基于堆机协调下汽轮机停机顺控的实现

吴东鑫

（江苏核电有限公司，江苏 连云港 222042）

0 引言

田湾核电一期工程的汽轮发电机组采用俄罗斯供货的K-1000-60-3000 型机组，汽轮机整套控制系统均由俄方设计院联合德国西门子公司共同设计，调节系统为电液并存调节方式，而田湾核电二期工程采用由哈尔滨电气股份有限公司设计和制造的HN1176-6.0 型半转速汽轮发电机组，其对应的原型机为AP1000 配套使用的TC6F-54 型汽轮机发电机组，该机组是一台单轴、四缸六排汽带中间汽水分离再热器的反动式凝气式汽轮机[1]，其汽轮机控制系统由哈尔滨汽轮机厂联合德国西门子公司负责设计供货，西门子数字蒸汽汽机控制器（STC）控制汽轮机调阀，从而达到控制蒸汽流量的目的[2]。国产汽轮发电机组与WWER-1000/428 型反应堆匹配使用在国内外均属首次，且该型汽轮发电机为国内外首台商业运行机组，俄方设计院和哈尔滨汽轮机厂的两种设计路线在汽轮机的设计、运行以及控制理念上有着较大的不同，主要体现在堆机协调配合、自动化程度要求等方面，另外汽轮发电机组解列的功率平台的规定也有所不同，上述差异对田湾二期工程堆机协调下汽轮机停机过程的控制带来了较大的影响。为此本文对VVER-1000 型反应堆以及TC6F-54 型汽轮机在停机过程的协调问题进行详细深入的分析，针对性地提出解决方案，为后续核电机组基于堆机协调下汽轮机自动停机的顺利设计提供了重要的参考。

1 VVER-1000型反应堆以及TC6F-54型汽轮机的堆机协调方式

VVER-1000 型反应堆以及TC6F-54 型汽轮机的堆机协调方式分为N 模式和T 模式两种。

1.1 N模式

N 模式为机跟堆模式，反应堆自动功率控制系统（APC）控制堆功率，汽轮机控制系统（DEH）控制主蒸汽集管压力，并维持主蒸汽集管压力为6.02MPa，正常运行期间旁排阀处于关闭状态。

1.2 T模式

T 模式为堆跟机模式，反应堆自动功率控制系统（APC）控制主蒸汽集管压力，并维持主蒸汽集管压力为6.02MPa，汽轮机控制系统（DEH）控制电功率，正常运行期间旁排阀处于关闭状态。

1.3 机组启动以及瞬态工况下协调方式

在机组启动期间，反应堆自动功率控制系统（APC）控制堆功率稳定，旁排阀处于打开状态维持主蒸汽集管压力，汽轮机控制系统（DEH）处于转速模式，负责控制汽轮机转速，并按照设计速率冲转至额定转速1500RPM，在同期并网之后汽轮机控制系统（DEH）切换至负荷模式，提升机组负荷直至旁排阀关闭，在旁排阀全部关闭后汽轮机控制系统（DEH）切换至压力模式，跟随反应堆同步提升电功率，直至机组满功率运行。

机组正常运行期间如果出现甩负荷工况，旁排阀在主蒸汽集管压力紧急上升时自动打开，并维持主蒸汽集管压力为6.27MPa，汽轮机控制系统（DEH）则自动切换至负荷控制模式，在甩负荷工况结束之后，维持切换当前电功率稳定。

2 VVER-1000型反应堆及TC6F-54型汽轮机在停机过程中的控制要求分析

2.1 VVER-1000型反应堆在停机过程中的要求

在田湾核电一期工程中，正常停机时，APC（反应堆自动功率控制系统）处于N 模式下控制堆功率，汽轮机控制系统工作在压力控制工况，控制主蒸汽集管压力。随着反应堆工作在维持功率工况，降低机组负荷，当汽轮机发电机功率降低至300 MW 时即可准备打闸停机，之后由操纵员使用后备盘事故停机按钮，切除汽轮机[3]。同时汽轮机旁排阀通过快甩负荷信号降低旁排阀开启定值，使旁排阀自动开启并维持主蒸汽集管压力在6.27MPa。

根据田湾核电一期工程的运行经验，反应堆功率下降到比较低的水平并不利于反应堆功率的稳定控制。同时田湾一期汽轮机停运过程中，为了在打闸停机时形成快速甩负荷信号，规定宜在电功率大于212MW 时，打闸停机[4]。

