秦山第二核電廠蒸汽發(fā)生器水位控制

王亞戰(zhàn)

（中核核電運行管理有限公司運行三處，浙江 海鹽314300）

0 前言

秦山第二核電廠的蒸汽發(fā)生器是一個立式的、自然循環(huán)式的、產(chǎn)生飽和蒸汽的裝置。它由外殼、U形傳熱管、汽水分離器和套筒等部件組成。反應(yīng)堆冷卻劑在傳熱管內(nèi)流動，把熱量傳遞給管外的二回路水，二回路水在蒸汽發(fā)生器內(nèi)自然循環(huán)，在它流經(jīng)傳熱管外時有一部分水變成飽和蒸汽，供給主汽輪機和輔助設(shè)施。作為反應(yīng)堆的第二道屏障的組成部分，蒸汽發(fā)生器在有放射性的一回路系統(tǒng)和無放射性的二回路系統(tǒng)之間提供了屏障。對于一個主控操縱員來說，蒸汽發(fā)生器水位的控制是非常重要的，只有對蒸汽發(fā)生器水位的各個影響因素了解清楚以及掌握了各因素之間的相互關(guān)系后，才能在蒸汽發(fā)生器水位發(fā)生異常時作出準確而有效的應(yīng)急措施，從而確保反應(yīng)堆及汽輪機的安全可靠運行。

主給水流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)(ARE)的功能是向蒸汽發(fā)生器供應(yīng)給水。這水來自凝結(jié)水抽取系統(tǒng)(CEX)的凝汽器，并通過給水除氧器系統(tǒng)(ADG)的水箱。水在低壓加熱器和高壓加熱器內(nèi)加熱(ABP和AHP)，依靠主給水泵供水。蒸汽發(fā)生器的供水量由給水流量控制系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)，它將蒸汽發(fā)生器二次側(cè)的水位維持在一個隨汽輪機負荷變化所預(yù)定的基準值上。

本文將從蒸汽發(fā)生器水位控制入手，分析影響SG水位的相關(guān)系統(tǒng)，并對機組運行以來發(fā)生的一些SG水位瞬態(tài)變化的事件加以簡要分析。

1 蒸汽發(fā)生器水位控制原理

設(shè)置蒸汽發(fā)生器水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)的目的，就是為了維持蒸汽發(fā)生器二次側(cè)的水位在需求的整定值上。

水位不能過高，否則將造成出口蒸汽含水量超標，加劇汽輪機的沖蝕現(xiàn)象，影響機組的壽命甚至使汽輪機損環(huán)。而且，水位過高還會使得蒸汽發(fā)生器內(nèi)水的質(zhì)量裝量增加，在蒸汽管道破裂的事故工況下，對堆芯產(chǎn)生過大的冷卻而導(dǎo)致反應(yīng)性事故的發(fā)生。如果破裂事故發(fā)生在安全殼內(nèi)，大量的蒸汽將會導(dǎo)致安全殼的壓力、溫度快速上升，危害安全殼的密封性。同樣，水位也不能過低，否則，將會導(dǎo)致U型管頂部裸露，甚至可能導(dǎo)致給水管線出現(xiàn)水錘現(xiàn)象。這樣，堆芯余熱的導(dǎo)出功能將惡化。

為此，蒸汽發(fā)生器水位整定值設(shè)計成隨負荷而變化的。這里所說的負荷是由兩部分組成的，即進入汽機的蒸汽流量與排向凝汽器的蒸汽流量之和。在低負荷時，蒸汽發(fā)生器的蒸汽壓力高（出口蒸汽壓力在零負荷時為7.6MPa），水的密度大，確定較低的水位定值是為了保持蒸汽發(fā)生器中的水裝量較少，以防止在主蒸汽管道破裂時，向安全殼釋放更多的能量，造成安全殼破壞。

在20%負荷以下，水位定值隨負荷增加而提高。這是因為在負荷減小時，由于蒸汽發(fā)生器中汽泡數(shù)目減少，使蒸汽發(fā)生器中水的密度增加（降低比容），為了使水位不至于下降到低水位保護動作，水位隨負荷增加而線性增加。

在20%—100%負荷時,水位定值維持在51.6%水位不變。因為隨著負荷的增加,蒸汽發(fā)生器中汽泡的數(shù)目和尺寸都增加,這就降低了蒸汽發(fā)生器中水的密度,提高了比容。這時如果不減少蒸汽發(fā)生器中的水的質(zhì)量，其水位將會升高到淹沒二級汽水分離器,達到不可接受的程度。所以為了保持蒸汽發(fā)生器出口的干度，在20%—100%負荷時，水位控制系統(tǒng)將水位維持在51.6%恒定。

