一种多模块高温气冷堆核电厂给水系统及控制设计方案.pdf

收稿日期:基金项目:中国能源建设股份有限公司重大科技专项和重点研发项目C E E C Z D Y F .作者简介:孙海翠(),女,黑龙江牡丹江人,高级工程师,硕士,主要从事发电厂仪控与智能化设计研究工作(E m a i l s u n h c_h l c o m).一种多模块高温气冷堆核电厂给水系统及控制设计方案孙海翠,侯新建,张翼,李儒鹏,邢文斌(中国电力工程顾问集团华东电力设计院有限公司,上海 )摘要:模块式高温气冷堆核电厂基于球床模块式高温气冷堆技术,具有固有安全性、核废物量排放少和有效防止核扩散的特点,是四代核电的主要推广技术之一.针对高温气冷堆核电厂的模块化设计理念,提出一种适用于多模块高温气冷堆核电厂的给水系统及其控制方法.所提出的水资源池给水供给方案和基于反应堆模块运行需求和循序消元与泵序设定的泵组选择控制方法,使得反应堆模块可灵活方便地按需接入或退出,确保给水系统运行的稳定可靠.关键词:高温气冷堆;主给水;控制;泵序中图分类号:TM 文献标志码:A文章编号:()AD e s i g nS c h e m e f o r t h eF e e d w a t e ra n dC o n t r o l S y s t e mo f t h eM u l t i M o d u l eH T G RS UN H a i c u i,HOUX i n j i a n,Z HAN GY i,L IR u p e n g,X I N G W e n b i n(E a s tC h i n aE l e c t r i cP o w e rD e s i g nI n s t i t u t eC o,L t d,C h i n aP o w e rE n g i n e e r i n gC o n s u l t i n g G r o u p,S h a n g h a i ,C h i n a)A b s t r a c t:T h em o d u l a rHT G Rn u c l e a rp o w e rp l a n t i sb a s e do nt h ep e b b l eb e dm o d u l a rHT G Rt e c h n o l o g y I th a s t h ec h a r a c t e r i s t i c so f i n h e r e n t s a f e t y,l e s sn u c l e a rw a s t ee m i s s i o na n de f f e c t i v en u c l e a rn o n p r o l i f e r a t i o n I ti so n eo f t h em a i np o p u l a r i z e d t e c h n o l o g i e s o f t h e f o u r t hg e n e r a t i o nn u c l e a r p o w e r p l a n t s A i m i n ga t t h em o d u l a rd e s i g nc o n c e p to fHT G Rn u c l e a rp o w e rp l a n t,as u i t a b l ew a t e rs u p p l ys y s t e ma n di t sc o n t r o lm e t h o da r ep r o p o s e d T h ew a t e rs u p p l ys c h e m eo f t h ew a t e r r e s o u r c ep o o l a n d t h ep u m pg r o u ps e l e c t