核电汽机旁路系统(GCT).doc

§2.1.3汽机旁路系统（GCT）
一． 系统功能
1． 功能
汽机旁路系统是为了适应机组的启停及事故处理的需要而设置的，该系统能为一回路提供一个人为负荷。汽机旁路系统的主要功能是在汽轮发电机突然减负荷或在汽轮机脱扣情况下，排走蒸汽发生器内产生的过量的蒸汽，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RRA投入使用。它由凝汽器蒸汽排放系统及大气蒸汽排放系统组成。
（1） 凝汽器蒸汽排放系统（GCTc）
在凝汽器蒸汽排放系统投入工作时，可起到如下作用：
（Ⅰ）允许核电厂接受突然的负荷下降（直至甩全负荷），而不引起反应堆紧急停闭和不触发打开蒸发器安全阀；
（Ⅱ）允许在一定条件下汽轮机脱扣时不引起反应堆紧急停堆；
（Ⅲ）允许反应堆接受大于10%额定功率的阶跃变化和每分钟负荷变化大于5%额定功率的线性变化；
（Ⅳ）反应堆紧急停闭期间
（a） 防止反应堆冷却剂过热和打开蒸发器的安全阀和排放阀
（b） 导出反应堆冷却剂系统的贮热和剩余热量，使反应堆冷却剂的平均温度达到零负荷温度
（Ⅴ）允许手动控制电厂，使反应堆从热停堆冷却到RRA投入工作；
（Ⅵ）允许在汽轮机启动前使二回路暖管，在控制棒手动运行范围内（0—15%Pn）逐步实现汽轮机带负荷。
2． 大气蒸汽排放系统（GCTa）
在凝汽器蒸汽排放系统不能用时，GCTa提供一个人为的负荷，并具有如下的功能：
（Ⅰ）允许将反应堆冷却剂系统冷却到余热排出系统能够投入工作的工况点；
（Ⅱ）控制蒸发器压力为零负荷时的值，并维持反应堆冷却剂的平均温度在热停堆的温度上；
（Ⅲ）允许避免打开蒸发器的安全阀，而且在它们已经满足运行要求时能及时关闭。
3． 安全功能
（1） 保护反应堆冷却剂系统防止一回路过热和二回路超压
蒸汽发生器的安全阀与核安全有关，而蒸汽排放系统与核安全无关。GCT导出汽机负荷突然变化所产生的多余的蒸汽，就使反应堆冷却剂系统得到有效的冷却，从而保护反应堆冷却剂系统，防止一回路过热和二回路超压。
（2 保护反应堆冷却剂系统防止过冷
由于蒸汽管道的破裂则产生与负荷突然下降的相反的效应，二回路导出更多的热量，反应堆冷却剂则会过冷。为了避免此时出现阀门的意外打开导致冷却剂进一步冷却则应闭锁有关的阀门。
注意：万一失去了电力和控制空气的动力，则必然引起大气排放阀和凝汽器排放阀的关闭。
（3） 安全停堆
安全停堆对应于反应堆在次临界下的余热的导出和放射性物质的释放是满足在假想事故瞬态下可以接受的要求。
万一蒸汽排放系统损坏，则依靠蒸发器安全阀导出剩余发热。
因而凝汽器排放系统和大气排放阀不必有这样安全作用的要求。但是大气排放系统应有如下的安全要求，即万一蒸发器管子断裂时限制放射性的扩散。为了使大气排放阀即使在发生事故时也能运行，每两个大气排放阀的控制都配备有单独的压缩空气罐。

二． 系统描述
1． 系统组成
汽机旁路系统由凝汽器排放系统和大气排放系统组成，参图示（2）。
（1） 凝汽器蒸汽排放系统
凝汽器蒸汽排放系统由从排放总管上引出的12根管道组成，连接在蒸发器隔离阀和汽轮机入口阀门的主蒸汽管道上。每个凝汽器有4根进汽管，每边各2根。在每根进汽管上装有一个手动隔离阀（常开）和一个用压缩空气操纵的旁路排放控制阀。12根蒸汽排放管进入凝汽器后与安装在凝汽器颈部的扩压器相连。冷却水为凝结水，来自凝结水泵的出口，过了手动隔离阀后供水管分岔。二根母管引到汽轮机凝汽器的两侧，在每根母管上安装有一个用压缩空气操纵的控制阀。
