AP1000汽轮发电机组甩负荷试验研究

吴文超，王子奇

（1. 山东核电有限公司，山东　烟台　265116；2. 山东中实易通集团有限公司，山东　济南　250061）

AP1000汽轮发电机组甩负荷试验研究

吴文超1，王子奇2

（1. 山东核电有限公司，山东烟台265116；2. 山东中实易通集团有限公司，山东济南250061）

文章对AP1000核电汽轮发电机组甩负荷试验进行了介绍，并与国内其他核电机组及常规火电机组的甩负荷试验进行了对比。讨论了相关的试验条件、试验方法、应采取的预防措施、注意事项及国外同类试验的经验反馈，提出了一些相关建议。

AP1000核电厂；甩负荷试验；负荷平台；试验方法

1　AP1000核电汽轮机组甩负荷试验方法介绍

汽轮发电机组是核电厂二回路的核心设备。首批AP1000核电汽轮发电机组采用日本三菱技术，由哈动-三菱联合体供货。汽轮机工作转速为1 500 r/min，为单轴、四缸双流六排汽的反动凝汽式汽轮机，由一个高压缸、三个低压缸及附属系统组成，高、低压缸均为双分流型式，每侧各10级动、静叶片，额定工况下高压缸进汽压力为5.38 MPa，进汽温度为268.6 ℃，再热蒸汽压力为0.932 MPa，再热蒸汽温度为257 ℃，排汽压力为4.4 kPa，设计寿命为60年。两个两级再热的汽水分离再热器对称布置在低压缸两侧。汽轮发电机组的总体布置如图1所示。

图1　AP1000汽轮发电机组的总体布置Fig.1　The general layout of AP1000 turbine generator

1.1试验目标

甩负荷试验的目的是为了验证甩负荷发生时调速器的功能，试验时汽轮机转速因惯性升高，此时调速器应能将转速稳定控制，没有意外的超速发生，机械超速保护不动作。试验在30%、50%、75%、100%额定负荷下各做一次，其中100%负荷平台下的试验还包括带厂用电稳定运行试验。

1.2试验先决条件

试验前，一回路与二回路系统稳定在要求的负荷水平运行，试验用仪器校验合格并已接入系统，要求检查下列条件已满足：电锅炉至汽轮机轴封的辅助蒸汽可用；凝汽器水帘喷淋和低压缸排汽喷淋系统在自动位；MSR加热控制模式在自动位；给水前置泵NPSH控制可用；相关保护装置试验如机械超速试验、调节器上升/下降试验、油泵自启试验已正确完成；手动停机装置动作正常；汽轮机旁排阀处于自动位，凝汽器允许接收旁排蒸汽；LL与AVR投用；30%负荷平台试验前，OPC设定值从30%调整至50%，试验后恢复；汽轮机导汽管疏水阀、抽汽管疏水器旁路阀等处于自动位；紧急柴油发电机备用自动；启动给水泵自动位；主蒸汽至除氧器的加热蒸汽控制阀自动位。

1.3试验方法

汽轮机在要求的负荷平台（30%、50%、75%、100%）下稳定运行时，手动断开发电机出口断路器，机组与电网解列，甩去所带的电负荷，此时汽轮机、核岛、发电机均应不跳闸。甩负荷时注意观察OPC的动作情况，汽轮机旁排阀应动作正常，所有的抽汽逆止阀关闭，MS疏水泵和低加疏水泵跳闸（二回路系统稳定后重新启动），主蒸汽管道上的PORV阀不应动作，主蒸汽压力稳定，核岛所有参数稳定，汽轮机能够在空负荷下稳定运行。其中100%功率平台下断开主变高压侧开关的试验中，汽轮发电机组应能够在最小厂用电负荷下稳定运行。

机组甩负荷前后及试验过程中，记录各有关参数供试验分析，根据记录绘制甩负荷过程中的转速变化曲线，如图2所示。

1.4试验应采取的预防措施和限制条件

在甩负荷试验期间，人员应撤出汽轮发电机运转平台，以防不测事件发生。在甩负荷发生后，如果自动控制不能稳定，必要时应切换为手动进行调整，如调节系统严重晃动，无法维持空负荷运行时，立即停机。做好机械超速保护动作的事故预防。