i o nc o n t r o lm e t h o db a s e do nt h eo p e r a t i o nr e q u i r e m e n t o f r e a c t o rm o d u l ea n d t h e s e q u e n t i a l e l i m i n a t i o np u m ps e q u e n c ea r ep r o p o s e d T h er e a c t o rm o d u l ec a nb e f l e x i b l ya n dc o n v e n i e n t l ya c c e s s e do rw i t h d r a w na sd e m a n d e d,a n d t h e s t a b l ea n dr e l i a b l eo p e r a t i o no f t h ew a t e rs u p p l ys y s t e mc a nb e f u l f i l l e d K e yw o r d s:HT G R;m a i nf e e d w a t e r;c o n t r o l;p u m ps e q u e n c eC L Cn u m b e r:TM A r t i c l e c h a r a c t e r:AA r t i c l e I D:()引言模块式高温气冷堆核电厂是四代核电的主要推广技术之一,它基于球床模块式高温气冷堆技术,具有固有安全性、核废物量排放少和有效防止核扩散的特点.多模块高温气冷堆由于模块化配置,使得其具有灵活性的特点.这是三哩岛核事故后核能安全发展的全新理念,其小型模块化的设计,包覆颗粒元件的耐高温性能,使得其具有固有安全性.由于高温气冷堆的高温特性使得该堆型的利用形式有了非常广阔的空间,引起许 多 的 研 究 关 注.高 效 发 电,、工 业 供热,、制氢,等的应用将打开高温气冷堆核电厂更高、更广阔的应用前景.多模块反应堆核电厂模块化建设和投运的特点使得给水系统设置如何能匹配反应堆模块设置的特点,具有灵活、可靠的控制功能,成为主要技术问题之一.某高温气冷堆核电厂示范项目给水系统采用扩大单元制,单反应堆模块配置单个给水泵、高压加热器等设备,两台给水泵间设置一台两堆公用的备用给水泵.该配置方案应用于多模块反应堆核电厂时,对应每个反应堆的给水泵、加热器的独立配置增加了系统的投资,同时于单堆考虑缺少冗余性,当一台给水泵组跳闸时手动切换备用泵易引发停堆故障.因此,本文提出一种多模块高温气冷堆核电厂给水系统及其控制方法,以提高其经济性和运行可靠性.给水系统一种多模块高温气冷堆核电站及其给水系统由汽轮发电机组、凝结水泵、低压加热器、除氧器、给水泵、高压加热器和多个反应堆模块等组成.其中多个反应堆模块一般指 个模块,为了方便描述,本文以模块高温气冷堆为主体进行描述.如图所示,针对模块高温气冷堆机组,给水系统设置 X 的变频给水泵,全模块投入、满负荷运行时为三用一备模式.台给水泵将给水升压并输送至出口母管,出口母管给水分别流经高加给水加热器A和高加给水加热器B后送入多模块反应堆给水入口母管.给水泵出口母管设置旁路通道,当高加因各种原因解列时给水流经旁路通道继续传送.多模块反应堆给水入口母管与每一个反应堆模块给水入口相连,每一个反应堆模块对应给水供应通路设置必要的隔离、调节和检测装置以完成对应模块给水功能的投入、退出和调节等功能.以模块为例,其 对 应 的 给 水 供 应 通 路 设 置 手 动 截 止 阀VV 和VV 以满足单独隔离检修的功能.设置逆止阀VV 和VV ,以 避 免 水 流 逆 流 情况.设置电动隔离阀MOV 和MOV 以实现自动投入或退出该模块给水供应功能.设置流量检测元件F 和气动给水流量调节阀F C V 以完成模块蒸汽发生器入口给水流量的监测和调节.