排向凝汽器的12个减压阀分为三组，第一、第二和第三组分别有三个、三个和六个减压阀。
（2） 大气蒸汽排放系统
大气蒸汽排放系统由四根独立的管线组成，每两根管线连接在相应的一条主蒸汽管道上，它们处在反应堆安全壳外，主蒸汽隔离阀上游，压力整定值分别为7.85MPa和8.05MPa。在每根管线上装有一个电动隔离阀和一个气动控制阀。每两个气动控制阀装配有一个压缩空气罐，以便在空气压缩系统失灵后仍可工作2小时（可向单阀连续供气4小时）。气动蒸汽排放控制阀后装有一个消音器，蒸汽是通过消音器排入大气的，以降低系统的噪音水平。
2． 设备说明
我们知道GCT的主要功能是在汽轮发电机突然减负荷或是在汽轮机脱扣情况下，排走蒸发器内产生的过量的蒸汽，避免蒸发器安全阀动作。在热停闭和最初冷却阶段，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RRA投入使用。GCT排放容量的确定，应根据核电厂设计的不同要求，通常在50%—100%范围内，此值显著高于常规火电厂旁路系统所取的值（10—30%）。这反映了核电厂在安全方面的特殊要求。较大的排放容量相应于较大的处理事故排放的能力，但同时也意味着凝汽器将承受较大的蒸汽排放负荷。尽管凝汽器传热面积不是按事故排放工况而确定的，但应在排放工况下校核凝汽器的背压值，且不应达到停机背压整定值。秦山二期核电厂额定热功率为1930MW，蒸汽压力为6.71Mpa.a，额定流量为1072.8kg/s，GCT—c旁路系统的排放容量为85%的额定流量即911.9kg/s。
汽机旁路系统还包括一个大气蒸汽排放系统，当凝汽器发生故障，不能接受排汽时，GCT—a投入工作，以担负安全功能。GCT—a的气动蒸汽排放阀的排放量通常为额定蒸汽流量的10—15%，其动作压力整定值介于蒸发器零负荷压力及安全阀开启压力之间。
安全阀是防止一、二回路超压的最后保护措施，其总排放量取为额定蒸汽流量的110%，但单只安全阀排放量受下列条件限制：在反应堆热停堆工况下，当一只安全阀失控开启时，不会引起反应堆所不允许的过度冷却。因此安全阀通常取为多组分组设置，各组安全阀动作压力整定值也不相同。
（1） 减压阀
在6.3Mpa.a下，各个减压阀的设计排量为76.8kg/s。第一组阀的快开时间为2.5S，第二、三组阀的快开时间为2S，所有组的调节开启时间为10S。每个阀的排放容量为蒸汽额定流量的7.08%。第一、二、三组阀门由12根管道连接形成凝汽器蒸汽排放系统，它们每组都分别连接到三个凝汽器，因此，在GCT系统工作时，各个凝汽器的工作情况是一样的。根据工作容量的需要，三个组按顺序逐个投入工作。
（2）气动蒸汽排放控制阀
在每个GCT—a排放管线上都装有一个电动隔离阀和一个气动蒸汽排放控制阀，这个控制阀的工作特性：
最大运行压力 86bar.a
最大运行温度 316℃
流量（76bar.a时） 230t/h
关闭时间 20S
工作压力范围 0.5—9.46Mpa.a
（3） 消音器
在上述的每个气动排放阀的管线上都配有一个消音器，以减小噪音再排向大气。
消音器设计流量（76bar，292℃） 230t/h
消音器最大流量（86bar，316℃ 478t/h
总噪音水平 < 110±2 dBA
（4） 压缩空气罐
为了保证气动蒸汽排放控制阀有效的投入工作，每两个控制阀都配备有一台相应的压缩空气罐，其特性如下：
最大工作压力 9.5bar.a
最大工作温度 50℃
容积 2.5 m3
供气时间 2 h
（5） 扩压器
