CEFR满功率下甩负荷安全风险探讨

田钰

摘 要：2014年CEFR在反应堆40%Pn和75%Pn两种工况下进行汽轮机甩负荷试验，反应堆均实现安全运行，汽轮机安全停运，常规岛顺利导出反应堆余热，满足试验验收准则，试验成功。该文主要描述两次甩负荷试验过程、分析试验进程、总结试验结果的基础上尝试分析CEFR满功率下甩负荷安全性。同时通过试验探索CEFR运行优化，形成经验反馈材料指导后续堆上运行工作。

关键词：甩负荷 汽轮机 安全风险

中图分类号：TL43 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）06（b）-0107-03

1 甩负荷试验定义

汽轮机甩负荷是指为测取汽轮机调节系统动态特性，突然甩去汽轮机组部分和全部负荷所进行的全部检测工作。在此过程中可能会导致机组超速、振动过大、主蒸汽系统超压等异常现象出现。此外CEFR设计采用“机跟堆”的运行方式，汽轮机甩负荷试验也是对反应堆保护系统和主热传输系统导出反应堆余热能力的验证，鉴于以上因素，CEFR将汽轮机甩负荷试验安排在反应堆40%稳定功率和反应堆75%稳定功率台阶下进行试验，此项试验成功后CEFR反应堆方能满功率运行。

2 试验准备

为确保试验安全完成，在试验前采取电站试验调研、主回路传热能力计算、风险点分析和试验操作票编写等相关资料准备。堆上完成汽轮机保护和反应堆保护系统等安全试验，证明了汽轮机能够可靠停机，并有效切断进汽，保证系统不超压。为了防止保护停机系统失效，还安排了运行人员现场监视，准备随时手动停机等保护措施。

3 两次甩负荷试验事件背景

3.1 反应堆40%稳定功率台阶下汽轮机甩负荷试验

试验前主要参数和关键系统运行状态如下：（1）二回路四台主泵均500 rpm运行，反应堆出口钠温417 ℃；（2）1#，2#蒸汽发生器入口钠温384 ℃左右，出口钠温283 ℃左右；（3）常规岛主蒸汽母管压力10.02 MPa，汽轮发电机维持3 000 rpm并网发电工况稳定运行。

3.2 反应堆75%稳定功率台阶下汽轮机甩负荷试验

试验前主要參数和关键系统运行状态如下：（1）二回路四台主泵均737 rpm运行，反应堆出口钠温494 ℃；（2）1#，2#蒸汽发生器入口钠温447 ℃左右，出口钠温311 ℃左右；（3）常规岛运行正常。

4 两次甩负荷试验事件发展序列

CEFR两次甩负荷试验均以断开01开关并触发“汽轮机甩负荷”信号实现。系统流程见图1、图2。

4.1 反应堆40%Pn稳定功率台阶下汽轮机甩负荷试验进程

20：25分，操纵员手动断开01开关，发电机与电网解列；20：28分，汽轮机转速上升达到最高转速3 075 rpm；整个过程，核岛系统维持40%Pn稳定功运行。

4.2 反应堆75%Pn稳定功率台阶下汽轮机甩负荷试验进程

13：58分，操纵员手动断开01开关，发电机与电网解列；13：58分，转速上升，“主汽门关闭”信号触发反应堆保护停堆。所有控制棒下落至下终端，一回路两台主泵开始惰转最终至150 rpm，二回路两台主泵开始惰转最终至300 rpm，汽轮机同时惰转。

4.3 两次汽轮机甩负荷试验对比

两次甩负荷汽轮机转速最高达到3 075 rpm和3 181 rpm，导致不同的试验进展情况，不同点描述如下：（1）40%Pn工况下的甩负荷试验：依靠汽轮机转速调节系统将汽轮机转速维持3 000 rpm空转运行，未触发保护停堆。（2）75%Pn下的甩负荷试验：汽轮机最高至3 181 rpm超过额定转速的103%，DEH触发调节汽门关闭，反应堆停堆。

