GCT系统在机组瞬态下的响应及故障处理
2017-04-20赵昌兴许海峰毛耀军
赵昌兴 许海峰 毛耀军
【摘 要】本文介绍了GCT系统的基本功能，并结合其工作原理，对一些瞬态工况进行了分析，重点论述了在满功率停机不停堆工况下，GCT121VV未正常开启时调节系统的响应过程。并从机组控制的角度对操纵员的如何进行故障处理进行了探讨。
【关键词】GCT控制原理；故障；瞬态；响应
Response and Fault Treatment of GCT System Under Transient Condition
ZHAO Chang-xing XU Hai-feng MAO Yao-jun
（Nuclear Power Operation Management Co.，Ltd.，CNNC，Haiyan Zhejiang 314300，China）
【Abstract】This paper introduces the basic functions of the GCT system，Based on its working principle，some transient working conditions are analyzed，This paper mainly discusses the response process of the system when the GCT121VV is not normally opened under the condition of full power turbine trip only.Under the condition of this kind of trouble，how to control the generator unit is discussed.
【Key words】GCT control principle；Fault；Transient；Response
0 前言
在秦二厂，反应堆对负荷的适应性跟不上汽轮机对负荷的适应性，当需要大幅降负荷时，汽轮机能够很快关小调节汽阀，降低汽机出力，但反应堆只能以5-10%的速率逐步降功率，这样就产生了一个功率差，所以设置了汽机旁路排放系统（GCT）。在汽轮发电机组突然减负荷或在汽轮机脱扣的情况下，排走蒸发器内部产生的过量蒸汽，避免蒸汽发生器安全阀动作；在热停堆和最初冷却阶段，排出由裂变产物和运转主泵所产生的剩余释热和显热，直至余热排出系统投入使用。做为秦二厂五大调节系统之一，GCT系统虽然不具有核安全功能，但在防止一回路过热和二回路超压、防止一回路过冷、实现安全停堆方面具有安全功能。分析系统工作原理及在机组瞬态工况下的响应对加强操纵人员的事故干预能力、保证机组安全上具有重要意义。
1 GCT系统控制原理简介
每个GCT的气动控制阀接受两类信号：一类是控制开启信号，包括调制信号及快开信号，另一类是逻辑允许信号。其基本控制原理见下图。
图1
在气动排放阀的供气管线上有3个电磁阀及一个气动定位器，电气转换器来的调制信号经气动定位器转换为开启排放阀开度的比例的气压，此空气源由压缩空气系统供给，经过3个电磁阀允许后去打开GCT排放阀。在某些瞬态情况下，快开信号直接作用在电磁阀S3上，使压缩空气经S3的2—3路通，再经逻辑允许信号电磁阀S2、S1的1—3路通，将GCT排放阀快速打开。考虑安全的因素，使用了一些逻辑允许闭锁信号，此信号具有冗余，分A/B列，任一列信号产生，均导通电磁阀S2、S1的2—3路，使阀门排气后关闭。
由上可见，阀门开启有两个必要的信号：一个逻辑允许信号和一个模拟控制信号。
1.1 阀门调节的控制模式
蒸汽排放控制模式有两种，即温度模式和压力模式。所谓温度控制模式，它产生的GCT开启信号正比于反应堆冷却剂平均温度与代表二回路负荷的整定温度之差，温度模式用于自动控制运行，如甩负荷、甩到厂用电、汽轮机脱扣、反应堆紧急停堆等。所谓压力控制模式，它是将蒸汽母管的压力维持在手动设定值水平。控制回路是比例积分回路。此通道用于低负荷控制棒手动期间或蒸汽排放阀开启情况下低负荷长时间运行（反应堆启动或冷却）。
1.2 阀门运行
这两种模式下，通过调节传感器来的调节信号控制每一个阀门，可以连续的调节阀门或阀门组的开启，当前面的阀门或阀门组全开时，则依次打开后面的阀门或阀门组。当接受关闭指令时，按相反的次序执行。第一组阀门（GCT121/117/113VV）是逐个开启的，开启顺序为GCT121VV-GCT117VV-GCT113VV，其余两组阀门都是各阀一起开启。第一组三个阀全开占总开度的25%，第二组三个阀全开将GCT总开度从25%增加到50%，第三组六个阀全开将GCT总开度由50%增加到100%。第一组阀的快开时间为2.5S，第二组、第三组阀的快开时间均为2S，三组阀的调节开启时间均为10S。
1.3 控制模式转换