图2 汽轮发电机组甩负荷过程中转速飞升曲线Fig.2 Curve of maximum momentary speed in the process of turbine load shedding

2　国内其他核电机组和火电机组甩负荷试验的一般做法

火电机组在汽轮机带负荷整套试运期间，超速试验合格后重新并网，条件具备后可进行甩负荷试验［1］。按DL/T711的要求，甩负荷试验应分别在50%、100%额定负荷两级进行。对已取得该型机组用常规法甩负荷实测的转子转动惯量，或制造厂提供了该型试验机组的转子设计转动惯量，该机组可选用测功法进行汽轮机甩负荷试验。甩负荷后，应确认汽轮机调节控制系统工作正常，各调节汽阀关闭，各抽汽阀关闭，DEH甩负荷功能实现，OPC动作正常，高低压旁路自动控制正常，转速先上升（最高转速小于危急保安器动作值）后下降，逐渐趋于稳定，否则应打闸停机。

国内其他核电机组甩负荷试验一般也在50%、100%两个功率平台下进行，其中50%功率平台做一次甩负荷试验，100%功率平台包括两次甩负荷试验。

2.1试验目标

汽轮机组甩负荷后，最高飞升转速不应使机械超速保护动作。对于额定转速为3 000 r/min的机组最高飞升转速不得超过3 300 r/min，调节系统动态过程应迅速稳定，使机组能空负荷稳定运行。

2.2试验条件

主要设备无重大缺陷，操作机构灵活，主要监视仪表准确；保安系统动作可靠，机械超速试验合格，手动停机装置动作正常；汽门严密性试验合格，汽门快速关闭时间符合要求；抽气逆止阀联锁动作正常，关闭严密；辅助油泵和事故油泵联锁动作正常，油系统油质合格；辅助蒸汽备用汽源能自动投入；汽轮机旁路系统处于热态备用状态；蒸汽安全阀校验合格；仪控、电气保护接线正常。动作可靠，并能满足试验要求；厂用电源可靠；发电机主开关和灭磁开关跳合良好；试验用仪器、设备校验合格，并已接入系统；试验组织机构成立，职责分工明确；已经取得电网调度员的同意。

2.3试验方法

断开发电机主开关，机组与电网解列，甩去全部负荷，测取机组调节系统的动态特性；一般按甩全部负荷的50%、100%两次进行。根据机组的具体情况，必要时在甩负荷试验前，对设备的运行状态及运行参数的控制方法等，可以做适当的操作和调整。机组甩负荷后应使蒸汽发生器（锅炉）不超压，汽轮机不超速、发电机不过压，维持机组空负荷运行，力求尽快并网。当甩50%额定负荷后，转速超调量大于或者等于5%时，应中断试验。

机组甩负荷后，转速稳定在额定转速，进行以下检查：汽轮机旁路系统开启情况；轴封压力、除氧器压力、除氧器水位和凝汽器水位；机组轴向位移、差胀、排汽温度；抽汽逆止门关闭情况；开启汽轮机本体及抽汽管道疏水；检查机组振动情况。

