AP1000蒸汽旁排控制分析

翟樹叢+++劉辰星+++張斌利

摘 要：AP1000為美國西屋公司設計的先進三代核電技術，蒸汽旁排系統作為AP1000核電廠維持一、二回路之間的功率平衡的一個重要系統，其特點是響應快、調節特性好。文章主要對蒸汽旁排系統進行簡要介紹，并就其控制原理及控制方法進行分析。

關鍵詞：AP1000；蒸汽旁排；作用

1 蒸汽旁排系統作用

蒸汽旁排系統主要作用是維持一、二回路間的功率平衡，在機組啟動、停堆、冷卻和汽機甩負荷時，提供旁路蒸汽發生器蒸汽到凝汽器的功能，排出熱量，減小瞬態影響，避免啟動安全系統。主要體現在兩方面：一方面是控制蒸汽母管壓力及一回路平均溫度。在機組啟動過程中，通過調節旁排閥開度，可實現在暖管、沖轉、暖機、升速、帶負荷過程中維持蒸汽母管壓力，改善啟動條件，加快啟動速度。在電站冷卻和停堆過程中，將反應堆余熱導出到凝汽器，加快冷卻速率，為正常余熱排出系統投入運行提供前提條件。另一方面是在功率運行中，當電站甩去較大負荷時，在不開啟安全閥和大氣釋放閥，不引起反應堆停堆的情況下，起緩沖調節作用，能承受40%額定蒸汽排放量。不致使反應堆因超溫超壓使保護系統動作?？梢岳^續運行，維持電站的功率平衡。

2 系統組成

蒸汽旁排系統主要包括旁排閥及其控制系統，AP1000使用了6個旁排閥。每個閥能夠提供6.7%的滿負荷額定蒸汽流量，總共40%的蒸汽流量。

旁排閥有兩個相同容量的組。第一組包含V3051A/B/C，第二組包含V3052A/B/C。按順序開啟可以提高控制響應和穩定性。第一組在0-50%命令時開，第二組50%-100%時開，并且等第一組開完后才能調節。每組都有一個閥門分別與三個凝汽器外殼相連。

3 旁排閥運行原理

汽機旁排閥使用帶有定位器的氣動執行器來控制閥門響應。閥門氣壓決定了閥門調節開多大。氣動執行器有彈簧，失氣時關閉閥門。閥門有持續的位置指示和用于開關指示的限位開關。

如圖1所示，每個旁排閥執行器串聯安裝四個電磁閥。其中電磁閥A、B、D，在電磁閥得電時，1、3口連通，失電時2、3連通。電磁閥C正好相反，得電時2、3連通，失電時1、3連通。

圖1 電磁閥布置圖

這些電磁閥可以實現保護聯鎖和快開旁排閥功能。其中，電磁閥C上電可以旁路定位器而快開旁排閥。

其他電磁閥用于聯鎖，阻止旁排閥運行。電磁閥失電時，排出旁排閥執行器中空氣，使閥門關閉。其中，電磁閥A、B為保護級聯鎖電磁閥，冗余配置，接受來自反應堆保護與監視系統（PMS）的信號。電磁閥D為控制級聯鎖電磁閥，接受蒸汽旁排控制系統的信號。

4 蒸汽旁排控制系統

蒸汽旁排控制系統是電廠控制系統（PLS）的五大控制系統之一，為旁排閥提供開、關、或調節信號。蒸汽旁排控制系統有兩種運行模式：蒸汽母管壓力模式和TAVG模式。

4.1 蒸汽母管壓力模式

蒸汽母管壓力模式由操縱員手動選擇。在啟動中使用，直到機組并網。也用于機組冷卻。該模式使用蒸汽母管壓力和壓力整定值來控制蒸汽流量和維持蒸汽壓力。

如圖2所示，當蒸汽母管壓力進入控制回路，首先進行中選，取三路輸入信號的中間值。如果信號失效，會產生報警并將旁排壓力控制器置為手動。

信號選擇后，蒸汽母管壓力經過滯后環節■進行濾波，使信號平滑，然后進入加法器。它與壓力整定值選擇器選擇的整定值進行比較，使模擬加法器產生壓力偏差信號（PE）。

圖2 蒸汽母管壓力模式控制邏輯圖

PE=PC-PT，其中，PE為壓力偏差，PC為濾波后的蒸汽母管壓力， PT為蒸汽母管壓力整定值，來自壓力整定值選擇器。其輸入有三種：

（1）手動，操縱員手動輸入的整定值，主要用于機組啟動階段；

（2）反應堆緊急停堆時，預設的固定值；

（3）電廠冷卻模式下，蒸汽壓力整定值算法的計算值。在冷卻模式下，操縱員輸入期望的最終溫度和冷卻速率，然后通過電廠冷卻模式蒸汽壓力整定值算法（基于水汽熱力學特性算法STEAMTABLE），最終生成合適的蒸汽壓力整定值。

