AP1000蒸汽旁排控制分析

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摘 要：ap1000为美国西屋公司设计的先进三代核电技术，蒸汽旁排系统作为AP1000核电厂维持一、二回路之间的功率平衡的一个重要系统，其特点是响应快、调节特性好。文章主要对蒸汽旁排系统进行简要介绍，并就其控制原理及控制方法进行分析。

关键词：AP1000；蒸汽旁排；作用

1 蒸汽旁排系统作用

蒸汽旁排系统主要作用是S持一、二回路间的功率平衡，在机组启动、停堆、冷却和汽机甩负荷时，提供旁路蒸汽发生器蒸汽到凝汽器的功能，排出热量，减小瞬态影响，避免启动安全系统。主要体现在两方面：一方面是控制蒸汽母管压力及一回路平均温度。在机组启动过程中，通过调节旁排阀开度，可实现在暖管、冲转、暖机、升速、带负荷过程中维持蒸汽母管压力，改善启动条件，加快启动速度。在电站冷却和停堆过程中，将反应堆余热导出到凝汽器，加快冷却速率，为正常余热排出系统投入运行提供前提条件。另一方面是在功率运行中，当电站甩去较大负荷时，在不开启安全阀和大气释放阀，不引起反应堆停堆的情况下，起缓冲调节作用，能承受40%额定蒸汽排放量。不致使反应堆因超温超压使保护系统动作。可以继续运行，维持电站的功率平衡。

2 系统组成

蒸汽旁排系统主要包括旁排阀及其控制系统，AP1000使用了6个旁排阀。每个阀能够提供6.7%的满负荷额定蒸汽流量，总共40%的蒸汽流量。

旁排阀有两个相同容量的组。第一组包含V3051A/B/C，第二组包含V3052A/B/C。按顺序开启可以提高控制响应和稳定性。第一组在0-50%命令时开，第二组50%-100%时开，并且等第一组开完后才能调节。每组都有一个阀门分别与三个凝汽器外壳相连。

3 旁排阀运行原理

汽机旁排阀使用带有定位器的气动执行器来控制阀门响应。阀门气压决定了阀门调节开多大。气动执行器有弹簧，失气时关闭阀门。阀门有持续的位置指示和用于开关指示的限位开关。

如图1所示，每个旁排阀执行器串联安装四个电磁阀。其中电磁阀A、B、D，在电磁阀得电时，1、3口连通，失电时2、3连通。电磁阀C正好相反，得电时2、3连通，失电时1、3连通。

图1 电磁阀布置图

这些电磁阀可以实现保护联锁和快开旁排阀功能。其中，电磁阀C上电可以旁路定位器而快开旁排阀。

其他电磁阀用于联锁，阻止旁排阀运行。电磁阀失电时，排出旁排阀执行器中空气，使阀门关闭。其中，电磁阀A、B为保护级联锁电磁阀，冗余配置，接受来自反应堆保护与监视系统（PMS）的信号。电磁阀D为控制级联锁电磁阀，接受蒸汽旁排控制系统的信号。

4 蒸汽旁排控制系统

蒸汽旁排控制系统是电厂控制系统（PLS）的五大控制系统之一，为旁排阀提供开、关、或调节信号。蒸汽旁排控制系统有两种运行模式：蒸汽母管压力模式和TAVG模式。

4.1 蒸汽母管压力模式

蒸汽母管压力模式由操纵员手动选择。在启动中使用，直到机组并网。也用于机组冷却。该模式使用蒸汽母管压力和压力整定值来控制蒸汽流量和维持蒸汽压力。

如图2所示，当蒸汽母管压力进入控制回路，首先进行中选，取三路输入信号的中间值。如果信号失效，会产生报警并将旁排压力控制器置为手动。

信号选择后，蒸汽母管压力经过滞后环节■进行滤波，使信号平滑，然后进入加法器。它与压力整定值选择器选择的整定值进行比较，使模拟加法器产生压力偏差信号（PE）。

图2 蒸汽母管压力模式控制逻辑图

PE=PC-PT，其中，PE为压力偏差，PC为滤波后的蒸汽母管压力， PT为蒸汽母管压力整定值，来自压力整定值选择器。其输入有三种：

（1）手动，操纵员手动输入的整定值，主要用于机组启动阶段；

（2）反应堆紧急停堆时，预设的固定值；

（3）电厂冷却模式下，蒸汽压力整定值算法的计算值。在冷却模式下，操纵员输入期望的最终温度和冷却速率，然后通过电厂冷却模式蒸汽压力整定值算法（基于水汽热力学特性算法STEAMTABLE），最终生成合适的蒸汽压力整定值。