在田湾核电二期工程的设计阶段，俄方设计院要求3、4 号机组汽轮机正常停机时反应堆的功率平台应该维持在20%Nnom ～40%Nnom。

2.2 TC6F-54型汽轮机在停机过程中的要求

汽轮机的停机过程是一个降温过程和冷却过程，随着机组温度的下降，各部件受到不均匀的冷却，也将产生热变形和热应力[5]，在汽轮机正常停机过程中需要严格遵守主汽轮机运行规程的相关规定。根据哈尔滨汽轮机厂提供的运行规程中规定，TC6F-54 型汽轮机应在5%的额定电功率平台进行解列并打闸停机[6]，以减小对缸体的损伤，延长汽轮机的寿命。同时，在汽轮发电机运行导则中也规定：“将发电机有功负荷及无功负荷降至最低，然后再执行停机操作”[7]。

3 汽轮机自动停机顺控设计过程中的问题以及分析

3.1 初步设计中汽轮机停机顺控逻辑中存在的问题

由于该型国产汽轮发电机组与WWER-1000/428 型反应堆匹配使用在国内外均属首次，无任何成熟经验可以参考，所以原设计中厂家提供的汽轮机停机顺控逻辑并不能满足核岛自动功率控制器（APC）对汽轮发电机停运的限制要求，以及汽轮机在降负荷停机过程当中的需要。

在原设计中，具体的停机步序如下：

A、停机顺控允许条件：

汽轮机的电功率大于282MW。

B、在停机允许条件满足的情况下，操纵员手动投入停机顺控，停机顺控步序如下：

S1：设定负荷的目标值为282MW，设置负荷的变化率为55MW/min。

当电功率达到目标值282MW 时，执行下一步：

S2：将HOLD 按钮激活。

将S1 步中设定的目标值以及变化率锁定。降负荷的限制条件满足时，执行下一步：

S3：将HOLD 按钮激活。

将S1 步中设定的目标值以及变化率锁定。降负荷的限制条件满足时，执行S2 步。此时如果汽轮机电功率大于20% Pnom，则继续循环执行步序，如果汽轮机电功率小于20% Pnom，则执行下一步：

S4：顺控结束。

根据对上述汽轮机停机顺控的分析，其中存在的主要问题有：

1）在降负荷期间，自动功率控制器（APC）处于N 模式，即机跟堆模式，由反应堆控制堆功率，汽轮机控制主蒸汽集管压力。同时根据俄方的设计要求，反应堆的堆功率需要保持不低于20%的功率，根本无法跟随汽轮机降低至5% Pnom 的电功率平台。

2）在自动功率控制器（APC）处于N 模式下，如果反应堆功率降至20%Nnom 维持不变，汽轮机控制系统处于压力控制工况，也无法将电功率降低至5%Pnom。

3）堆机协调下的停机过程中，反应堆的堆功率需要保持不低于20%Nnom，汽轮机的电功率又需要维持在5%Pnom 才能解列，这样就需要引入旁排阀将多余蒸汽排至凝汽器，以维持主蒸汽集管压力稳定。当汽轮机在电功率为5% Pnom 时解列停机，由于负荷量小，无法形成甩负荷信号，旁排阀门无法根据甩负荷信号立即打开，必须等待主蒸汽集管压力从6.02MPa 上升到6.67MPa 时打开并维持主蒸汽集管压力为6.27MPa。此时在APC-N 模式下，如果主蒸汽集管压力大于APC-T 模式压力额定值0.2MPa 时，自动功率控制器（APC）会强制选择并投入T 模式[8]，开始下插控制棒，如此将会导致反应堆功率持续降低，引入负反应性。

综上所述，旁排阀在停机过程中何时打开维持主蒸汽集管压力以及APC 的模式也成为必须综合分析考虑的问题。机组准备停运时，发电机负荷减少、解列或只带厂用电负荷，而有了旁路系统的配合，可使核岛逐渐降低负荷，直至核岛停堆[9]。当主蒸汽集管压力升高时，如果旁排阀未及时准确打开降低主蒸汽集管压力，则可能触发反应堆PP1 预保护动作，导致反应堆功率持续降低。若旁排阀提前打开，又会导致主蒸汽集管压力下降，一回路冷却剂温度降低，将对反应堆引入正反应性，同样不利于机组稳定，对机组安全稳定运行造成风险。

综上所述，以及结合1.1 以及1.2 章节中的相关要求分析，目前的停机顺控逻辑并不能满足核岛以及汽轮机在停机过程中的要求，也不满足机组在正常运行时的实际应用。而对该停机顺控进行修改，需要对停机过程中的上述问题进行详细深入的分析以及提出相应的解决办法，为堆机协调下汽轮机停机顺控的实现提供相关依据。