同时于多模块反应堆给水入口母管靠近每个模块给水取用点附近均设置压力检测元件以监测反应堆给水入口母管压力值.给水系统控制方案本文提出的一种多模块高温气冷堆给水系统的控制方法为每个反应堆模块蒸汽发生器入口给水流量由设置于蒸汽发生器入口的给水流量调节阀进行调节,如图所示.多台变频给水泵按照泵组控制功能的实现以满足各反应堆模块蒸汽发生器入口母管压力与各反应堆模块蒸汽发生器入口流量总需求的较大值为目标,以确保给水系统压力满足投运反应堆模块的给水需求.反应堆模块作为需求方按需接入给水系统,即当某反应堆模块未投运时,其对应给水电动隔离阀关闭,其不参与给水系统供给.当某一反应堆模块投运时,则对应给水电动隔离阀打开,以模块为例,自动打开MOV 和MOV ,反应堆模块开始进行给水取用.此时反应堆模块蒸汽发生器入口给水流量调节阀F C V 根据反应堆模块功率需求进行给水流量调节,以满足核岛的给水需求.通过采用双回路控制器及独立手操站的方法实现对变频给水泵频率模拟控制的功能,采用泵组选择控制器的方法实现具体泵的调用和退出等功能.给水泵频率模拟控制功能的具体做法为,设置控制器用于将各核岛模块的蒸汽发生器入口给水母管压力控制在设定值,设置控制器用于控制各核岛模块的蒸汽发生器入口给水流量供给满足各核岛模块功率对应的给水流量需求.控制器与控制器输出取大值送入速率变化限值器,以限制控制指令的过大变化而引起系统的波动.同时为了增加系统运行操作的灵活性,设置泵组手操器、泵A手操器、泵B手操器、泵C手操器、泵D手操器,以提供泵组与单体泵灵活多样的运行操作方式.考虑到该母管距离跨度大,不同点间存在压力损失,于接近个模块给水入口处分别设置压力检测点,在给水泵频率控制回路取用时选用所投用反应堆模块对应的压力值的平均值.如图所示系统中任何给水泵需要以相同转速运行,故将控制器与控制器输出信号经过处理后汇集为一个信号作为任何自动运行模式下给水泵的控制指令信号,以满足要求.由于手操器设置是综合了泵组和单体泵手操器的设置,因此其跟踪功能的实现对整个系统的平稳运行有重要影响.据此,本文提出给水泵组跟踪功能的实现方式为:当对应泵处于未运行状态或者对应泵手操站处于手动模式时,激活对应泵手操站的跟踪模块,跟踪模块将对应泵的控制指令信号跟踪至对应泵手操站.当泵A/B/C/D手操站均为自动模式并且对应泵已运行的条件未成立或者泵组手操站处于手动模式时,激活泵组手操站的跟踪模块,跟踪模块将泵A/B/C/D各手操站出口控制指令中最大值信号跟踪至泵组手操站.图一种多模块高温气冷堆给水系统控制方案图F i g Ac o n t r o l s c h e m e f o r t h e f e e d w a t e r s y s t e mo f t h em u l t i m o d u l eHT G R当泵A/B/C/D手操站均为手动模式或者任一泵手操站为手动模式并且对应泵已运行时,将触发对应切换模块,以启动控制器设定值跟踪反馈值的功能,具体为控制器设定值跟踪蒸汽发生器入口给水母管压力检测值,控制器设定值跟踪蒸汽发生器入口给水流量检测值求和.跟踪功能实现方法流程框图详见图.泵组选择控制方案泵组选择控制器的实现方法为,根据反应堆模块的投运情况确定启动泵数量的需求,启动泵数量的需求信息被送到泵组选择控制器,泵组选择控制器依据启动泵数量需求信息、当前泵状态信息、选序操作面板执行的选序信息等选择待启动的泵.选定执行完毕后,结合泵的状态信息以及给水系统运行需求等信息进行启动某具体泵指令的发送.其中启动泵数量的需求信息根据反应堆模块的投运情况及泵的选型信息等确定.假定针对图所示的模块高温气冷堆,设置 X 的给水泵,全模块投入、满负荷运行时为三用一备模式,则给水泵的投用数量可依照下述方式设定:)运 行 模 块,启 动台 给 水 泵 运 行,台作为备用;)运 行 模 块,启 动台 给 水 泵 运 行,台作为备用;)运 行 模 块,启 动台 给 水 泵 运 行,台作为备用.