AP1000 汽轮机旁路排放系统设计概述

曾 涛

（1.中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术重点实验室，四川 成都 610213；2.东方电气集团东方锅炉股份有限公司，四川 成都 643001）

0 引言

汽轮机旁路排放系统是核电厂中的重要系统，在机组紧急甩负荷、反应堆紧急停堆、机组启动/热停堆等工况下，旁路系统能够及时将主蒸汽排往凝汽器，从而实现一回路和二回路的功率匹配。 保证反应堆的安全。

汽轮机旁路排放系统共设置6 个旁排阀，6 个排放阀分成2 组，第一组在0～50%蒸汽排放需求范围运行；第二组在50～100%蒸汽排放需求范围运行。 每组的3 个旁排阀分别位于3 个凝汽器中，每个凝汽器设置2 个旁排阀。 为了避免由于旁排阀故障导致的不可控排放，单只旁排阀，在设计压力8.27 MPa 时，最大排放量为236 kg/s, 降低旁排阀误开导致一回路过度冷却的风险。

AP1000 汽轮机旁路排放系统的设计容量为40%额定主蒸汽流量，与反应堆功率控制系统配合，可以满足100%额定功率下的全部甩负荷而不生发生反应堆紧急停堆，同时稳压器或蒸汽发生器的安全阀也不开启。

1 汽轮机旁路排放系统功能

当反应堆功率和汽轮机功率不匹配时，汽轮机旁路排放系统通过将主蒸汽旁路到凝汽器为反应堆提供一个人为的符合负荷，主要实现以下功能：

（1）当电厂发生10%的阶跃减负荷或负荷线性变化量大于5%每分钟时， 通过汽轮机旁路排放系统排放至凝汽器，从而重新建立一回路和二回路的热平衡（为了防止小负荷扰动，引起的旁路系统排放。 当负荷变化小于此设计阈值时， 由反应堆功率控制系统、稳压器水位和压力控制系统内、蒸汽发生器水位控制系统来控制）。

（2）在电厂热停堆时，通过汽轮机旁路排放系统，使一回路冷却剂温度降低到余热排除系统能过正常投用的水平。

（3）在电厂启动阶段，主蒸汽通过旁路排放系统以可控的速率暖管， 当主蒸汽达到汽机冲转要求后，汽机冲转，同步并网，直至以稳定的负荷稳定运行，旁路系统随后自动关闭，并保持关闭状态。

2 汽轮机旁排阀控制原理

汽轮机旁排阀是一个气动控制的球阀，为了防止一回路过冷，当失去压缩空气时，阀门将弹簧失效保持关闭状态。 在每个旁排阀的气体供应管线上安装了4 个电磁阀（A、B、C、D），用于保护和控制。汽轮机旁排阀的控制原理见图1。

图1 汽轮机旁排阀控制原理

正常情况下，电磁阀D 断电保持关闭，隔断压缩空气管线供应，闭锁旁排阀。

电磁阀D 可以由凝汽器不可用信号闭锁。 避免凝汽器真空不足或者循环水系统和凝结水系统不可用时，防止旁排阀开启，蒸汽进入凝汽器，而造成设备破坏。

另外在2 个蒸汽发生器都处于低水位时，如果进行蒸汽排放，则会造成水位继续降低，传热管裸露而造成损坏。 因此此时电磁阀D 应保持断电关闭，旁排阀闭锁。

正常情况下，电磁阀A 和B 通电开启。 电磁阀A和B 以及至气动执行机构的压缩空气管线通畅。 当存在冷却剂平均温度低-2 信号或主蒸汽隔离信号时，因反应堆温度系数为负值，为了防止一回路冷却剂的过度冷却，电磁阀A 和B 将动作，隔断压缩空气管线供应，闭锁旁排阀。电磁阀A 和B 是一个冗余设置，即只要有1 个电磁阀动作，都会隔断压缩空气管线，闭锁旁排阀。

正常运行时电磁阀C 处于断电状态。电磁阀C 主要用于旁排阀的快开需要，动作的设定值是50%。 当第1 组阀门蒸汽排放需求大于50%或第2 组阀门蒸汽排放需求大于100%时， 电磁阀C 动作， 定位被旁路，压缩空气直接向气动执行结构供全压气体，旁排阀快速开启，此时旁排阀快开仅需要3 s。 当蒸汽排放量需求不大时，电磁阀C 不动作，根据偏差信号，压缩空气通过定位器， 提供一个合适的压力给执行机构，旁排阀按一定开度调制开启。

表1 汇总了汽轮机旁路排放系统，在接受相应信号事件时，对应的控制系统响应过程。

表1 汽轮机旁路排放系统控制响应

3 汽轮机旁路排放系统的控制模式

汽轮机旁路排放系统主要有两种控制模式，分别为一回路冷却剂平均温度TAVG模式和蒸汽压力控制模式。

3.1 一回路冷却剂平均温度TAVG 模式

一回路冷却剂平均温度TAVG模式通过测得的一回路冷却剂平均温度TAVG与由汽轮机第一级冲动压力推导得到的参考温度值Tref的差值， 产生一个蒸汽排放需求大小的信号。 这种模式主要用于甩负荷、汽轮机紧急停机和反应堆紧急停堆等。 一回路冷却剂平均温度TAVG模式又包含甩负荷控制器和电厂停堆控制器两种。 甩负荷控制器能够在突然性的大幅度降负荷时，防止反应堆冷却剂温度的大幅度提高。TAVG采用超前/滞后补偿， 以补偿电厂热响应和阀门定位的滞后。 在突然降负荷时，Tref迅速减小，TAVG有增加趋势,根据偏差信号（TAVG-Tre）大小，这时产生一个对应蒸汽排放大小需求。 当偏差信号（TAVG-Tre）大小高于某一设定值时，旁排阀快速开启。 随着旁排系统的运行，如果反应堆功率和汽轮机匹配，并且温度误差在控制棒调节范围内，将终止蒸汽排放。 当反应堆停堆信号存在时，甩负荷控制器失效，电厂停堆控制器开启。 此时偏差信号为一回路冷却剂平均温度 TAVG和零负荷参考温度Tre之差。 当偏差信号高于整定值时，旁排阀顺序开启，随着系统的运行，偏差信号减小，旁排阀开度变小，最终维持在热停堆状态。

3.2 蒸汽压力控制模式

蒸汽压力控制模式适用于低功率工况和电厂冷却。 根据蒸母管压力和整定值之间的差值产生蒸汽排放蒸汽压力需求大小的信号。 因为在低功率情况下，蒸汽发生器压力对蒸汽流量的响应较快，而一回路平均温度TAVG则对蒸汽流量的响应较慢， 无法灵敏控制旁排阀开关。 在蒸汽压力控制模式下，蒸汽母管压力控制器工作。 蒸汽母管压力控制模式由操作员手动选择，压力整定值由操作员根据期望的反应堆冷却剂温度手动调整，允许电厂按照选定的速率控制降温。

4 结语

在汽轮机甩负荷、反应堆跳闸、机组启动/热停堆等特殊工况下，旁路系统发挥着重要的作用，本文对AP1000 核电的汽轮机旁路排放系统从旁排系统的组成、功能、控制原理及工作模式等方面进行了详细阐述，可为汽轮机旁排系统的设计提供参考。