2.4试验应采取的预防措施

在进行甩负荷过程中，应设专人监视转速。其他监视参数可参照运行规程中的有关要求，如轴向位移、差胀、振动、排汽温度等。

若机组甩负荷后机械超速保护动作，应做以下操作和检查：

1）检查汽门和抽气逆止门关闭是否严密。

2）待机组转速降低至额定转速以下时挂闸。

3）若机组转速继续下降，应及时启动辅助油泵、顶轴油泵。

4）设法恢复汽轮机转速至额定转速，完成有关项目检查。

5）机组甩负荷后，调节系统严重晃动，无法维持空负荷运行时，立即停机。

6）机组甩负荷后，转速飞升至超速值，保护不动作时，立即停机。

3　不同试验方法的几点探讨

由前述两节内容对比分析可知，AP1000核电机组的甩负荷试验与常规火电的甩负荷试验有明显的不同点，如试验方法、负荷平台的选择、验收标准等，下面作对比分析。

3.1试验平台

国内火电机组或其他核电机组的甩负荷试验都选择50%与100%两个功率平台来做甩负荷试验。甩负荷这样重大的试验并不是越多越好，AP1000核电进行4个平台的甩负荷试验是出于何种考虑呢？在日本，MHI供货的核电机组全部是做4次甩负荷试验，选4个试验平台（30%、50%、75%、100%）的原因是基于从简单到复杂、从低风险向高风险逐步进行的理念，以保证高负荷试验更安全；MHI认为低负荷情况下的甩负荷试验对机组影响不大，而100%甩负荷对机组损害大。低负荷平台的甩负荷合格，可确保100%甩负荷一次成功。

30%平台甩负荷是在OPC功能屏蔽的情况下进行的，以便在设计极限条件下最大限度考验机组的调节特性。在此功率平台下做甩负荷试验时，只要旁排系统能正常动作，试验过程对核岛基本无影响，因为AP1000旁路的设计容量为额定负荷的40%。在50%、75%、100%平台甩负荷时，OPC功能应该正常投入。

低负荷平台甩负荷试验时，汽轮发电机组转速不应超过多少呢？MHI汽轮发电机组实施甩负荷试验的经验反馈数据表明，30%、50%，75%、100%甩负荷试验时，超速基本上是线性的，50%甩负荷超速未超过5%，75%再验证一下不超过7.5%，可推测100%甩负荷不超过10%。如果用50%和75%的两次试验结果预测100%甩负荷试验不超过8%（MHI认为超速低于9%就可以了），则可做100%甩负荷试验，并且可以推测100%甩负荷转速飞升不会超过10%。试验时，转速要安排专人来监视，并做好失电的考虑。各平台甩负荷试验超速情况如图3所示。

3.2各平台试验验收标准

对于国内火电机组来说，甩50%额定负荷时，若机组转速超调量达到或超过5%，将不再进行100%甩负荷试验。在AP1000的甩负荷试验过程中，可根据前一平台的试验数据，预测下一更高平台试验的结果（如图3所示），来决定是否继续进行下一平台的试验，而不是所有试验平台都执行同一个标准，即“低于8%额定转速”。

图3　汽轮发电机组4个平台甩负荷示意图Fig.3　The load shedding of four turbine loading platforms

3.3甩负荷试验前机组运行状态的调整要求建议

为了确保试验安全进行或者防止事故扩大，在试验开始前进行一些调整是有必要的。例如，预暖旁路系统，提前切换厂用电，电锅炉热备用等。试验前是否先切换厂用电至网上供电呢？根据接线图可知，断开发电机出口断路器后，可以自动带上厂用负荷，所以试验前不用切换厂用电。电锅炉必须要热备用状态，辅助蒸汽是热备用状态，考虑万一核岛停堆，甩负荷后，此时要停机，还要冷却核岛，汽轮机真空要保持很长时间，所以汽轮机轴封一直需要供汽。汽门活动性试验、抽汽逆止阀活动试验等试验先做。日本一些核电厂甩负荷前，凝泵入口滤网先要反冲洗一下或人工清理，因甩负荷时蒸汽携带的脏物都到了凝汽器。4次试验前，都先做机械超速的远方喷油试验和进行保护装置在线试验（再次验证）。

3.4甩负荷试验前汽门严密性试验的工作要求

在甩负荷试验中，OPC动作，主汽门不关，调门关闭，此时调门的严密性对防止汽轮机超速跳闸显得很重要。如何单独验证调门的严密性呢？国内火电机组要求单独做调门的严密性试验，并有专门的试验方法和试验逻辑，以防跳机后，主汽门卡涩不能关闭，具体试验做法：在额定主蒸汽压力下，高中压主汽门和调节汽门分别全关而另一组汽门全开时，机组转速能够维持在1 000 r/min以下。这个试验需要分别对主汽门和调节汽门独立进行。三菱验证汽门严密性的试验方法为：在机组启动冲转前，选择“EH AUTO”，全开GV、RSV和ICV，而MSV全关，机组转速能维持在150 r/min以下，则证明MSV严密。机组停机时，所有汽门全关，机组能够正常惰走至转速为零，则可以验证汽门严密性合格。MHI提供的阀门严密性试验程序不包含汽轮机调阀的单独严密性试验。调门的严密性是否有必要单独来做试验，MH认为，因阀杆活动试验要定期做，主汽门卡住的可能性很微小。当然，调门单独做严密性试验，逻辑上是可以实现的，DEH是可以实现的，虽然AP1000核电机组没有这种模式。