之后，PE信號通過典型的PI調節器（K2+■）生成蒸汽排放需求信號。旁排信號在通過手動/自動控制站后，送往一個門選邏輯。該邏輯在門選觸發信號為1（即選定蒸汽母管壓力模式）時，輸出為來自蒸汽壓力控制器的蒸汽排放需求信號。若門選觸發信號為0（即選定TAVG模式）時，輸出來自甩負荷控制器的輸出（來自TAVG模式）。

只有一個旁排信號能通過門選邏輯，其輸出取決于當前的模式，操作員可通過模式選擇器來選擇當前的模式。如果探測到控制棒電源機組母線電壓低或者產生反應堆停堆信號（P4），即發生反應堆緊急停堆時，也相當于選定蒸汽母管壓力模式。

之后，旁排信號被送到旁排閥，根據蒸汽排放需求按順序調節旁排閥。蒸汽排放需求為0-50%時，依序調節第一組旁排閥。蒸汽排放需求為50-100%時，依序調節第二組旁排閥。

4.2 TAVG控制模式

蒸汽母管壓力模式使用在啟動和停堆中，而TAVG模式用于功率運行時，特別是汽輪機發電機并網后。這個模式用于需要旁排動作的功率瞬態，比如甩負荷或跳機。該模式使用TAVG和汽輪機第一級壓力來控制蒸汽流量。

TAVG控制模式設計成在汽輪發電機甩負荷時提供人工熱負荷。因為汽機降負荷比反應堆快的多，故設計該系統，可提供虛假負荷以減小大的甩負荷后的電廠瞬態，阻止反應堆冷卻劑溫度快速升高。

如圖3所示，TAVG為一回路平均溫度，來自反應堆保護系統（PMS）的四個通道，當四路TAVG信號進入中值選擇器，取前三路進行中值選擇，第四路信號作為備選信號，以替換可能的壞點信號。如果有二路以上信號為壞點，則閉鎖自動的旁排控制，并且產生警報。

圖3 TAVG模式控制邏輯圖

TAVG 信號并沒有通過典型的滯后環節進行濾波，而是通過一個超前/滯后環節■。超前/滯后功能將有助于提高反應堆冷卻劑溫度回路的傳輸時間，提升系統響應速度。

然后，TAVG進入模擬加法器與基于汽輪機第一級壓力的兩種信號一同進行處理，產生溫度偏差信號（TE）。

TE=TAVG-TREF-TC

其中：TE為溫度偏差信號，TREF為平均溫度參考值，TC為溫度補償信號。

為確定平均溫度參考值（TREF），汽輪機第一級壓力首先通過中值選擇，第二步是把汽輪機第一級壓力轉化成汽輪機負荷。將汽輪機第一級壓力轉化為汽輪機負荷，要用到以下算法：

PTU=A0+A1（TP）+A2（TP）2

其中，PTU是汽輪發電機組負荷，TP是測得的汽輪機第一級壓力，A0、A1、A2都是常量。

汽輪機負荷決定后，可通過參考平均溫度函數獲得TREF。然后，TREF信號將進入一個超前/滯后環節。超前/滯后功能將消除先前信號處理所造成的時間延遲，同時也提供蒸汽排放的預測控制。

控制系統響應具有滯后性，為更快的響應汽機甩負荷，引入汽機甩負荷速率作為前饋信號對控制信號進行補償，即溫度補償信號（TC）。TC來自于前面計算得來汽輪機負荷，汽輪機負荷信號進入速率/滯后環節■，得到汽輪機負荷變化的速率。然后通過線性增益環節，來增加響應速度。由于我們關注的是甩負荷的速率，因此TC的輸出應該限定為負值。將其代入TE計算公式，實質是引入了一個增量信號。