3.2 问题的分析以及解决措施

1）在核电厂中，反应堆的安全处于最重要的地位，其余系统或设备均须适应和配合反应堆的状态进行实际运行，所以在停机过程当中，自动功率控制器（APC）应处于N模式下，汽轮机控制系统（DEH）维持主蒸汽集管压力，同时跟随反应堆功率下降，同步降低电负荷。所以当反应堆功率从100%Nnom 降至20%Nnom 后，反应堆功率应该维持不变。

图1 汽轮发电机组自动停机顺控步序图Fig.1 Step diagram of turbine automatic shutdown

2）在APC-N 模式下，在反应堆功率降至20%Nnom维持不变后，汽轮机无法继续跟随反应堆降低负荷，汽轮机负荷的继续降低可以通过强制触发DEH 的甩负荷通道，通过甩负荷通道既可以将DEH 的控制模式从压力模式切换至负荷模式，同时又可以设定相应的负荷目标值以及负荷变化率，将电功率降低至5%Pnom。

3）在反应堆功率维持不变，汽轮机降负荷的过程中，主蒸汽集管的压力将会升高，由此将带来APC 模式的切换，不利于机组稳定控制。通过对APC 系统的工作特性以及旁排阀的工作模式的分析，制定了优化思路：在汽轮机停机顺控执行之前，将自动功率控制器（APC）切除自动，或者将APC-T 模式主蒸汽集管压力定值修改为6.27MPa。这样，在停机过程中，就不会导致APC 模式发生改变。

图2 汽轮发电机组自动停机参数曲线图Fig.2 Curve of turbine automatic shutdown

4）在反应堆处于低功率运行时，当主蒸汽集管压力在6.0MPa 时打开旁排阀，可能会导致一回路冷却剂温度低于280℃，将对反应堆引入正反应性，不利于机组稳定。所以在停机前，将旁排阀的打开定值从6.67MPa 修改为6.27MPa，旁排打开后维持主蒸汽集管母管压力为6.27MPa。

4 汽轮机停机顺控的实现方案

4.1 汽轮机停机顺控的说明

依据第2 章中对目前存在的问题分析以及制定的相关解决措施，最终整理形成整个停机顺控的执行方案。具体如下：

在停机过程中，APC（自动功率控制系统）处于N 模式下，APC 控制反应堆功率，汽轮机控制器处于压力模式，控制主蒸汽集管压力。当反应堆在APC-N 模式下降低核功率至20%Nnom 后，反应堆功率维持不变，APC 退出自动或者操纵员手动将APC-T 模式的压力设定值修改为6.27MPa，之后通过停机顺控将旁排阀打开定值从6.67MPa修改到6.27MPa，并维持主蒸汽集管压力6.27MPa。同时，将DEH 切换至功率模式（使用甩负荷通道runback 信号），以50MW/min 的速率自动降低电功率到56MW（5%Pnom），然后与电网解列。之后经操纵员确认后，自动执行“关闭所有汽门”，并将旁排阀的打开定值恢复为6.67MPa，最后执行汽轮机打闸停机。

4.2 汽轮机停机顺控的步序

结合3.1 章节中对顺控的描述，设计出具体的顺控步序说明如图1。

4.3 汽轮机停机顺控的应用与效果

上述章节中汽轮机停机顺控的设计方案已在田湾二期工程中实际应用，并在田湾二期工程调试期间对汽轮机自动停机顺序控制进行了实际验证，整个停机过程各个执行机构动作准确、机组状态平稳，一次成功，同时满足中俄各方对汽轮机自动停机过程的所有的限制要求，图2 为汽轮发电机组自动停机各项参数曲线。

5 总结

本文以田湾核电站3、4 号机组汽轮机停机顺控的实际问题为基础，针对VVER-1000 型反应堆以及TC6F-54 型汽轮机在停机过程中的控制要求进行了详细的分析，在充分考虑核岛自动功率控制系统（APC）和汽轮机控制系统（DEH）的控制特点以及旁排阀运行模式的基础上，对汽轮机的停机顺控给出了详尽的解决方案。本文中阐述的停机方式已在田湾二期工程中实现并应用，在调试和生产阶段进行了多次实际验证，整个汽轮机停机过程中堆机协调稳定，各个执行机构动作准确、机组状态平稳，能够满足核电机组实际运行需求，为其他核电厂提高自动化水平以及解决此类问题提供了重要参考。

表1 汽轮发电机组自动停机参数Table 1 Parameter of turbine automatic shutdown