核电厂蒸汽排放系统安全性分析及改进

杨旭

(中核海洋核动力发展有限公司 上海 200125)

1 GCTc功能及运行方式

在压水堆核电厂中，汽轮机旁路系统（GCT）设计功能是提供一个人工负荷，平衡反应堆和汽轮机之间的功率差，将多余蒸汽量排向凝汽器（蒸汽凝汽器排放系统（GCTc），其设计容量可接纳85%的最大蒸汽流量）和大气（蒸汽大气排放系统（GCTa）），保证反应堆安全运行。在汽轮机出现大负荷变化时，汽轮机能够很快关小调节汽阀，降低汽轮机输出功率，而反应堆功率调节系统只能慢慢地以5%～10%速度逐步降功率，两者间功率差通过汽机旁路系统来吸收，提供一个暂时的缓冲功能。蒸汽大气排放系统（GCTa）是在蒸汽凝汽器排放系统（GCTc）不可用时投入使用。汽机旁路系统允许将反应堆冷却剂系统冷却到余热排出系统能够投入工作的工况点、把蒸汽发生器控制在零负荷时的压力，并维持冷却剂平均温度（Tavg）保持在其热停堆值附近、在瞬态过程中可避免蒸汽发生器安全阀的开启。此外，在汽轮机启动前GCTc承担主蒸汽管道的暖管和升温的控制，并协助汽轮机冲转、升速直至带上0%～15%负荷。在反应堆正常停堆或紧急停堆时导出反应堆残余热量，直至一回路设备余热排除系统投入运行为止。

蒸汽凝汽器排放既可以用蒸汽压力控制，也可以用冷却剂平均温度控制。所谓温度控制是它产生的GCTc 开启信号正比于反应堆冷却剂平均温度与代表蒸汽负荷大小的参考平均温度之差。所谓压力控制是将蒸汽集管的压力维持在手动预定值水平，控制回路是比例积分回路。两种控制模式的切换采用手动控制。

在两种控制方式下，通过调节传感器来的信号控制每一个阀门连续的开启，开启顺序是逐级进行的，即只有当前面的阀门或阀门组全开时，才依次开启后面的阀门或阀门组；第一组阀门是逐个开启的，先GCT121VV，其次GCT117VV，最后开启GCT113VV；第二组和第三组各组中的阀门是一起开启的。当接收到调节开关命令时，按相反的次序动作，最后开启的首先关闭。每组阀都有调节开启和快速开启两种开启方式，快开信号的动作点对应于调节全开的信号，以免调节开启和快速开启之间切换时对系统产生较大的扰动；由于压力控制在低功率下（15%功率）使用，为避免阀门动作过快造成对一回路的冲击，不设置快开功能。为了避免阀门故障开启对反应堆的不利影响，在启动蒸汽旁路时设置了联锁，主要有凝汽器不可用（C9非）、平均温度低（P12）、停堆信号（P4）、ATWT信号、汽机负荷变化信号（C7A、C7B）和短电网故障信号，同时在主控室配有闭锁开关。

2 GCTc运行事件及相应的改造

2.1 1GCT117VV 的锁定阀坏引起1 号机组甩负荷事件

2.1.1 事件描述

2005 年10 月12 日，1号机组670MW满功率运行。14∶55 分，1#机组开始进行1GRE024MP 的T1 试验，14∶56分，主控操纵人员突然注意到主控室电功率表在快速降低，立即转身查看控制棒和DEH，发现控制棒在持续下插，DEH 上出现RUNBACK 信号，且MW回路已退出，同时出现报警1RGL405AA（Tavgmin低）、1RGL506AA(环路1、2 超功率△T)、1RGL502AA报警（C2报警）。

2.1.2 直接原因

当进行1#机组的T1 试验时，需要对1GRE024MP加测试信号，此时1GCT旁排调节信号1GCT402CS2有输出，汽机旁路排放阀1GCT117VV阀门开启。主蒸汽母管压力从5.522 MPa 降低至5.462 MPa，发电机负荷由67O MW 降至660 MW 从而加大阀门开度从49%～59%，同时蒸汽流量从1 880 t/h 上升至2 008 t/h；由于参考温度（Tref）增加需要棒组D 快速提升，但是1RGL502EC信号C2闭锁了棒的提升，引起超功率信号C4 触发约33 s，从而触发机组RUNBACK 约33 s，使机组负荷最终降至613 MW。