两次甩负荷试验一、二回路钠泵控制正确，旁排阀实现联锁打开，整个过程主蒸汽压力不超13.29 MPa，发电机机端电压最高达到10.6 kV，汽轮机各项参数运行稳定，反应堆保护系统完全按照保护逻辑序列进行动作。试验结果满足以验收准则，实验成功。

5 满功率下甩负荷分析

CEFR满功率时主热传输系统参为：蒸汽发生器出口压力14 MPa，主蒸汽母管压力13 MPa，主蒸汽流量96 t/h，主蒸汽温度维持450 ℃～470 ℃；汽轮发电机维持3 000 rpm并网发电状态。由于40%Pn汽机甩负荷试验堆功率相对较低，CEFR满功率甩负荷主要参考75%Pn下汽机甩负荷数据，从汽轮机转速、主蒸汽系统压力、给水流量三方面进行满功率甩负荷探讨。

5.1 满功率下汽轮机甩负荷转速分析

CEFR汽轮机调节保安系统是由数字电调系统（DEH）、液压调节系统和汽机保安系统三大部分组成。当汽机转速大于额定转速的103%调节气门关闭；当汽轮机组转速超过额定转速的109%主汽门关闭；当转子超过额定转速110%～112%时，危急遮断器动作触发主汽门和调节汽门关闭实现机组停机。

CEFR汽轮机实际运行中采用偏保守考虑，当汽机转速大于额定转速的103%就能实现汽轮机停机反应堆停堆。与其他核电站或火电站相比，CEFR汽轮机采用缩短汽轮机甩负荷后进汽时间从而达到减少蒸汽在汽轮机内部做功途径，将机组甩负荷后转速升高控制在尽量低的范围。对于研究堆来说这也是CEFR一个显著特点。另外从主汽压力曲线变化可以看出，在甩负荷开始阶段（15 s内）由于旁排阀开启滞后效应汽压有所上升，15 s后由于旁排阀开启效应主汽压开始降低，后续随着2#旁排参与主蒸汽的调压，可以看到主蒸汽母管压力在小范围内波动。

5.2 满功率下汽轮机甩负荷主蒸汽系统压力分析

CEFR汽轮机旁排系统承担反应堆热量导出，在汽轮机组紧急故障或甩负荷时，旁排阀自动打开，蒸汽经旁路排放系统排入主冷凝汽器，保证反应堆安全运行。旁排系统共设有两台旁排阀管路，一台实现调节功能一台实现保护功能。每台旁排阀额定排放量为32 t/h（蒸汽量的66.7%）。CEFR为防止主蒸汽系统超压，还在两环路蒸发器出口和过热器入口设置两台大汽释放阀，向大气排放多余蒸汽。每台大气释放阀额定流量可达32 t/h（蒸汽量的66.7%）。

由于CEFR在75%Pn台阶下三回路启动停堆冷却系统投运，有13.8 t/h主蒸汽通过启动扩容器支路排放至冷凝器。只有57.2 t/h过热蒸汽进入汽轮机发电，其蒸汽量低于CEFR旁排最大排放量64 t/h，2#旁排阀收到甩负荷信号开启，最高流量达37 t/h，维持约1.5 s后关闭，整个主蒸汽系统压力由1#旁排阀调节维持（甩负荷3 s后参与调节）。其阀门开度与压力变化见图3。

图3中无论是1#旁排还是2#旁排在汽机甩负荷中都参与主汽压力调节，在调节过程中排放峰值（37 t/h）超过其正常单环排放额定流量32 t/h，可以看到CEFR旁排系统实际排放量较设计偏大，有利于高工况反应堆余热导出。在反应堆满功率后以总蒸汽量96 t/h计算，如果发生汽轮机甩负荷，通过旁排系统可按64 t/h导出蒸汽，剩余32 t/h蒸汽量可通过大气释放阀导出，4台大气释放阀共可承担128 t/h蒸汽量，设计值远远大于满功率下实际蒸汽排放量，功率下汽轮机甩负荷时主蒸汽系统压力不会超压15 MPa。

