1为冷却水入口温度，℃;ts为凝汽器饱和蒸汽温度，℃。

计算结果表明，当真空破坏阀打开后，凝汽器压力维持在45 kPaabs 时，凝汽器总换热系数仅为正常值的27.9%。

现将凝汽器故障压力定值由原来的30 kPaabs提高到50 kPaabs，这个值在凝汽器真空破坏阀保护关闭压力区域。基于上述凝汽器换热系数分析，真空破坏阀打开，空气进入凝汽器，真空破坏阀在凝汽器压力为45 kPaabs 时关闭，此时机组已跳机，由于跳机后一、二回路功率不平衡，核岛通过汽轮机旁路系统向凝汽器排放蒸汽。循环水泵全部跳机2 s 后触发凝汽器故障信号跳堆，此时凝汽器压力将升至50 kPaabs，跳堆12 s 后(此时凝汽器压力为69.6 kPaabs)闭锁旁路蒸汽。闭锁旁路蒸汽信号发出后，由于旁路阀关闭用时5 s，旁路阀关闭过程中还有部分旁路蒸汽会进入凝汽器，因此凝汽器压力会持续升高，峰值达到81 kPaabs，压力超过凝汽器本体设计允许值75 kPaabs 约4. 7 s。该值在凝汽器本身所能承受的压力强度范围之内。

在凝汽器最恶劣工况下，凝汽器压力变化计算结果如图5 所示。

图5 恶劣工况下凝汽器压力变化曲线Fig.5 The varying curve of condenser pressure under harsh operating conditions

(1)根据核电厂循环水泵瞬态流量特性、凝汽器结构特性、堆机运行控制方式等实际情况，循环水泵失电停泵信号必须作为触发凝汽器故障信号条件之一，以保证某些工况下核岛对常规岛凝汽器排放时间要求。

(2)当凝汽器故障压力定值为30 kPaabs 时，核电厂中凝汽器真空破坏阀在打开情况下可能导致误跳堆事故。

(3)当凝汽器故障压力定值提高到50 kPaabs，凝汽器不可用压力定值提高到75 kPaabs 时，考虑空气进入凝汽器压力的影响，事故工况下，能满足核岛紧急停堆对凝汽器蒸汽排放时间要求，但是凝汽器压力峰值比较高，可能带来凝汽器和低压缸末级叶片的安全运行风险。

(4)当凝汽器故障压力定值提高到50 kPaabs，凝汽器不可用压力定值维持60 kPaabs，同时核岛反应堆紧急停堆后持续往凝汽器排放12 s 要求满足的情况下，事故工况下凝汽器压力峰值相对较低、持续时间较短。在满足反应堆紧急停堆向凝汽器排放蒸汽时间要求情况下，可最大程度保护汽轮机设备安全。

根据上述分析，对最恶劣情况，凝汽器瞬间压力峰值以及持续时间，汽轮机、凝汽器最终核算确认此工况下可接受。因此，凝汽器故障优化设计方案最终采取提高压力定值，由原来的30 kPaabs 提高到50 kPaabs。实施后效果如下。

(1)保证汽轮机安全紧急停机。凝汽器故障压力定值优化设计，保留了汽轮机厂对凝汽器真空破坏阀控制逻辑，保证机组紧急停机需要，最大程度地保证汽轮机某些工况下的安全紧急停机需要，防止事故扩大。

(2)避免不必要的反应堆紧急停堆。凝汽器故障压力定值优化设计，同时避免了因汽轮发电机组轴系瓦温、瓦振参数中任意一个或以上触发跳机跳堆风险，提高了安全性。

(3)经济性。误跳堆一次，重新启动机组与避免跳堆直接启动机组相比，约多耗时3D 时间，该项设计改进可避免一次误跳堆造成的发电损失。

从保证汽轮发电机组运行的安全性与可靠性、避免核岛反应堆不必要的跳堆、采用最低工程改进成本等角度综合考虑，修改凝汽器故障压力限值的措施最为有效。

3 结束语

通过研究对凝汽器压力限值，妥善解决了核电厂在运期间所产生的凝汽器故障信号设置不合理可能导致跳机、跳堆的问题，从而使系统的设计完全满足标准《DL_T_5423，核电厂常规岛仪表与控制系统》要求，即常规岛与核岛间仪控接口信号的形式和数量应满足核电机组启动、停止、正常运行、异常及事故工况监视和控制要求。

［1］ DL/T 5423 -2009 核电厂常规岛仪表与控制系统［S］.2009.

［2］ 广东核电培训中心.900MW 压水堆核电站系统与设备［M］. 北京:原子能出版社，2007.