由第一、二、三组12个减压阀连接的12根蒸汽排放管把旁路来的蒸汽排向凝汽器，而在凝汽器的颈部安装有扩压器，使旁路来的高温高压的蒸汽在其中降温降压以不致于损坏凝汽器，它在凝汽器的颈部装有多孔的节流孔板降低额定流量下的蒸汽压力至凝汽器的压力。冷凝液通过节流孔板的喷嘴在扩压器和节流孔板之间注入到凝汽器中。

三． 系统运行
1． 正常运行
核电厂带功率稳定运行时，GCT系统是正常关闭的。反应堆冷却剂系统的的温度由控制棒控制系统来控制。
2． 特殊的稳态运行
当反应堆处于热备用、热停堆、正常中间停堆状态和两相中间停堆状态RRA系统未投入的状态下，由汽机旁路系统投入导出剩余发热和冷却剂泵产生的热量。
3． 特殊的瞬态运行
（1） 凝汽器蒸汽排放系统
（Ⅰ）汽轮机甩负荷
在汽轮机甩负荷时，则堆芯提供的功率与汽轮机吸收的功率之间发生暂时的不平衡，因为调节棒的调节能力有限，在甩负荷幅度大于额定负荷的10%或高于每分钟5%额定负荷的逐步甩负荷时，GCT就要投入运行。这种汽机的甩负荷产生的冷却剂系统的热量的去除，可以弥补调节棒调节反应堆冷却剂系统温度的能力的不足，避免冷却剂的温度和压力超过其阈值。在这样的条件下，根据反应堆冷却剂系统的冷却剂的平均温度偏差信号就可以自动调节蒸汽排入凝汽器。这种温度偏差信号投入运行是在温度偏差大于3℃而且有关阀门的逻辑信号有效时才投入。根据这个温度偏差信号ΔT的大小，排汽减压阀分组依次的开放直至全部打开，使系统恢复到稳定状态。
（Ⅱ）带厂用电运行
当负荷降到30%额定负荷的核功率时，操纵员可以调整到带厂用电运行（大约6%或8%额定负荷由汽轮机导出，其余的负荷可排向蒸汽旁路系统）。当甩负荷幅度较大，使最终负荷低于调节棒自动调节系统的运行范围（15%额定负荷），操纵员则在厂用电下把蒸汽排放系统由温度控制模式切换到压力模式。
（Ⅲ）汽轮机脱扣反应堆不紧急停堆
汽轮机脱扣（C8）将导致在下列情况下反应堆紧急停闭：
（a） + P16
汽轮机脱扣，且凝汽器不可用（），并伴随有核功率大于40%额定负荷（允许信号P16），则反应堆紧急停堆。
（b） 汽轮机脱扣，并伴随有核功率大于40%额定负荷（P16），如果同时出现下列情况之一，则延时1秒后，反应堆紧急停堆：
Ø 有蒸汽排放闭锁信号存在；
Ø 任一手动隔离阀无开启信号；
Ø 无控制信号（Tavg—Tref）>3℃。
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汽机甩负荷和带厂用电运行的情况是相同的，多余的蒸汽由GCT导出。
（Ⅳ）反应堆紧急停堆
反应堆紧急停堆将引起汽轮机脱扣而使得蒸汽发生器压力上升。
如果凝汽器是可用的，汽机旁路系统动作就可以避免蒸发器安全阀的动作。
反应堆紧急停堆引起汽机旁路系统的排放是由冷却剂平均温度加以控制。参考温度Tref0 是由汽轮机入口的压力转换得到的。阀门打开的规律则是根据紧急停堆引起调节棒下插和汽机旁路系统导出的功率间的失配所确定的。在正常的满负荷运行时，汽轮机脱扣并伴随反应堆紧急停堆，则要考虑对蒸发器的紧急供水，如果有低的平均温度信号（Tavg<295.4℃）出现，则正常的给水系统要被隔离。
（2） 大气蒸汽排放系统
汽机旁路系统的大气排放阀的压力整定分别是78.5bar和80.5bar，所以在机组正常运行或是甩负荷和反应堆停堆情况下，凝汽器又可用，则在蒸发器出口的的蒸汽压力实际上低于此压力整定值，因而大气排放阀处于关闭位置。
如果凝汽器不可用，则旁路系统被闭锁，蒸汽发生器压力升高，控制回路打开大气排放阀并且在安全阀动作之前，允许排放大于10%的额定流量（满负荷）。随着一回路剩余热量减少，大气排放阀逐渐关闭。