之后，PE信号通过典型的PI调节器（K2+■）生成蒸汽排放需求信号。旁排信号在通过手动/自动控制站后，送往一个门选逻辑。该逻辑在门选触发信号为1（即选定蒸汽母管压力模式）时，输出为来自蒸汽压力控制器的蒸汽排放需求信号。若门选触发信号为0（即选定TAVG模式）时，输出来自甩负荷控制器的输出（来自TAVG模式）。

只有一个旁排信号能通过门选逻辑，其输出取决于当前的模式，操作员可通过模式选择器来选择当前的模式。如果探测到控制棒电源机组母线电压低或者产生反应堆停堆信号（P4），即发生反应堆紧急停堆时，也相当于选定蒸汽母管压力模式。

之后，旁排信号被送到旁排阀，根据蒸汽排放需求按顺序调节旁排阀。蒸汽排放需求为0-50%时，依序调节第一组旁排阀。蒸汽排放需求为50-100%时，依序调节第二组旁排阀。

4.2 TAVG控制模式

蒸汽母管压力模式使用在启动和停堆中，而TAVG模式用于功率运行时，特别是汽轮机发电机并网后。这个模式用于需要旁排动作的功率瞬态，比如甩负荷或跳机。该模式使用TAVG和汽轮机第一级压力来控制蒸汽流量。

TAVG控制模式设计成在汽轮发电机甩负荷时提供人工热负荷。因为汽机降负荷比反应堆快的多，故设计该系统，可提供虚假负荷以减小大的甩负荷后的电厂瞬态，阻止反应堆冷却剂温度快速升高。

如图3所示，TAVG为一回路平均温度，来自反应堆保护系统（PMS）的四个通道，当四路TAVG信号进入中值选择器，取前三路进行中值选择，第四路信号作为备选信号，以替换可能的坏点信号。如果有二路以上信号为坏点，则闭锁自动的旁排控制，并且产生警报。

图3 TAVG模式控制逻辑图

TAVG 信号并没有通过典型的滞后环节进行滤波，而是通过一个超前/滞后环节■。超前/滞后功能将有助于提高反应堆冷却剂温度回路的传输时间，提升系统响应速度。

然后，TAVG进入模拟加法器与基于汽轮机第一级压力的两种信号一同进行处理，产生温度偏差信号（TE）。

TE=TAVG-TREF-TC

其中：TE槲露绕差信号，TREF为平均温度参考值，TC为温度补偿信号。

为确定平均温度参考值（TREF），汽轮机第一级压力首先通过中值选择，第二步是把汽轮机第一级压力转化成汽轮机负荷。将汽轮机第一级压力转化为汽轮机负荷，要用到以下算法：

PTU=A0+A1（TP）+A2（TP）2

其中，PTU是汽轮发电机组负荷，TP是测得的汽轮机第一级压力，A0、A1、A2都是常量。

汽轮机负荷决定后，可通过参考平均温度函数获得TREF。然后，TREF信号将进入一个超前/滞后环节。超前/滞后功能将消除先前信号处理所造成的时间延迟，同时也提供蒸汽排放的预测控制。

控制系统响应具有滞后性，为更快的响应汽机甩负荷，引入汽机甩负荷速率作为前馈信号对控制信号进行补偿，即温度补偿信号（TC）。TC来自于前面计算得来汽轮机负荷，汽轮机负荷信号进入速率/滞后环节■，得到汽轮机负荷变化的速率。然后通过线性增益环节，来增加响应速度。由于我们关注的是甩负荷的速率，因此TC的输出应该限定为负值。将其代入TE计算公式，实质是引入了一个增量信号。