为了避免控制模式从温度模式转换到压力模式时蒸汽排放阀开度突变，造成机组大的瞬态，这种转换仅在蒸汽母管蒸汽压力控制回路发出的信号与反应堆冷却剂平均温度控制回路发出的信号偏差小于2%时才有效。
2 瞬态工况下系统的响应
機组正常运行时一回路温度由棒控系统来调节，但在机组瞬态时一回路温度变化很大，仅靠调节棒难以匹配一二回路功率平衡，故瞬态时需要GCT系统参与调节使得一回路功率与二回路负荷匹配。下面对一些常见瞬态工况下系统的响应进行简要分析。（下文中Tavg指一回路平均温度次高选值，Tref指一回路参考平均温度，C7A指两分钟内汽机甩负荷≥15%Pn，C7B指两分钟之内汽机甩负荷≥50%Pn）。
2.1 汽机甩负荷
这里指部分甩负荷，在温度模式下，如果甩负荷幅度触发C7A或C7B信号，就会导致旁路排放系统动作，旁排系统在此瞬态过程中的响应如下：
1）汽机入口压力突降到电功率对应值；
2）Tavg与Tref之间产生偏差，402GD产生输出，输出值决定阀门开度；
3）控制棒下插，Tavg下降；
4）Tavg与Tref之间偏差减小，旁排阀门随之关小，当偏差小于3℃时旁排阀全关；
5）控制棒继续调节Tavg，直到Tavg与Tref相等；
6）机组在当前功率状态下稳定，瞬态结束；
7）操纵员复位C7A和C7B。
2.2 带厂用电运行
机组的500kV出线开关断开，但汽轮发电机组未跳闸，最终功率整定值回路触发，产生最终功率整定值，旁路排放系统响应如下：
1）汽机入口压力突降到厂用电功率对应的压力值；
2）Tavg与汽机入口压力之间的偏差（402GD与403GD之和）决定旁路排放阀门的开度；
3）控制棒下插；
4）Tavg下降，402GD输出减小，阀门逐渐关小；
5）当Tavg与最终功率整定值对应的Tref之间偏差小于3℃时，阀门保持固定开度，开度由403GD的输出决定（一个固定开度）；
6）控制棒继续下插，直到Tavg与最终功率整定值对应的Tref相等；
7）机组在当前状态下稳定，瞬态结束；
8）操纵员将控制棒置于手动，再将GCT-C切换到压力模式，降功率稳定后等候重新并网。
2.3 汽机脱扣而反应堆未紧急停堆
下列情况下汽机脱扣C8将导致反应堆紧急停堆：
凝汽器不可用■，并伴随有核功率大于30% Pn（P16信号），则反应堆紧急停堆；
有P16信号，如果同时出现下列情况之一，则延时1s后，反应堆紧急停堆：
1）2组阀的闭锁信号存在；
2）第3组阀的闭锁信号存在，且甩负荷大于50% Pn；
3）任一手动隔离阀非全开；
4）无控制信号（Tavg-Tref+△T>1.75℃不存在）。
否则，汽机脱扣时并不引起反应堆紧急停堆。汽机脱扣而没有引起反应堆紧急停堆与带厂用电运行时的情况类似，在瞬态过程稳定后，同样需要将控制棒切换到手动，然后将GCT-C切换到压力模式，然后等待汽机重新启动。
2.4 反应堆紧急停堆（P4）
反应堆紧急停堆将引起汽机脱扣而使蒸汽发生器压力升高。如果凝汽器是可用的，GCT动作就可以避免蒸汽发生器安全阀的动作。反应堆紧急停堆引起GCT的排放是由冷却剂平均温度与控制回路产生的零负荷时的参考温度Tref.0之差来控制的，随着Tavg的逐步下降，阀门开度也逐步减小。在紧急停堆时，为防止一回路过冷而使安注动作，闭锁第3组阀开启。
GCT压力模式下控制一般用于低负荷，此时，GCT只根据实测母管压力与整定压力之差来控制GCT阀门的开启，压力模式下无快开信号。
3 满功率停机不停堆，GCT121VV未正常开启时系统的响应分析
初始工况：机组满负荷运行
事故情况：汽机跳闸，反应堆未停堆
叠加故障：GCT121VV故障未能开启。
3.1 平均温度整定值Tref生成
汽机跳闸，C8信号触发，由于机组最初为满功率运行，根据最终功率整定值生成逻辑，可知，最终功率整定值为20%Pn。在GCT-C的逻辑图上，由于B列C8触发，GRE406XR的输出为0%Pn，最终功率整定值与0%Pn高选经401GD生成Tref=294.64℃{（310-290.8）×20% +290.8=294.64}。可知在上面介绍的工况中，一回路平均温度整定值Tref是定在294.64℃不变的。下面调节系统的响应就是控制一回路平均温度使之等于整定值。
3.2 GCT-C快开
在汽机跳闸的瞬态，Tavg=310℃，Tref=294.64℃，温度修正信号△T=2.78℃，Tavg-Tref+△T=18.14℃，在没有紧急停堆的温度模式下，GCT-C第一二三组阀的快开定值分别为6℃、8.95℃、14.9℃，由此可知，汽机跳闸瞬态，GCT-C的三组阀将全部快开。同时由于一回路平均温度大于其整定值，棒速驱动信号Tavg-Tref+d（P1-P2）/dt≈15.36℃，可知，控制棒将以最大速度下插。在以上两种调节系统的共同作用下，一回路平均温度快速下降。当Tavg-Tref+△T<14.9℃时，第三组阀的快开信号消失，6个GCT阀门关闭；当Tavg-Tref+△T<8.95℃时，第二组阀的快开信号消失，3个阀门关闭；当Tavg-Tref+△T<6℃时，第一组阀的快开信号消失，这时，GCT-C的总开度将取决于调节开启信号。
