三门汽水分离再热器运行控制分析

徐伟平

【摘 要】三门核电厂常规岛采用的汽水分离再热器（MSR）为三菱设计，哈锅制造。本文对其运行控制进行了阐述，通过对比秦山核电厂MSR的运行控制方式，探讨分析三门MSR具有的控制特点及后续投运后的关注问题。

【关键词】汽水分离再热器（MSR）；再热温度控制器（RTC）；热启动；冷启动

中图分类号： TM623.4 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）09-0110-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.09.051

0 引言

汽水分离再热器（MSR）是核电站常规岛重要设备之一，其功能是降低高压缸排汽的湿度，并使蒸汽具有一定的过热度，从而改善低压缸的工作条件，提高热力循环效率。

MSR可靠、安全的运行，关键在不受到诸如热应力，振动等造成的损坏。据2004年IAEA的成员国核电厂经验反馈报道，由于MSR故障造成的降功率停堆事件多达27次。正确认识MSR的特性，合理运行并能够及时发现故障，避免故障扩大对运行人员说显得尤为重要。三门核电厂采用三菱技术制造的MSR，其在国内尚无运行经验可以参考，通过对比分析了解其运行控制特点，对今后的调试运行实践来说具有一定意义。

1 三门MSR运行与控制逻辑分析

1.1 三门MSR介绍

三门核电厂常规岛有两台卧式MSR，布置在汽机两侧。每台MSR由壳体，汽水分离器，两个一级再热管束和两个二级再热管束组成，长约30米，直径达4.6米，为第三代“特大容器”型汽水分离再热器。再热管束采用传统的双流程方形布置，汽水分离采用V形波纹板，设计分离效率达到98%。

1.2 三门MSR冷态、热态启动过程

汽机开始冲转后，即对MSR一级管道进行暖管预热。由于新蒸汽温度压力很高，因此投入二级再热器时需要对这部分蒸汽管道和加热管束进行预热。当汽机负荷大于10%后（即图1的A点），MSR二级再热预暖阀开始开启，以少量蒸汽对下游管道及二级再热管束进行预热，并且扫除积留在管道内的不凝结性气体。当继续升负荷使汽机负荷达到35%时，MSR温度控制系统对二级再热蒸汽进行控制。此后，控制系统进入对温度控制阀的PI控制，控制MSR二级加热蒸汽的压力逐渐升高，使得 MSR出口蒸汽的温度，即低压缸入口蒸汽温度从图1所示的B点，以45°C/h的速率达到负荷设定温度（C点）。调节系统按照负荷设定温度模式运行直到负荷达到50%，温度控制阀全开后，控制系统即退出MSR温度的PI控制，将温度控制阀旁路阀打开。控制过程就此结束，之后由于主蒸汽的压力随机组负荷增加而减少，MSR二级加热蒸汽温度及压力也随之减小，低压缸入口蒸汽温度也相应减小。直到机组满功率运行，MSR即处于稳定工况。

如果汽机复置时低压缸的入口金属温度大于150℃，那么MSR即自动进入热启动模式。与冷启动过程不同的是，由于此时转子处于高温状态，为了减少对低压缸转子的热冲击并且快速提高转子温度，使得汽机可以尽快投入，控制系统将温度控制阀打开5%开度之后（保持3分钟），将并网时低压缸入口金属温度所对应的饱和压力，作为控制目标初始值，控制温度控制阀开度。因此，MSR出口蒸汽温度有个迅速提高的过程，以达到转子温度所对应的值。此后控制系统即控制低压缸入口蒸汽温度以45°C/h的速率达到负荷设定温度（204°C，L点）。之后的过程和正常冷态启动的过程一致。

2 三门与秦山核电厂MSR运行控制差异分析

2.1 控制手段的差异

秦山核电厂MSR的RTC使用直接测量蒸汽温度的方式，通过闭环控制最终低压缸入口蒸汽温度。而三门采用开环控制，测量并控制二级加热蒸汽的压力，从而达到间接控制MSR出口蒸汽温度目的。由于蒸汽压力的变化，反应在温度的变化上会有个滞后。因此通过函数对应的方式，采用压力控制MSR出口蒸汽温度，避免了温度反应滞后带来的控制困难。

2.2 热启动过程的差异

对于秦山核电长MSR RTC系统，汽机在复置后达到600rpm时，就开始通过大小控制阀控制二级再热蒸汽温度，使MSR出口蒸汽温度从低压缸入口金属温度升高到204℃。