同時，蒸汽發(fā)生器水位也參與保護動作，水位定值情況如圖1所示。

1.1 主給水泵系統(tǒng)（APA）

1.1.1 系統(tǒng)功能

1）在各種工況下，本系統(tǒng)能通過高壓給水系統(tǒng)，從除氧器連續(xù)地向蒸汽發(fā)生器輸送除氧水。

圖1 蒸汽發(fā)生器水位圖

2）系統(tǒng)設(shè)有三臺電動主給水泵，正常運行期間，兩臺運行，一臺備用，三臺泵可以任意切換。

3）當兩臺運行的電動主給水泵組中一臺脫扣時，處于備用狀態(tài)下的電動主給水泵快速啟動。

4）具有變速功能，能在反應(yīng)堆整個熱功率范圍內(nèi)，滿足蒸汽發(fā)生器給水流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)（ARE）控制給水的流量要求。1.1.2 主給水泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)原理

每臺蒸汽發(fā)生器都有各自獨立的水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)，通過改變調(diào)節(jié)閥門的開度以改變給水流量從而達到控制水位的目的。但是，二臺蒸汽發(fā)生器的給水母管是共用的，如果只是單獨采用水位調(diào)節(jié)方式，當一臺蒸汽發(fā)生器的水位偏離整定值而需要改變給水調(diào)節(jié)閥的開度以改變給水流量時，將會引起給水母管壓力的改變，而此時另外一臺蒸汽發(fā)生器的給水調(diào)節(jié)閥開度并沒有改變，因而其給水流量因給水母管壓力的變化而產(chǎn)生變化，這樣，在這臺蒸汽發(fā)生器內(nèi)將出現(xiàn)汽—水流量不平衡狀況，從而也會發(fā)生了水位的波動。為了避免這種相互間的不良影響，避免給水調(diào)節(jié)閥的頻繁動作，改善水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)的工作環(huán)境，引入了給水泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)給水泵的轉(zhuǎn)速使得給水閥的壓降在正常的負荷變化范圍內(nèi)（0～100%FP）維持近似恒定，從而優(yōu)化給水調(diào)節(jié)閥的工作條件。

主給水泵系統(tǒng)維持給水母管與蒸汽母管之間的壓差隨負荷變化，從而保證調(diào)節(jié)閥的壓降保持近似不變，從而消除了兩臺蒸汽發(fā)生器之間的耦合影響。給水母管與蒸汽母管之間的壓差隨負荷變化而呈拋物線變化，作為近似，可以用一條折線來表示，如圖2所示：

圖2 汽水壓差與負荷的關(guān)系曲線

圖中：給水母管和蒸汽母管的總壓降△P由四部分組成：

△P＝△P1+△P2+△P3+△P4

式中：△P1——給水泵出口與蒸汽發(fā)生器給水進口之間的位差，是恒定值；

△P2——調(diào)節(jié)閥壓降，應(yīng)保持恒定；

△P3——蒸汽發(fā)生器二次側(cè)的壓降，隨負荷而變；

△P4——蒸汽管線和給水管線內(nèi)的壓降，隨負荷而變。

通過調(diào)節(jié)給水泵的轉(zhuǎn)速，我們能保證泵的出口壓頭和流量都隨負荷變化而變化。這樣不僅能維持給水閥的壓降不變，而且能使壓頭與圖2所示的總壓降曲線相吻合，從而消除了兩臺蒸汽發(fā)生器之間單獨的流量調(diào)節(jié)之間的不良耦合。

主給水泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)原理如圖3所示，主給水泵轉(zhuǎn)速控制原理（見下頁模擬簡圖）：實測的“汽水母管壓差”信號與根據(jù)蒸汽總流量整定的“汽水母管壓差”實測值進行比較后，經(jīng)PID輸出，與“液力耦合器控制信號的平均值”比較后，經(jīng)一積分環(huán)節(jié)送出每臺主給水泵的“液力耦合器控制”信號，經(jīng)過每臺主給水泵的“手自動控制站”，轉(zhuǎn)換為4～20毫安電流信號后送入液力耦合器伺服機構(gòu)PLC控制器，同時伺服機構(gòu)的“液力耦合器反饋”信號也送入該PLC，兩者進行比較，達到整定的差值后送出開關(guān)量信號，啟動伺服電機正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，以調(diào)整勺管位置，達到調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的目的。

