核电站汽轮机GRE上位机蒸汽流量限制解套方法及原理分析

胡诗毅 郑雪

摘 要：大亚湾核电基地历史上曾发生因一二回路功率变化导致GRE上位机的蒸汽流量限制起作用，汽轮机功率被套住无法进行改变的事件，针对这些事件的背景及原理进行分析，以寻求解决该问题的方案。

关键词：GRE上位机；蒸汽流量限制；压力模式；解套

中图分类号：TK262 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）24-0070-03

1 背景介绍

2012-4-10因为发生电网事故，岭澳核电站开启降负荷。降至约940 MW，因为“压力控制”未退出导致“压力控制-反应堆模式”生效，GRE上位机被套住，机组停止降功率，其后按解套预案，点动下位机降汽机功率，逐步降低压力值，解套后，GRE上位机将目标负荷设定为当前值，并通过G棒匹配功率和冷热，“压力控制-反应堆模式”生效及处理期间停留约5 min。

2002年5月10日00：59大亚湾1号主控突然出现一系列报警，高压缸四个调节阀开大，汽机高压缸入口压力上升为60.2巴，大于操纵员设定压力60巴，正常压力模式起作用导致高压缸调节阀不能自动关小所致。考虑到反应堆长时间处于超功率状态违反核安全要求，决定退出压力模式后降低反应堆功率。为防止退出压力模式瞬间功率波动，首先将G棒置手动，退出压力模式，降负荷至950 MW。

1999年9月26日，台风过后，机组从760 MW开始升功率，目标负荷设在800 MW，操纵员蒸汽流量限制为72%。当上位机显示蒸汽流量定值达到77%时，调节器上位机由自动负荷控制转为手动控制。操纵员发现情况后，重新设置操纵员蒸汽流量限制为80%，并切回到自动负荷控制，造成发电机功率陡升到800兆瓦引起5%功率阶跃，因G棒在堆顶，致使R棒提出，引起I右预警线报警，随后在自动方式下，机组稳定在800 MW。

2 知识点介绍

2.1 操纵员蒸汽需求限制原理

操纵员通过上位机对蒸汽需求量给出的限值。该值可以设定（通过上位机Steam Demand Limit按键），在开始升负荷以前应根据目标负荷设定合适的蒸汽流量限值以防升负荷过程中蒸汽流量限值起作作用。

当蒸汽流量限值起作用后，实际蒸汽流量不再上升，GRE就会马上由自动转到手动状态。、

操纵员可通过上位机对蒸汽需求量给出一个限值，可在-50%～105%之间。若不设置，默认为105%。机组稳态时，SD LIMIT设置比ACTUAL SD高13%。蒸汽需求限制原理图，如图1所示。

2.2 高压缸入口压力控制原理

压力控制模式与其说是一种控制功能不如说是一种保护功能，它的原理是在系统同期状态下（并网），采集压力信号与压力参考值比较，通过PI调節器产生压力限制，与操纵员蒸汽流量限制，超速限制，超加速限制一起（小选），产生蒸汽流量限制，将汽轮机高压缸进气压力控制在设定值上。目的是限制汽机进汽压力或限制汽机进汽压力的增长速率，防止一回路超功率。

压力控制两种模式：正常模式（Normal Mode ）和反应堆模式（Reator Mode）。 压力控制方框图，如图2所示。

正常模式（Normal Mode ）：正常模式的压力定值来源于系统的设定Pmax以及操纵员终端设定Operator Pressure reference，当高压缸入口压力上升超过设定值时，PI调节器计算产出与此压力相对应的蒸汽流量限值（小于105%SD），如果压力限制小于蒸汽需求指令则压力模式投入运行，阀门受压力控制产生的限值进行调节（入列，显示" HP INLET PRESSURE CONTROL-NORMAL”）。