1GCT117VV的锁定阀油脂干固，引发锁定阀不能正常工作导致了阀门误开启。

2.1.3 故障分析及技改

原设计中汽机旁路系统温度控制模式下的调节回路中使用的压力信号与反应堆功率调节、蒸发器给水调节是同一个信号（GRE023/024MP），在每次T1 试验时功率调节和给水调节信号可以主控手动切换，不影响这两大调节系统，而GCTc调节回路中的信号不能切除，在试验过程中会产生100%的调节信号（通过GRE024MP 产生）或汽机负荷变化信号（C7A、C7B）和短电网故障信号（通过GRE023MP 产生），若阀门气回路的锁定阀故障会使阀门快速开启，就会造成一回路超功率或过冷甚至出现安注等重大事故。

为了避免TI实验时对GCTc控制回路引入真实信号，就地增加两块压力变送器直接进入GCTc的控制回路，使旁路调节和功率调节、给水调节独立，减少T1试验的风险和对一回路的影响。在变送器安装时考虑到不能在高压缸重新开孔安装引压管线，而送DEH的汽机负荷信号（VVP031/032/033MP）参与的压力控制回路没有投运，综合考虑从VVP031/032MP 的引压管线上通过三通直接引到新增变送器GRE025/026MP。

为保障旁路调节和功率调节、给水调节三大调节系统的协调动作，通过每年定期校验变送器的方法保证控制信号的可靠。

2.2 2GCT124VV压空管线断裂导致降功率事件

2.2.1 事件描述

2004 年6 月27 日，2＃机组668MWe 满功率运行。凌晨4∶00，运行现操现场巡检时发现2GCT124VV阀门上一压空管线脱落（压空漏气声音很大），主控紧急呼维修仪控人员现场抢修。仪控人员维修完漏气的压空管线后，运行现操恢复该阀的供气。6时26分，在重新供气的过程中，阀门气控回路的另一路GCT快开信号的压空管线断开，失去压空后，2GCT124VV阀门打开，开度为42.32%；6 时27 分引起反应堆超功率ΔT 保护动作（触发C4信号），汽机甩负荷，电功率从666 MW甩到590 MW。主控迅速稳定机组状态，并让现场人员关闭2GCT124VV 前的手动隔离阀2GCT112VV，开启2GCT127VL，重新投入兆瓦回路，最后机组电功率稳定在585 MW。

2.2.2 直接原因

由于蒸汽旁排系统振动大，管子接头处承受的负荷比较大，加上机组瞬态旁路阀开启时的强大振动对压空管线的冲击使汽机旁路调节阀（2GCT124VV）快开电磁阀下游供汽管线上的一个螺纹接头断裂，导致2GCT124VV 调节阀迅速开启，引起一回路超功率ΔT保护动作（C4信号），汽机RUNBACK动作，汽机电功率从666 MW甩负荷到590 MW。

旁排阀门选型不合理，设计上有缺陷。这种气缸式的阀门控制复杂，供气回路附件多，设计上只考虑到失去压空总管线压空后，阀门能保持关闭状态，而没有考虑失去部分控制回路压空会造成旁排阀打开，一旦快开电磁阀后面气管断裂能使气缸上部失气，旁排阀就会开启。阀门振动大。阀门的振动分为两种：一是机组瞬态（紧急停机、停堆等）旁路阀开启时很大振动对压空管线的冲击；二是正常运行期间，周围及旁通管线产生的振动，也会造成压空管（铜管）疲劳损伤。