当然,本给水系统也可以根据反应堆模块的建设情况分批进行建设.例如,当短期建设个反应堆模块时,可仅装配两台给水泵,一用一备.当短期建设个反应堆模块时,可仅装配三台给水泵,两用一备.待后续其他反应堆模块建设时,给水系统相应增加容量,十分灵活.当配置的给水泵数量根据反应堆模块建设情况匹配而未达到最大数量台时,上述的备用数量相应减少即可,其控制功能的实现不受影响.图跟踪功能实现方法流程框图F i g T h e i m p l e m e n t a t i o nm e t h o df o r t h e t r a c k i n gf u n c t i o n s当某一反应堆模块退出后,对应主蒸汽电动隔离阀和给水电动隔离阀关闭,该模块的给水取用结束.泵组选择控制器功能实现的方法如下:首先判断泵组选择控制器是否未被挂起,若否,则所有点控单元处于不可用状态,即此时选序操作面板中每个点控单元不能执行点选操作.若是,则进入泵组选择控制器操作面板按“泵序设定”按钮,进入泵运行优先级选序操作面板,执行泵序设定程序,执行完毕后,将进入模块化功能.为了描述方便,以泵A为例进行阐述.其他泵模块实现方法与之相同.若泵组选择控制器未被挂起,则进行判断泵A是否处于手动状态,若是,则继续判断泵A是否处于运行状态,若是,则泵A被选择;反之,则泵A不被选择.若泵A不处于手动状态,则继续判断泵A选序操作面板是否被选中,同时,泵序设定功能执行完毕后同步送入该判断单元,判断泵A于选序操作面板是否被选中,若否,则泵A不被选择;若是,则进入判断启动运行泵数量是否尚未满足,若是,则泵A不被选择.若是,则判断泵A于未运行泵中是否排序最先,若是,则泵A被选择;反之,则泵A不被选择.此外,若泵A于选序操作面板被选中,将并列送入判断单元轮换运行模式是否已启动,若否,则继续判断泵A被选中序号是否小于泵数需求,若是,则泵A被选择;反之,则泵A不被选择.若轮换运行模式已启动,则继续执行判断,泵A轮换模式运行计时是否已满,若是,则泵A不被选择.若否,则泵A被选择.轮换模式已启动时并列送入后续判断单元,判断是否有泵B/C/D轮换模式运行计时已满,若否,则泵A被选择.若是,则继续判断泵A于未运行泵中是否排序最先,若是,则泵A被 选 择;反 之,则泵A不被选择.泵A被选择节点继续送入判断模块泵A是否未处于不可用状态,若否,则泵A不被选择;若是,将继续判断泵A是否处于运行状态,若否,则执行启动泵A指令;若是,则继续判断泵A是否未处于不可用状态,若否,则保持启动泵A指令;若是,则执行停止泵A指令.前述,若泵A处于运行状态,还将同步判断启动运行泵数量是否超限,若否,则保持启动泵A指令;若是,则判断泵A于运行泵中是否排序最后,若否,则保持启动泵A指令;若是,则执行停止泵A指令.泵A未被选择节点继续判断单元泵A是否处于运行状态,若是,则执行停止泵A指令;若否,则保持启动泵A指令.泵组选择控制器功能实现方法详见图.图泵组选择控制器功能实现方法流程框图F i g T h e i m p l e m t a t i o nm e t h o df o r t h ep u m pg r o u ps e l e c t i v ec o n t r o l l e r f u n c t i o n s多模块高温气冷堆核电厂给水系统的泵组选择控制的方法实现的效果与泵组选择实现有密切的关系,因此提出与之对应的泵选序实现方法以实现泵运行优先次序选择.同时 使 用 的 泵 组 选 择 控 制 器 操 作 面 板 如图所示,其中设置泵组选择控制器的编码、名称、状态信息,同时设置泵数需求和泵序信息.操作面板上还显示每台泵的运行/停止信息、自动/手动、可用/不可用和运行时长信息.同时设置轮换自动/手动按钮、轮换启/停按钮以及轮换时间设定输入窗口.