在系统压力小于压力定值，压力控制计算的限值逐渐增长并大于蒸汽需求指令，高压缸入口压力控制解除，微型调节器恢复到高压缸入口压力控制投入以前的状态（手动或自动）（出列）。为避免PI调节器的积分作用使阀门过度关闭产生蒸汽锁效应，系统对压力模式设置了限制，由可调参数“Pressure Control M in SD Limit”进行限制（通过工程师终端设定），若低于该值，则输出“Pressure Control M in SD Limit”。同时为了避免频繁的出入列，软件上设置了死区，同时需要将压力参考值调大一些，以补偿设置死区而降低的出力。

反应堆模式：当反应堆功率小于96%Pn时，开关K1～K5的位置如图1所示。当反应堆功率上升到96%Pn时，核功率测量系统RPN向汽机调节系统发出一个逻辑信号，汽机调节系统即转为反应堆压力控制模式。该信号将开关K3置向右方，开关K2、K4闭合，并将与开关K4联动的开关K5置向下方。比较及存贮环节记忆并输出当时汽机进汽压力PR。PR经开关K3输至加法器。预先设置的汽机进汽允许压力Pmax（一般设置为105%SD）与PR的差值经开关K4输至开关K1。开关K1受上位机键盘上的压力释放按键控制。在操纵员按这个按键之前，K1是断开的，此时Pmax-PR不能输至加法器，加法器的输出仅为PR。低选门在操纵员设置的汽机进汽压力限值Pr2与PR值中选出一个最低值，汽机进汽压力与它比较。比例积分调节器维持汽机进汽压力不变，汽机功率及反应堆功率也维持不变。 反应堆模式生效逻辑图，如图3所示。

待反应堆功率稳定下来以后，操纵员可按“压力释放”键，使开关K1闭合。速率限值比较器的输出即以操纵员设置的很小的升压速率向终值（Pmax-PR）过渡。该输出通过开关K2加到加法器。加法器输出Pr1即从原来的PR逐渐增加，最终引起汽机进汽压力缓慢上升，汽机功率和反应堆功率也缓慢上升。这个压力上升速率可以用压力控制栏的速率键设定，最大值为0.003 Pmax/min。

通过先维持汽机进汽压力不变，再以缓慢速率上升的方法，防止了反应堆在接近满功率时产生超调。通过压力控制栏的参考值按键和数字键用人机对话方式设置压力限值Pr2，用投入键投入压力控制。当Pr1增加到Pmax后，比较器输出逻辑信号，使各开关恢复原位。 反应堆模式信号示意图，如图4所示。

图4中（a）是正常情况，反应堆功率超过96%后没有波动，持续保持96%以上，这种情况该信号存在10 s后消失。图（b）是另一种特殊情况，信号在96%附近波动时就会反复产生触发信号。由于RPN堆外中子测量的随机性会造成测量值在一个较小幅度频繁波动，且RPN424/448/460/472XU设计中没有回差，实际运行过程中也遇到过这种情况，当出现这种情况特别是反复出现间隔较短，这时会导致相当触发的信号一直不能消除，此时操纵员不能实施“释放”，不能“释放”意味着二回路功率不能升高，同样由于采用“堆跟机”的控制模式，反应堆功率也就不能上升，这就落入死循环，功率永远“稳定”在96%附近。这需要操纵员手动升降功率，尽快使反应堆触发信号消除，这样才能打破死循环。