4． 启动和正常停运
（1） 凝汽器蒸汽排放系统
如果凝汽器是可用的，在机组的正常启动和正常停闭期间，我们可以用手动调节蒸汽集管的压力和给定压力之间的偏差来控制多余的蒸汽向凝汽器排放从而使机组正常的启动和停闭。控制回路是根据蒸汽集管的压力与手动调整的压力偏差信号加以调节的。这个偏差信号作用到第一、二组的六个减压阀上，仅当有关的逻辑信号也发生作用时，这些阀门才打开。这些减压阀根据这个“偏差”信号的幅度，按钮部分地或全部地慢慢打开 。这种运行方式不会引起阀门迅速开启。
（Ⅰ）机组启动
反应堆只允许从热停堆达到临界，反应堆冷却剂系统的的平均温度则由反应堆冷却剂泵维持，使之从180℃升到290.8℃。由蒸发器出口抽取蒸汽加热蒸汽管线的蒸汽量要受到限制，只是当反应堆冷却剂的平均温度超过200℃，才抽取更大量的蒸汽来加热二回路，供给主汽轮机。
在这个运行阶段，凝汽器蒸汽排放是控制蒸汽集管直接排汽到汽轮机入口的压力来调节的。在最初阶段，蒸汽集管压力控制点是选择在无负荷时所对应的蒸汽压力（76bar）。随着反应堆功率的增加，汽轮机被加速，发电机则同步运行。当反应堆功率达到15%额定功率，则控制棒控制系统转换到自动方式，当旁路阀关闭，则蒸汽旁路系统从压力控制模式转换到温度控制模式。
（Ⅱ）反应堆冷却
（a） 热备用
汽轮发电机组根据其减负荷的要求逐渐地减负荷运行直到为15%的额定负荷，其旁路系统是在平均温度控制下自动投入运行。一般的说，当预定的压降小于每分钟5%额定负荷，则蒸汽旁路系统不投入运行。当汽轮发电机组降负荷到15%的额定负荷之下，则GCT系统由温度控制的自动控制方式改变为蒸汽集管压力控制的手动控制方式，操纵员可调整压力的整定值，使由反应堆产生的而未被机组所利用的多余蒸汽排向凝汽器。
冷却应在反应堆冷却剂系统的降温速率极限以内，通过降低压力整定值来手动进行的。当汽轮发电机组的电功率低于几个兆瓦时，机组与电网解列。蒸汽旁路系统便向凝汽器排出所产生的全部蒸汽，其压力就相当于零负荷时的压力（7.6MPa）。
（b） 热停堆
反应堆的这种运行状态不会引起对蒸汽旁路系统的任何其他干预，旁路系统仍然受蒸汽集管压力的的控制，调节到7.6MPa，蒸汽旁路系统向凝汽器排出运行中的反应堆冷却剂泵带来的功率和反应堆的余热。
（c） 冷停堆
这一运行阶段能使反应堆冷却剂系统从290.8℃（热停堆状态）冷却到180℃，180℃对应于余热排出系统投入运行的温度。
（2） 大气蒸汽排放系统
（Ⅰ）机组启动
在反应堆冷却剂系统加热期间，由反应堆冷却剂泵、稳压器的加热器和反应堆余热产生的总的热量加热反应堆冷却剂系统。在这期间，没有蒸汽排向大气。
（Ⅱ）反应堆冷却
如果反应堆在热备用、热停堆和冷停堆的情况下，凝汽器不可用，则大气蒸汽排放系统投入工作，蒸汽排向大气。其操作程序与凝汽器排放投入工作时的反应堆冷却剂的情况相同，操纵员根据蒸汽发生器出口压力整定值来调节大气蒸汽排放系统的控制回路。
5． 其它运行
（1） 凝汽器蒸汽排放系统
（Ⅰ）系统内部的故障和事故
凝汽器蒸汽排放阀的意外打开
在一定负荷下机组投入自动运行时（温度控制系统投入），排汽阀需要由模拟控制信号和逻辑允许信号共同作用。这些信号是由两个分离的传感器引入的，这些蒸汽排汽阀的意外打开的几率是受到严格限制的。然而，即使在这种情况下，在低的温度信号下（P12，即要求Tavg<284℃）蒸汽旁路系统也应该被闭锁。这种蒸汽排放阀的闭锁所提供的保护防止了相当于蒸汽管道的破裂而使堆芯过冷事故的发生。