3.3 GCT-C调节开启
根据GCT-C的模拟图，函数发生器410GD的作用为：将最终功率整定值与汽机入口压力的功率偏差信号转换成温度修正信号。在上述工况中：最终功率整定值为20%Pn，B列C8信号引入的汽机入口压力为0%Pn，偏差为20%Pn，所以2.78℃的温度修正将恒定的送入403GD，产生19%的开度信号。只要满足以下两个条件，此开度要求将一直维持。
a）B列C8信号存在或GRE025MP的压力信号为零；
b）最终功率整定值未被复位。
Tavg-Tref的偏差信号经402GD转换成开度信号，402GD与403GD的开度之和作为GCT-C阀门的总开度。在快开信号消失之后，GCT-C阀门变为调节开启。第一组阀快开信号消失时Tavg-Tref+△T<6℃，所以Tavg-Tref<（6℃-2.78℃）=3.22℃，函數发生器402GD的输出将小于（3.22-3）/（14.9-3） =1.85%，403GD恒定输出19%的开度，所以快开信号消失后，第一组阀的调节开度将是20.85%。随着一回路平均温度的继续下降，GCT-C的要求开度继续减小。当-3℃
此种状态下的二回路总的负荷测算：GCT带走的负荷：10.67%*105%=11.2%FP，除氧器及轴封用汽约6%FP，总负荷为17.2%FP，小于整定负荷（20%FP），必然会造成一回路过热，这时棒控系统继续动作，控制棒在温差信号的驱动下下插，由于超调，控制棒下插过度，最终将导致核功率小于15%Pn，C20信号出现，闭锁控制棒的自动提升。
调节系统自动动作，没有手动干预时，会出现以下状况：GCT-C阀门开度固定在10.67%，控制棒被闭锁提升，核功率低于15%Pn。可以看出这时调节系统失去自动调节能力，由于一二回路功率不匹配，二回路负荷大于一回路核功率，一回路平均温度将持续下降。
如果没有手动干预，Tavg将低于Tref，直至Tavg-Tref<-3℃，这时函数发生器402GD开始输出一个负开度值，使得GCT-C阀门总开度变小，GCT113VV关小。当P2（二回路功率）
最终的状态是：一回路平均温度维持在低于整定值3℃，即291.64℃上下波动，GCT113VV频繁开关（函数发生器402GD在-5℃～-3℃区间斜率很大，很小的温度变化就会引起较大的输出开度的变化），蒸汽流量大幅波动，进而使蒸汽发生器压力和水位波动；蒸汽流量的波动也将引起一回路Tavg、稳压器压力和水位的波动。
3.4 故障处理
没有手动干预的情况，是一个不稳定的工况。事实上在C20信号出现后，操纵员就应该把控制棒打手动，通过手动改变棒位使一回路核功率与二回路负荷匹配，并最终使Tavg=Tref=294.64℃，避免GCT-C阀门频繁动作。
额外的故障风险点：GCT121VV故障不能开启，但仍然存在意外开启的可能，如果意外开启，将瞬間引入8.33%的开度，导致一回路平均温度、蒸发器水位大的波动，极易引发停堆事件。为避免遭受此种大的瞬态，在机组状态稳定后，应及时将GCT-C切至压力模式，并降低反应堆功率至P10以下。然后将GCT-C切至GCT-A控制。为检查停机原因、处理GCT121VV故障提供安全窗口。
4 结语
GCT系统的存在使机组能够应对瞬态工况，并平稳过渡到稳定状态。机组在100%Pn稳定运行，发生汽机跳闸而不停堆的瞬态时，控制系统的核心目标是使Tavg=Tref，控制手段为GCT-C与RGL两大调节系统。GCT-C在瞬态初期导出一回路过量的热功率，过渡到稳态时为一回路提供一个恒定的负荷（20%Pn）；RGL系统通过提升或下插控制棒，使一回路功率跟踪二回路负荷，使得P1=P2，Tavg=Tref。稳压器水位与压力、蒸发器水位与压力的调节都要受到以上两大调节系统的影响。如果叠加GCT121VV不能开启故障，控制系统不能达到自稳状态，需要操纵员手动干预。
【参考文献】
[1]系统手册[S].核电秦山联营有限公司，2005.System Handbook.Nuclear Power QinshanJoint Venture Company，LTD，2005.
[2]应急运行规程[S].浙江：核电秦山联营有限公司.Emergency Operating Procedures.Nuclear Power Qinshan Joint Venture Company，LTD.
[3]应急运行规程解释规程[S].浙江：核电秦山联营有限公司.Interpretation Rules forEmergency Operating Procedures Nuclear Power Qinshan Joint Venture Company， LTD.
[责任编辑：田吉捷]