温度偏差信号随后进入甩负荷控制器。甩负荷控制器包含死区，用来防止小瞬态下旁排阀的重复动作，在死区范围内时，可由控制棒来调节一回路功率，无需打开旁排阀。

甩负荷控制器的输出随后进入门选逻辑，在TAVG模式下被送往旁排阀。

对于大的甩负荷，为加快响应速度，TAVG模式下增加了旁排阀快开功能。当TE偏差足够大时（H1/H2），可快开第一组或两组旁排阀以满足更快的汽机甩负荷。

5 联锁

有几种工况不允许动作旁排阀，比如TAVG很低或凝汽器没有冷却水的工况。这两种工况都对电厂有不利影响。为了防止产生这些不良影响，视电厂工况，联锁逻辑允许或防止旁排阀动作。联锁逻辑由独立的处理器处理，被分为两组：控制级联锁和保护级联锁。

5.1 控制级联锁

控制级联锁信号送往控制级电磁阀，首先是C9联锁信号，C9是凝汽器可用信号，其要求凝汽器真空度必须足够高且至少一台循环水泵运行。为防止损坏凝汽器，在凝汽器不可用时闭锁旁排阀动作。大气释放阀作为凝汽器不可用时的备用蒸汽排放通道。

除了凝汽器可用外，旁排阀动作还需满足下列条件之一：TAVG模式下汽轮机甩负荷变化率高（C7）；选择蒸汽母管压力模式。

5.2 保护级联锁

有两个冗余的保护级闭锁逻辑电磁阀，其闭锁信号来自PMS，一个来自B通道，一个来自D通道。这些联锁由TAVG低-2信号、蒸汽管线隔离信号、允许旁路TAVG低以冷却的使能开关及手动闭锁来实现。

TAVG低-2信号进入一个“四取二”选择器。一旦低-2信号被触发，蒸汽排放冷却控制开关处于开位置，闭锁信号被送入所有旁排阀。

如果运行人员需要，对于执行冷却功能的阀门（V3051A/V3051B），低-2闭锁命令可以被旁路。为了做到这一点，运行人员暂时把冷却控制开关置于“Enable”， 当开关回到“ON”时，反馈环路允许旁路信号继续。此操作将除去旁排阀的闭锁信号，允许旁排阀在电厂冷却时进行必要的调节。当冷却完成，不再需要蒸汽旁排阀后，运行人员将把冷却开关置于“Disable”。把开关置于“Disable” 会将闭锁信号送到电磁阀，并在冷却期间切断反馈回路。

运行人员也可以手动闭锁所有蒸汽排放阀。通过将蒸汽排放模式控制开关置于“OFF”，闭锁信号将被送到所有的蒸汽排放阀，且不能被旁路。当存在蒸汽管线隔离信号时，也闭锁所有旁排阀动作。

6 结束语

通过上述分析对比可知，蒸汽旁排系统的两种控制模式有着明显的不同，其中蒸汽母管压力模式以压力偏差信号PE为控制变量，主要用于机组启动或停堆。而TAVG控制模式基于温度偏差信号TE，主要用于机组功率运行阶段并响应瞬态变化。蒸汽旁排系统可以旁排掉40%的蒸汽流量，在不同工况或阶段提供不同的控制策略，以维持或减小热平衡差异，减小瞬态影响。

AP1000设计可承担100%甩负荷或汽轮机从100%功率跳机而不产生跳堆、大气排放、或触发稳压器或蒸汽发生器安全阀。为实现该设计要求，蒸汽旁排控制系统需结合反应堆功率控制系统及快速降功率系统的能力。对于10%阶跃负荷变化或每分钟5%斜坡变化可通过反应堆功率控制系统来调节。而对于甩负荷超过10%又低于50%或汽机在50%功率以下跳机，则蒸汽旁排控制系统与反应堆功率控制系统一起动作。对于超过50%功率的汽轮机跳机，或者甩负荷超过50%，以上所有系统和快速降功率系统一起动作。

参考文献

[1]林诚格.非能动安全先进压水堆核电技术[M].北京：原子能出版社，2010.