5.3 满功率下汽轮机甩负荷给水流量变化分析

CEFR设计两组蒸汽发生器，在75%Pn台阶下汽轮机甩负荷后，主给水流量由原来单环36 t/h，经过几次波动至15 t/h左右后开始稳定运行，其中甩负荷后单环最小流量达到5.28 t/h。

CEFR满功率下甩负荷会触发停堆保护，一二回路四台主泵分别堕转至150 rpm和300 rpm，同时三回路给水泵按照当前功率水平下额定给水量运行，反应堆操纵员根据蒸汽发生器出口钠温限值和钠温变化速率手动调节给水泵转速和给水调节阀开度控制给水流量。这样三回路给水调节时效性和准确性都不能保证，这样在一定程度上加大了甩负荷后主热传输系统重要设备的冲击。未来CEFR满功率下堆上如果进行甩负荷试验，需要加强这方面研究。

6 CEFR满功率甩负荷运行建议

借鉴以上两次汽轮机甩负荷试验的成功经验，结合CEFR运行特点提出反应堆在高功率下两项优化运行方案。

6.1 反应堆高功率运行三回路蒸汽采用双路运行方式

反应堆在75%额定功率台阶运行时，需要进行厂用蒸汽切换操作，即原启动停堆系统停运，投入汽轮机一段抽汽。在具体操作过程中，需要进行暖管和就地系统的导通操作，操作量大，比较耗时。反之，在反应堆降功率或者保护停堆后厂用蒸汽源也需要進行手动切换，特别是保护停堆后操纵员由于要监控运行设备，启动停堆系统无法自动投运，势必造成人员调动紧张，影响系统正常投入。建议启动停堆系统连续运行，从而提供一条主蒸汽导出支路，缓解了保护停堆对汽轮机、除氧器等大型设备的冲击，为厂用启动锅炉投运创造时间。

6.2 三回路自动调节系统完善

现阶段CEFR主给水流量通过操纵员手动控制实现核岛与常规岛热量匹配运行，一方面直接影响CEFR升功率速度，另一方面反应堆保护停堆后，给水流量不能跟随减小，维持原功率台阶下对应给水流量。这样增加操纵员停堆后工作量同时加剧CEFR主热传输系统冲击，这种冲击通过汽机甩负荷后三回路压力，流量和温度变化曲线已经可以看到。建议在CEFR后续运行中积累基础运行数据，完善主给水调节、凝结水调节和除氧器液位调节等系统自动调节功能，建立一套CEFR三回路调节系统。

7 CEFR满功率甩负荷相关保障

通过两次汽轮机甩负荷试验的成功，表明了中国实验快堆高功率情况下主传热系统的可靠稳定，为后续满功率运行下开展甩负荷试验奠定基础，以下几点成熟经验值得借鉴。首先，试验前详细准备是试验成功的基础，试验准备包括人员准备、设备准备、资料准备等，这些工作都在前文中提到现不做详述。其次，试验人员严格按照试验规程操作是试验成功的保证，在甩负荷试验中，试验人员即当值操纵员依据试验规程遵照试验操作流程进行，另外，考虑到试验中突发情况，操作台还配有异常风险操作单。最后，良好的经验反馈是试验成功的助推器，操纵员通过经验反馈的归纳和学习，加深认知，指导堆上各项操作实践，建立适合CEFR运行的文化体系。

参考文献

[1] 郑体宽.热力发电厂[M].中国电力出版社，2000.

[2] （英）AM 贾德，著.快堆工程引论[M].阎凤文，译.原子能出版社，1992.

[3] 徐銤.快堆热工流体力学[M].中国原子能出版社，2011.