3.5AP1000机组甩负荷试验方法讨论

甩负荷试验与孤岛运行试验有断开发电机出口开关与断开主变高压侧开关两种试验方法。AP1000机组在30%、50%和75%功率平台实施的甩负荷试验，采用打开发电机出口开关的方法。发电机出口开关断开后，厂用电由电网供应，试验风险较小。

AP1000设计控制手册APP-GW-GL-700第14.2.10.4.21章节中要求，AP1000机组应具备接受100%甩负荷并稳定运行的能力［2］。首批AP1000机组的孤岛运行试验由WEC负责，是在100%平台做试验，包含打开主变高压侧开关和发电机出口开关两种试验。试验前电厂维持在满功率平台稳定运行，反应堆和汽轮机控制系统在自动模式，电厂温度、压力、液位、流量等参数正常［2］。

在断开主变高压侧开关的试验中，厂用电由汽轮发电机组供应，这对核电厂自动控制系统提出了很高的要求，要求汽轮发电机组及核岛在承受最大程度的负荷聚减后，还要维持低功率带厂用电稳定运行。在甩负荷过程中，汽轮机转速不应超过108%额定转速。日本国内的经验表明，甩负荷至孤岛运行带厂用电试验风险很大，此时万一汽轮发电机跳闸，会导致全厂失电，柴油机会启动，因此MHI建议不做此试验。日本前期有些核电机组具备孤岛运行能力，并进行了该项试验，后来的新机组基本上不进行该项试验。

MHI厂内100%甩负荷带厂用电的试验进行了仿真试验。带厂用电的试验是否应在低负荷演练一次，可以就这个问题继续研讨。SDPNC建议就50%的甩负荷孤岛运行试验作为后续研讨议题，MHI拟再进行一次50%功率平台甩负荷带厂用电的仿真试验。现场是否有必要在低功率平台做一次带厂用电的甩负荷试验作为准备性试验，也是一项值得探讨的问题。

［1］ DL/T863-2004 汽轮机启动调试导则［S］.（DL/ T863-2004 Guidance on Turbine Startup Commissioning ［S］.）

［2］ D.Rupprecht. 1000 Design Control Document，Revision 19，U.S.A，Westinghouse Electric Company LLC［R］，2011：4802-4805.

［3］ Carl W. Hemming. AP1000 100 Percent Load Rejection Startup Test Specification［R］，Shandong，2012：5-20.

［4］ W-Williams. AP1000 Plant Trip from 100 Percent Power Startup Test Specification［R］. Shandong，2012：5-9.

Analysis of Turbine Load Shedding Test for AP1000 Nuclear Power Plant

WU Wen-chao1，WANG Zi-qi2
（1. Shandong Nuclear Power Co.，Ltd.，Yantai of Shandong Prov. 265116，China； 2. Shandong Zhongshiyitong Group Co.，Ltd.，Jinan of Shandong Prov. 250061，China）

This paper introduces the turbine load shedding test of the world's first AP1000 nuclear power plant， compares the test with those of other nuclear power plants and conventional thermal power plants. This paper discusses related test conditions， test methods， and preventive measures should be taken， matters to be noticed and similar foreign experience feedback， and puts forward some suggestions.

AP1000 nuclear power plant； load shedding test； loading platform； test method

TL37Article character：AArticle ID：1674-1617（2015）01-0019-05

TL37

A

1674-1617（2015）01-0019-05

2014-10-17

吴文超（1972—），男，湖北仙桃人，高级工程师，从事核电常规岛调试工作。