在压力控制模式下，旁路打开能提供50%的旁路容量，这要求操纵员以手动方式控制之。实际上，根据温度控制模式或者压力控制模式的转换，一个自动化装置可以防止操纵员的误操作。在防止蒸汽排汽阀意外打开的情况下，它能提供的保护防止了蒸汽管道的破裂，保护了堆芯。如果一个或几个阀门组处在开启的位置，操纵员应该利用相关的隔离阀使这些阀门分别的隔离。
（Ⅱ）系统外部的故障和事故
（a） 失去电源供应
这一故障使得大气排放阀投入运行。因为这时假定凝汽器失去真空，凝汽器不可用。蒸汽发生器的第一组安全阀打开，排放阀调节压力到其整定值（7.6MPa），并引起安全阀关闭。
（b） 凝汽器瞬时失去真空
这一故障不同于上述失去电源，不同在于反应堆冷却剂流量是有效的，以及在于可能会发生非延时的紧急停堆。它使通向凝汽器的蒸汽旁路不可用，并引起或导致使用向大气排汽的系统，这决定于该装置处于正常运行工况还是处于停止运行的过程。
（2） 大气蒸汽排放系统
（Ⅰ）大气蒸汽排放阀意外打开
这里仅涉及到一只排放阀。它排汽的流量小于安全阀的流量。如果有一只阀门处在开的位置或者大量泄漏，操纵员则应利用相关的电动隔离阀隔离这个有故障的阀门。
（Ⅱ）失去仪用空气
万一压缩空气供应故障了，其辅助的压缩空气罐还可维持两个小时的工作。
（Ⅲ）失去控制信号
失去了控制信号，则驱动压力减少了阀门的关闭或者保持阀门的关闭。

四．系统控制原理
1． 凝汽器蒸汽排放系统
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
S2
S1
冗余允许信号
1
3
2
1
2
3
主凝汽器
排放阀
排气
排气
S3
快速打开信号
气动定位器
压缩空气
电/气转换器来的调节信号
允许信号。其气动阀的控制原理见下图。

图（1） 排放阀控制原理

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排放阀全打开。
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） 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汽轮机负荷程序温度之差，这种控制手段用于自动控制运行，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，它是将蒸汽集管的压力维持在手动预定值水平。控制回路是比例积分回路。此通道用于低负荷手动控制棒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）。
（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。第一组阀门是逐个开启的，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%。
（3） 控制模式转换
为了避免控制模式从平均温度模式转换到蒸汽压力模式突然打开蒸汽排放阀到凝汽器，这种转换仅在蒸汽集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生的信号相等时才有效。、
2． 大气蒸汽排放系统
大气蒸汽排放系统只是在凝汽器不可用的情况下使用。它的控制是由一个比例积分作用的控制回路来根据蒸发器出口的蒸汽压力和该点整定压力的偏差加以调节。
图（2）GCT-C流程图
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