操作面板最下端设置挂起按钮和泵序设定按钮.其中泵序设定按钮按下后会调出选序操作面板,如图所示.图泵组选择控制器操作面板F i g T h eo p e r a t i n gp a n e l o f t h ep u m pg r o u ps e l e c t i v ec o n t r o l l e r图选序操作面板F i g T h eo p e r a t i n gp a n e l f o rs e q u e n c es e l e t i n g泵组选序方案选序操作面板整体按照矩阵阵列模式设计.面板左上角设置锁定/解锁按钮,面板第一行设置序号指示标签,用于指示泵运行优先次序信息的“序”“序”“序”和“序”标签.面板第一列设置泵标签,用于指示“泵A”“泵B”“泵C”和“泵D”信息.操作面板内含的内矩阵区域为点控单元区域,用于具体选择控制以及显示选序信息.锁定/解锁按钮提供锁定与解锁功能,按钮按下为锁定状态,此时按钮面信息指示“锁定”,按钮松开,执行解锁功能,按钮面指示信息为“解锁”.当“锁定”功能触发时,选序操作面板当前状态处于锁定状态,控制矩阵中每个点控单元处于不可操作状态.当“解锁”功能触发时,选序操作面板当前状态处于解锁状态,控制矩阵中每个点控单元处于可操作状态(泵处于可用状态时)或不可操作状态(泵处于不可用状态时).点控单元为控制矩阵中位列每个矩阵元素位置的按钮指示单元为一体化单元装置,其具有按钮操作功能,当按钮按下时,其指示变为绿色,表征该点控单元被选中,其执行的选序功能已经实施.当该按钮未按下时,其有两种状态显示,一为蓝色,标识其目前状态为对应泵可用,该点控单元处于可操作状态,尚未被选用;二为灰色,标识其目前状态为不可操作状态,对应原因可能是泵状态不可用或者由于选序逻辑作用使得其不可操作等.针对泵A序对应点控单元,为了描述方便,将其命名为点控单元A,取义设备为泵A,序号 为.其 中,信 号S C A ,即 点 控 单 元A 被选中,设置功能为当该点控单元被选中其值为,反之,其值为.信号S C A ,即点控单元A 不可用/可用,设置功能为当泵A设备不可用时其值为,反之,其值为.优先级为信号S C A 高于信号S C A ,即无论该单元是否被选中,只要接收设备本体信号确认其为不可用状态,点控单元A 不可用信号均置.具体内容详见表.表点控单元信号功能设置T a b l eT h e s e t t i n go fp o i n t c o n t r o l e l e m e n t s i g n a l s选序操作依据当前的操作面板初始状态开始操作,操作面板的初始状态依据所连接泵的当前状态自动匹配,方法如下:未执行选序时,可用泵的台数选序列可用数,如目前仅有泵A、泵B和泵D可用,则序列自动置灰所有点控单元,泵C行自动置灰对应行以及序所对应列的所有点控单元.本方法使得选序操作面板上一直显示的为有效操作单元,使得选择操作在最小最优的区域内进行选择.选序操作面板控制方法按照循序消元的思想实现,具体如下:选序操作依据当前的操作面板初始状态开始操作,按照需要设定的顺序,任意点击控制面板矩阵中的点控单元,例如可以先选定序的泵角色为泵C,也可以先选定泵B处于序列.当某个点控单元被选定好后,其对应的矩阵所在列单元和所在行单元自动置无效.接下来仍然可以从剩余有效点控单元范围内按照需求的顺序任意选定需要的单元,第二次被选定的点控单元再次使得其所对应的列剩余有效单元以及对应的行剩余有效单元自动置无效.按照上述规则进行第三次选定点控单元后,再次执行自动置失效功能.至此,选序操作面板矩阵中将存留唯一有效点控单元,其将自动置为选定状态.以最终设置泵序为泵A 泵D 泵C 泵B为例说明其中一种操作实施方法,如图选序操作面板控制效果及流程图中图B所示,本次选序操作步序选定了泵A作为序泵,则泵A所在行的序单元自动置无效,序所在列泵B/C/D自动置无效.