2.2.3 故障分析及改进

1/2号机组GCTc气动执行机构采用的是双气缸式气动控制阀，气源（压缩空气）通过联锁装置供给。可用快开和调节开启两种模式工作。

旁路调节阀气动执行机构的工作原理：两个联锁连接的三通电磁阀S2、S3，用于开启和关闭通向阀门执行机构的调节气源管路。电磁阀S2、S3根据所接受的允许信号而启动，然后压缩空气供给锁定阀，使定位器的控制气源能送到旁路阀，调节阀门的开度。另一个电磁阀S1 通过两位阀（27）切断气动定位器控制气源进旁路阀的气缸，它平时不带电时处于1→3通的位置，使得NC两位阀（27）打开，NO两位阀（28）关闭。当出现允许信号时电磁阀S2 和S3 带电1→3 通，排放阀通过锁定阀接受来自相关联的气动定位器的调节压缩空气信号而缓慢开启。定位器则接受来自电/气转换器的调节信号。当快开信号送来时，并且冗余的允许信号有效（在控制逻辑实现），定位器旁路电磁阀S1动作到2→3通的位置，NC两位阀（27）关闭，调节气路断开。而NO两位阀（28）打开，使得排放阀上气缸的压缩空气释放，而下气缸由总管的压缩空气直接供给，导致排放阀快速开启。当冗余的允许信号中有一个失效或两个都失效，则S1电磁阀1→3通，S2、S3电磁阀中有一个或两个2→3 通，从而切除定位器过来的调节气路，同时NC两位阀（27）打开，NO两位阀（28）关闭，导致总管的压缩空气通过锁定阀直接进入调节阀的上气缸，而调节阀的下气缸中压缩空气通过锁定阀排到大气，实现旁排阀快速关闭功能。阀门动作时间是：快开要小于2 s，快关要小于5 s，调节开或关小于10 s。

改变S1电磁阀的工作方式，S1电磁阀入口管线的连接位置。使S1电磁阀得电进压空去快开阀门，从而避免S1 电磁阀所在管线断裂再造成阀门快开。为保证阀门的正常动作，需要将27#两个常闭二位阀与28#常开二位阀位置互换，取消助动阀对阀门上附件加装支撑架，减少压空管线受力，减少管线断裂的可能。

3 GCTc系统现存问题及将来的改进

3.1 旁路排放阀手动阀限位不可靠

由于GCTc 手动阀门管线压差大，现场振动大，导致手动阀全开信号会时有时无。此手动阀门非全开将发出GCTc不可用信号，在汽轮机跳闸后不能投入旁路排放系统，使反应堆自动停堆。现在1/2 及3/4 号机组都是闭锁此手动阀信号，以TCA方式管理。1/2号机采取现场将GCT101～112VV手动隔离阀的全开行程开关摆臂用铁丝绑扎，保持全开信号一直处于触发状态。3/4号机则将此阀门送往RPR的保护直接闭锁，这样可以看到现场阀门限位的情况。不论方式如何，都不是治本的办法。

二厂4 台机组对GCTc 管道振动问题经行过以下技改，在振动较大的6根支管上加装隔而固阻尼器，并在原来的单薄支吊架上用钢板焊接来加固，调整失效的支吊架。在GCT 支管的总管VVP 管道上增加一个液压阻尼器来固定管道。这样消除了振动方面的原因后续建议调研岭澳二期等国内同类型电厂，尽快推动旁路手动阀技改换型。

3.2 阀门的控制方式与凝汽器不对称

对1/2 机组根据I CRF 001，如果CRF001PO跳闸，则关闭GCT 102/104/106/108/110/112VV，发出GCT-c A 列不可用信号，如上手动阀属于GCT 第三组阀门。如果CRF002PO 跳闸，则关闭GCT 101/103/105/107/109/111VV，发出GCT-c B 列不可用信号，如上手动阀属于GCT第一二组阀门。

对于3/4机组功率运行期间，若CRF001PO需要隔离检修，需要关闭手动隔离阀GCT 101/103/105/107/109/111VV，这6个手动阀门正好对应GCT第一二组阀门。按照运行技术规格书，会造成GCTc前两组6个阀门不可用，需要记录第一组I0（GCTc4：前两组阀门中有4 个阀门不可运行），8 h 内降功率到10%Pn 以下。若CRF002PO 需要隔离检修，需要关闭手动隔离阀GCT102/104/106/108/110/112VV，这6 个手动阀门对应GCT-C 的114/116/118/120/122/124VV（第三组），按照运行规格书，不用记录I0。对于汽轮发电机组来说，CRF001PO 与CRF002PO 作用是相同的，但由于GCTc前两组阀门都是对应CRF001PO 的，直接导致两台CRF循泵隔离检修时对机组所造成的核安全影响不相同。且严格说每次大修启动，如果002PO先启动，还无法升到10%Pn以上。

关闭手动阀主要考虑保护凝汽器钛管。但根据凝汽器内部结构，循环水单侧解列，解列侧对应CVI抽真空管线隔离，气流场会变化，中间没隔板，蒸汽自然往具备冷却条件的一侧钛管流动。同时根据技术规格书要求，每台凝汽器应能满足循环水单路进出运行的要求。凝汽器结构设计应考虑短时能半侧停运清洗，另半侧工作。凝汽器半侧运行时，应保证机组能带75%额定负荷。