溫度偏差信號隨后進入甩負荷控制器。甩負荷控制器包含死區，用來防止小瞬態下旁排閥的重復動作，在死區范圍內時，可由控制棒來調節一回路功率，無需打開旁排閥。

甩負荷控制器的輸出隨后進入門選邏輯，在TAVG模式下被送往旁排閥。

對于大的甩負荷，為加快響應速度，TAVG模式下增加了旁排閥快開功能。當TE偏差足夠大時（H1/H2），可快開第一組或兩組旁排閥以滿足更快的汽機甩負荷。

5 聯鎖

有幾種工況不允許動作旁排閥，比如TAVG很低或凝汽器沒有冷卻水的工況。這兩種工況都對電廠有不利影響。為了防止產生這些不良影響，視電廠工況，聯鎖邏輯允許或防止旁排閥動作。聯鎖邏輯由獨立的處理器處理，被分為兩組：控制級聯鎖和保護級聯鎖。

5.1 控制級聯鎖

控制級聯鎖信號送往控制級電磁閥，首先是C9聯鎖信號，C9是凝汽器可用信號，其要求凝汽器真空度必須足夠高且至少一臺循環水泵運行。為防止損壞凝汽器，在凝汽器不可用時閉鎖旁排閥動作。大氣釋放閥作為凝汽器不可用時的備用蒸汽排放通道。

除了凝汽器可用外，旁排閥動作還需滿足下列條件之一：TAVG模式下汽輪機甩負荷變化率高（C7）；選擇蒸汽母管壓力模式。

5.2 保護級聯鎖

有兩個冗余的保護級閉鎖邏輯電磁閥，其閉鎖信號來自PMS，一個來自B通道，一個來自D通道。這些聯鎖由TAVG低-2信號、蒸汽管線隔離信號、允許旁路TAVG低以冷卻的使能開關及手動閉鎖來實現。

TAVG低-2信號進入一個“四取二”選擇器。一旦低-2信號被觸發，蒸汽排放冷卻控制開關處于開位置，閉鎖信號被送入所有旁排閥。

如果運行人員需要，對于執行冷卻功能的閥門（V3051A/V3051B），低-2閉鎖命令可以被旁路。為了做到這一點，運行人員暫時把冷卻控制開關置于“Enable”， 當開關回到“ON”時，反饋環路允許旁路信號繼續。此操作將除去旁排閥的閉鎖信號，允許旁排閥在電廠冷卻時進行必要的調節。當冷卻完成，不再需要蒸汽旁排閥后，運行人員將把冷卻開關置于“Disable”。把開關置于“Disable” 會將閉鎖信號送到電磁閥，并在冷卻期間切斷反饋回路。

運行人員也可以手動閉鎖所有蒸汽排放閥。通過將蒸汽排放模式控制開關置于“OFF”，閉鎖信號將被送到所有的蒸汽排放閥，且不能被旁路。當存在蒸汽管線隔離信號時，也閉鎖所有旁排閥動作。

6 結束語

通過上述分析對比可知，蒸汽旁排系統的兩種控制模式有著明顯的不同，其中蒸汽母管壓力模式以壓力偏差信號PE為控制變量，主要用于機組啟動或停堆。而TAVG控制模式基于溫度偏差信號TE，主要用于機組功率運行階段并響應瞬態變化。蒸汽旁排系統可以旁排掉40%的蒸汽流量，在不同工況或階段提供不同的控制策略，以維持或減小熱平衡差異，減小瞬態影響。

AP1000設計可承擔100%甩負荷或汽輪機從100%功率跳機而不產生跳堆、大氣排放、或觸發穩壓器或蒸汽發生器安全閥。為實現該設計要求，蒸汽旁排控制系統需結合反應堆功率控制系統及快速降功率系統的能力。對于10%階躍負荷變化或每分鐘5%斜坡變化可通過反應堆功率控制系統來調節。而對于甩負荷超過10%又低于50%或汽機在50%功率以下跳機，則蒸汽旁排控制系統與反應堆功率控制系統一起動作。對于超過50%功率的汽輪機跳機，或者甩負荷超過50%，以上所有系統和快速降功率系統一起動作。

參考文獻

[1]林誠格.非能動安全先進壓水堆核電技術[M].北京：原子能出版社，2010.