本次选序操作步序选定了作为序泵的为泵B,则泵B所在行的序/单元自动置无效,序所在列泵C/D自 动 置 无 效.步 序选 定 了 作 为 序泵的为泵D,则泵D所在行的序单元自动置无效,序所在列泵C自动置无效.此时,仅余留泵C序为可操作状态,其余单元均处于不可操作状态或已选定的状态,因此自动将其置为选定状态,位于序列.详见图和图.图选序操作面板控制方法流程框图F i g T h ec o n t r o l f l o wo f t h es e q u e n c es e l e t i o no p e r a t i n gp a n e l图选序操作面板控制效果及流程图F i g T h ec o n t r o l e f f e c t a n df l o wo f t h es e q u e n c es e l e t i o no p e r a t i n gp a n e l结束语本文提出的一种多模块高温气冷堆核电站给水系统,其设置思想是将核电站的多模块高温气冷堆视为给水需求方,其共享一个容量可靠满足的水资源池,该水资源池配置能够满足最大用户需求的给水泵以进行给水增压输送.给水输送的目的不是单台泵对应单个反应堆需求方,而是融合给水供应母管压力需求和某个时刻投运反应堆模块需求方的功率匹配给水需求的最大值,以此将水资源的供给资源达到资源共享的效果,冗余设置的给水供应系统设备间的灵活可靠调用提升了反应堆模块给水供应的可靠性,大大降低现有技术中备用泵切换引起停堆事故的概率.本多模块高温气冷堆核电站给水系统,于每个反应堆模块给水接口设置独立的给水操作器件,包括隔离阀、调节阀、检测元件等,使得反应堆模块有了模块化的给水接口,其作为给水需求方可以根据反应堆的运行情况而独立地接入和退出.同时,设置于每个反应堆模块入口的给水流量调节阀起着给水流量精细调节的功能,使其满足对应反应堆模块实际运行的具体要求.同时,给水系统中给水泵组的设置也可以根据反应堆模块的建设情况分批建设.给水系统的控制方法使得不同给水泵的控制基于模块化的实现方法,每个独立的模块既不会影响给水泵频率调节控制方法的主控制器实现方案,又使得每台泵有对应独立的操作功能,其扩充仅需要将对应独立功能模块式地加入即可,实现方法灵活可靠.根据反应堆模块的投运情况确定启动泵数量的需求,启动泵数量的需求信息被送到泵组选择控制器,泵组选择控制器依据启动泵数量需求信息、当前泵状态信息、选序操作面板执行的选序信息等进行选择待启动的泵,选定执行完毕后结合泵的状态信息以及给水系统运行需求等信息进行启动某具体泵指令的发送.综合考虑了泵运行轮序功能、运行泵故障切换功能以及虑及排序信息的根据实时泵需求调用和退出的功能,使得给水系统池化设置、输送设备整体协同调用的方案得以实现,增强了系统的稳定性,兼顾了设备运行保养的需求.采用循序消元泵选序功能实现方法以及基于点控单元的矩阵阵列模式的选序操作面板使得泵序设定功能的实现方便快捷灵活,且扩展性非常好,增加设备时,其面板元素和内部控制方法仅需要模块式扩充而不需要推翻重做.同时,该种方法从选择机理上确保了任意排序功能的实现,而不局限于仅设置的固定的几个排序按钮,实现了真正意义上的全排序功能.参考文献:张浩,王建建模块式高温气冷堆的技术背景及展望J中国核电,():张作义,吴宗鑫,王大中,等我国高温气冷堆发展战略研究J中国工程科学,():朱书堂高温气冷堆超临界蒸汽动力循环电站J科技导报,():朱书堂,张作义商用高温气冷堆联合循环方案研究J原子能科学技术,():居怀明,徐元辉,钟大辛高温气冷堆工艺热应用研究J高技术通讯,():王丽,李东原高温气冷堆应用于工业供热的可行性分析J吉林电力,():倪航,曲新鹤,彭威,等高温气冷堆耦合碘硫循环制氢的经济性研究J原子能科学技术,():高建新高温气冷堆在石化行业耦合应用的思考与建议J炼油技术与工程,():