三门MSR的热启动过程有所不同，当进入热启动模式后，首先开启预暖阀保持管束为热态，在汽机并网以后微开温度控制阀，等待3分钟后才开始MSR出口蒸汽温度的迅速升高过程。参照秦山秦山核电根据高压转子温度进行的热启动过程，从冲转到并网带5%基荷所需约10分钟，在这10分钟内，低压转子将在冷蒸汽的作用下降温，而后，在MSR二级再热器投入时，转子温度会有个回升的过程，快速升高到204℃。图1 中的M点即为投入MSR二级再热前的MSR出口温度（低于150℃），K点为此时的低压缸入口金属温度，两者存在较大的温差。

2.3 MSR扫汽管线配置差异

MSR管束内的蒸汽并不全部凝结，而是含有 2%左右的蒸汽，这部分余汽便成为扫汽，用来将凝结水以汽液两相流的形式带出。如果管內蒸汽全部凝结，则会形成一段水柱，而水柱在流动过程中会继续冷却，产生过冷现象。过冷不仅会造成MSR热效率下降，而且在水柱产生后，形成“水阻”，流动减慢，在其后蒸汽的推动下，水柱即加速似子弹一样射出，随即大量温度稍高的蒸汽涌出，从而引起震动，并且由于温度的波动，对结构密封的严密性产生威胁。这也是大部分早期MSR产生泄漏的诱因。因此运行过程中，需要保证MSR各级加热器扫汽量符合这个要求。

另外，对于不同负荷水平，扫汽占加热蒸汽的比例不同，典型的一个数值为100%功率下扫汽占2%总加热蒸汽量，而50%功率的时候，需要3～10%的扫汽量才能保证MSR加热管束出口凝结水不过冷[3]。

秦山核电厂扫汽量的调节通过就地调节手动截止阀（见图2），根据管束出口凝结水的温度来确定开度，在满功率运行后就地进行调节。三门MSR二级再热器扫汽管线配置了节流孔板及旁路气动控制阀，随着负荷的变化对扫汽量进行调节，以使MSR工作在最佳稳定工况下（变化曲线如图3所示），提高蒸汽循环效率。如果出现变功率运行，则此阀能自动调节扫汽，无需人为干预。需要运行人员注意的是，扫汽孔板旁路阀动作正常与否，对于整个二回路系统来说可能并不会造成仪表报警，但是对MSR传热管的寿命却至关重要。因此在变功率运行工况下，确认此阀动作到位，扫汽流量正常，是MSR能够安全运行的关键。

2.4 二级再热蒸汽控制阀门组配置差异

秦山核电厂设置了大泄漏阀和小泄漏阀，截留上游隔离阀泄漏的蒸汽。其目的是避免泄漏蒸汽进入到MSR二级再热管内，防止MSR二级再热管束在未满足投入条件时，由于管束受到蒸汽的不均匀加热而变形损坏。对于一级再热管束没有这个问题，因为它是随着汽机启动而投入的，而二级再热管束，由于加热蒸汽温度相对较高，加热不均极易造成传热管向上拱起。启动过程是MSR对热应力比较敏感的时期，世界上第一台MSR就是由于启动时的热应力而损坏的。因此，针对上述情况，在启动过程中，特别是在主蒸汽隔离阀（MSIV）下游蒸汽管道开始暖管的过程中，需要关注MSR二级再热器温度控制阀下游的温度仪表指示。若出现温度异常升高，则表明有泄漏蒸汽存在，此时应采取措施隔离蒸汽。

3 结论

通过对比分析三门与秦山核电厂MSR运行控制方式的差异，总结出以下三门MSR运行控制的特点，以及参考的建议：

（1）MSR采用控制二级再热蒸汽压力，间接控制低压缸入口蒸汽温度，避免了温度反应滞后给控制带来的困难，使得控制简单而有效。

（2）二级再热器扫汽孔板旁路阀的设置，使得扫汽控制完全自动，无需手动调节，并且控制扫汽流量在不同功率运行时做到最优化，提高了效率，值得国内MSR设计制造借鉴。

（3）MSR在热启动时，投入二级再热器的时间较晚，调试期间热启动较多的情况下需关注汽机转子热应力影响。

（4）由于二级再热器的蒸汽控制阀门组没有配置泄漏阀，为了避免泄漏蒸汽影响二级再热管束，在主蒸汽投入的过程中，应密切关注温度控制阀下游的温度指示，必要时关闭上游蒸汽隔离阀。

【参考文献】

[1]曲东平.核电汽水分离再热器管束设计研究，上海汽轮机有限公司.

[2]黄悉然.核电机组汽水分离再热器的发展 上海发电设备研究所.

[3]Jun MANABE and Jiro KASAHARA.Moisture Separator Reheater for NPP Turbines. Mitsubishi Heavy Industries， LTD.