出现图4中（b）情况下，则需手动退出反应堆模式。

3 模拟机操作

为了验证操纵员蒸汽需求限制、压力控制-正常模式、压力控制-反应堆模式三种蒸汽流量限制生效后对机组的影响及如何退出限制才能对机组的扰动最小，对此进行了探究。

3.1 操纵员蒸汽需求限制生效后的退出

操纵员蒸汽需求限制生效后，按照S程序或者瞬态干预导则方法可解除限制。解除后电功率无自动波动，但在解除过程中因G棒在手动位置，需关注一回路核热功率及冷热变化。

方法一：用下位机减小蒸汽流量设定值。

①将G棒放手动控制；

②调整目标负荷为实际负荷值；

③用数字键输入实际负荷值；

④触摸“ENTER”按钮；

⑤按下LOWER和PERMIT键使；

⑥SDSetPt与OpSDLim一致；

⑦选择自动负荷控制方式；

⑧提高OpSDLi 值。

方法二：增加操纵员蒸汽流量设定值。

①将G棒放手动控制；

②调整目标负荷为实际负荷值；

③用数字键输入实际负荷值；

④触摸“ENTER”按钮；

⑤触摸“RATE”按钮，并用数字；

⑥键输入负荷速率数值为0.5MW/Min；

⑦触摸“ENTER”按钮；

⑧选择自动负荷控制方式，若不成功，将操纵员蒸汽流量限制改大0.1（%），再投自动。重复该步，直到上位机在自动负荷控制下将蒸汽流量设定值降到实际负荷值；

⑨提高OpSDLim值。

3.2 高压缸入口压力模式

压力控制两种模式：正常模式（Normal Mode）和反应堆模式（Reator Mode）。

3.2.1 高压缸入口压力模式（正常模式）

我们试验了四种退出正常高压缸入口压力模式的方法。

①直接修改高压缸入口设定值REF。

把REF直接改為当前压力加上3bar，改完以后电功率将快速向load set point 变化，速率RATE不起作用，此时即使改变上位机target load ，load set point仍然保持不变，电功率直至达到load set point才开始以设定速率向target load变化。

所以直接改变REF会造成电功率的波动，波动的大小与压力模式中电功率的变化大小相关，压力模式中电功率变化越大，退出压力模式后电功率的瞬间变化也大。

②用下位机减负荷减小高压缸入口压力。

根据机组实际经验：利用下位机减电负荷从而使实际高压缸入口压力减小，当压力低于REF一定值后，高压缸入口压力模式可退出。

但是在模拟机的操作过程中，发现高压缸入口压力模式生效后，无法操作下位机来减负荷。此种方法验证失败。

③利用上位机直接退出高压缸入口压力模式。

在上位机上直接利用OUT退出高压缸入口压力模式时，上位机将直接转手动，电功率维持在波动的那一瞬间的电功率不再变化，波动小，退出之后可正常操作上位机升负荷。

需要注意的是若果上位机还没有显示“HP INLET PRESSURE CONTROL-NORMAL”，只是HPpressurelimit 开始下降时就退出高压缸入口压力模式，负荷将同直接修改REF一样，向load set point 变化，速率RATE不起作用，此时即使改变上位机target load ，load set point仍然保持不变，电功率直至达到load set point才开始以设定速率向target load变化。

④利用操纵员蒸汽需求限制。

在上位机上改变操纵员蒸汽需求限制至比Actual load小1%，这样操纵员蒸汽需求限制将生效，此时在将高压缸入口压力模式直接OUT，因为有SD的限制，电功率仍然处于SD限制的波动中。在高压缸入口压力模式退出以后，再利用操纵员蒸汽需求限制的解套方法将其解除。

这种方法解除限制之后电功率波动小，之后可在上位机上重新设置。

3.2.2 高压缸入口压力模式（反应堆模式）

对于高压缸入口压力模式（反应堆模式），我们实验了三种解套方法。

①直接退出。

直接退出反应堆模式与直接退出正常压力模式效果相似

波动也较小。

②用下位机降负荷。

与正常压力模式相同，在反应堆模式生效时，模拟机上也不利用下位机改变电负荷。

③利用操纵员蒸汽需求限制。

这种方法的效果与正常压力模式也相似，在实际机组上也应用过，对机组的影响较小。

4 模拟机操作小结

在验证操纵员蒸汽需求限制退出时，根据S*GRE程序或者瞬态导则即可。

在正常高压缸入口压力模式生效退出时，四种方法种直接退出法、利用操纵员蒸汽需求限制法解套之后的电功率波动较小，而直接修改REF退出之后电功率波动较大，利用下位机降负荷因为模拟机模拟失败，没有得到验证。需要特别注意的是，在正常高压缸入口压力模式刚开始降HP pressure limit时就采用直接退出法的话，电功率将有较大波动。

参考文献：

[1] 濮继龙.大亚湾核电站运行教程（上下）精装[M].北京：原子能出版社，

1999。