举例：当发生LGA/LGB 母线失电单一故障时，凝汽器单侧运行并且要经历GCTc旁路排放的恶劣工况，所以凝汽器单侧运行后需不需要关手动阀还需论证。若设计院有具体要求建议将GCTc12 个旁路阀的控制进行修改，均衡两台CRF泵对应的前两组GCTc阀门的数量（一台循泵对应3个）。

3.3 提升GCTc的可靠性

二厂1、2 号机组的设计中，VVP 系统每根蒸汽管线上有7台安全阀，可分为两组具体如下。

第一组为3 台加能助动式安全阀，其设计目的是在二类瞬变工况下限制二次侧压力值，使之低于蒸汽发生器的设计压力。助动式安全阀的整定点低于蒸汽发生器和蒸汽管线的设计压力，但高于大气释放阀的整定压力值。考虑到蒸汽管线的压降、阀门特性和整定点误差，其整定点定为8.3 MPa·A。

第二组为4 台自行动作的弹簧加载式安全阀。其设计目的是用来限制三类、四类瞬变工况时SG 二次侧的压力值，使之不超过110%的蒸汽发生器设计压力。弹簧加载式安全阀的整定值是蒸汽发生器和蒸汽管道的设计压力，该值可以使系统最大承载处的最大压力在紧急和发生故障情况下不超过110%设计压力，考虑到蒸汽管道压降、阀门特性以及整定值误差等因素，整定值定为8.7 MPa·A。

由于助动式安全阀可靠性不高误开起可能导致在发生蒸发器传热管破裂事故时放射性物质向大气中失控排放，或加重主蒸汽管道破裂事故的后果。3/4号机组将原来每一条主蒸汽管线上的3个加能助动式安全阀（整定值（8.3±0.05）MPa）改为两台弹簧式安全阀（整定值（8.5±0.05）MPa）；将原来每一条主蒸汽管线上的4 个弹簧式安全阀（整定值（8.7±0.1）MPa）改为5台弹簧式安全阀（整定值（8.7±0.1）MPa）。在VVP 系统第一组安全阀的定值提高以后，必须提升GCTc的可用性与可靠性，以保证在Ⅱ类事故工况下GCTc能够在一定时间（10 s）之内接受蒸汽排放，确保一/二回路超压处在验收准则范围之内。所以3/4号机组GCTc从非核级系统更改为核级系统。并在技术规范中如下约束：

功率≥97%Pn 时，GCTc 的第一组和第二组共6 个蒸汽排放阀必须可运行；

功率≥90%Pn 时，GCTc 的第一组和第二组共6 个阀中5个蒸汽排放阀必须可运行；

功率≥83%Pn 时，GCTc 的第一组和第二组共6 个阀中4个蒸汽排放阀必须可运行；

功率≥10%Pn 时，GCTc 的第一组和第二组共6 个阀中3个蒸汽排放阀必须可运行。

可见安全阀修改后，GCT独立承担防止在二类事故工况下二回路超过设计压力的重任。特别是在由于冷凝器不可用引起汽机跳闸以后，必须要求反应堆自动停堆，以使其核功率水平做相应的降低。否则GCTc不能排放多余的热量，可能导致VVP安全阀开启。

1/2 号机组在211 及113 大修期间将实施技改，更换VVP第一组加能助动式安全阀为弹簧式安全阀（整定值（8.4±0.1）MPa）。这样就必须考虑提高GCTc 的可靠性，对GCTc不可用加以约束以避免二类事故工况下二回路超压或失控排放。

4 结语

安全稳定运行是核电的头等大事，随着机组服役时间的加长，主要系统设备或多或少都有技术变更或是设备替代，每个核电员工对这种新的系统设备都要抱着敬畏之心，不能凭着经验主义想当然地操作。该文深入浅出地介绍了GCTc 的运行方式、运行事件，梳理了系统变更的来龙去脉并提出了现存的问题和建议的解决方法，希望对今后该系统的运行改造有一定的借鉴作用，也希望核电员工通过不断的学习，能游刃有余地处理GCTc 偶发故障，避免发生非计划停堆停机，为机组安全稳定运行保驾护航。