圖3 APA轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)原理

1.1.3 主給水泵連鎖跳泵邏輯的修改

二期設(shè)計為兩條6kV母線為三臺電動主給水泵供電，A、B泵各占一條母線，C泵掛在兩條母線上，接線如圖4。

圖4 APA泵6KV母線接線示意圖

1）正常運行時A、B泵運行，LGA6和LGB4放備用

2）A泵的備用啟動命令有三個：BLGA6LGB4泵跳

3）B泵的啟動命令將達到三個ALGA6LGB4泵跳

4）LGA6的啟動命令為A泵跳

5）LGB4的啟動命令為B泵跳

1.2 蒸汽發(fā)生器水位控制原理

我們廠的蒸發(fā)器水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)是一個利用水位偏差（要求值與實測值的偏差）、蒸汽流量和給水流量的三沖量串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)主給水系統(tǒng)的主給水調(diào)節(jié)閥和旁路調(diào)節(jié)閥來改變主給水流量，從而達到維持蒸汽發(fā)生器水位在程序整定水位。兩臺蒸汽發(fā)生器分別用兩套控制回路來調(diào)節(jié)液位。對于每臺蒸汽發(fā)生器而言，其水位的調(diào)節(jié)是通過控制進入該蒸汽發(fā)生器的給水流量來完成的。每臺蒸汽發(fā)生器的正常給水回路設(shè)置有兩條并列的管線：主管線上的主給水調(diào)節(jié)閥用于高負荷運行工況下的水位調(diào)節(jié)，旁路管線上的旁路調(diào)節(jié)閥則是應(yīng)用于低負荷及啟、停階段的運行工況。其調(diào)節(jié)原理如圖5所示。

圖5 蒸汽發(fā)生器水位調(diào)節(jié)原理圖

給水主調(diào)節(jié)閥可保證1854t/h的受控流量（名義流量的95%），旁路調(diào)節(jié)閥可保證的受控流量為293t/h（設(shè)計流量），實際上旁路調(diào)節(jié)閥可保證360t/h的流量（名義流量的19%）。流量控制由兩個互補的通道來保證：

1）兩參量（蒸發(fā)器水位-負荷）控制通道，它在低負荷（小于18.5%FP）時運行，使旁路調(diào)節(jié)閥（ARE242、243VL）動作；此時主調(diào)節(jié)閥保持全關(guān)狀態(tài)。

2）三參量（蒸發(fā)器水位-給水流量-蒸汽流量）控制通道，它在高負荷（從18.5%FP到100%FP）時運行，使給水主調(diào)節(jié)閥（ARE031、032VL）動作。在這種情況下旁路調(diào)節(jié)閥保持全開狀態(tài)。

1.2.1 旁路給水調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)原理

1）旁路調(diào)節(jié)閥設(shè)計是調(diào)節(jié)大約19%的額定流量，用于啟動和低負荷工況。因為在低負荷時，測量流量的節(jié)流裝置兩端的壓差太小，流量測量不精確，信噪比也變得較差。此外，在低負荷時，如果采用主給水調(diào)節(jié)閥，它在較小的開度下頻繁調(diào)節(jié)，會帶來閥座過度磨損，并且在較小開度下，其調(diào)節(jié)性能很差。因此在負荷低于18.5%時，主給水調(diào)節(jié)閥保持關(guān)閉，只使用旁路調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)。

2）用于旁路調(diào)節(jié)的信號有水位調(diào)節(jié)器給出的給水流量需求信號和低負荷下蒸汽總量信號。蒸汽發(fā)生器的實測水位與根據(jù)蒸汽負荷得出的程序水位定值比較后，給出水位偏差信號，經(jīng)過給水溫度補償，再通過水位調(diào)節(jié)器給出給水流量需求信號。

3）溫度補償：每臺蒸汽發(fā)生器裝有一臺給水溫度傳感器，經(jīng)高選后的給水溫度輸入變增益函數(shù)發(fā)生器（變增益環(huán)節(jié)），如圖6。控制系統(tǒng)將水位偏差信號乘以一個隨溫度升高而增大的系數(shù)。其作用是在低負荷時，給水溫度低，增益系數(shù)小，使調(diào)節(jié)過程穩(wěn)定，避免調(diào)節(jié)機構(gòu)的頻繁動作。在高負荷時，給水溫度高，增益系數(shù)大，使調(diào)節(jié)過程更為靈敏。

圖6 溫度補償

4）水位濾波器：它是一種延遲濾波器，其作用是避開在負荷變化初期水位變化的過渡過程中各有關(guān)參數(shù)瞬態(tài)變化的干擾，消除蒸汽發(fā)生器“水位膨脹”和“水位收縮”現(xiàn)象對調(diào)節(jié)系統(tǒng)的不利影響。

5）低負荷下蒸汽總量信號由二部分組成：汽機的沖動級壓力（窄量程）；旁路排放的蒸汽流量。給水流量需求信號與低負荷下蒸汽總量信號相減后，進入流量調(diào)節(jié)器將流量信號轉(zhuǎn)換為旁路給水調(diào)節(jié)閥的開度信號，調(diào)節(jié)旁路閥ARE242/243VL。在主控室也可以通過手操器直接操作旁路調(diào)節(jié)閥。低負荷下，往往GCT-C會有開度，因此GCT-C閥門開度的變化會引起蒸汽發(fā)生器水位的變化，如果GCT-C閥門快關(guān)，造成SG壓力升高，氣泡壓縮，可能導(dǎo)致蒸汽發(fā)生器低低水位而停堆。因此，在低負荷下，特別是剛并上網(wǎng)時，一定嚴密注意GCT-C的開度，盡量不要出現(xiàn)大的擾動。

6）當出現(xiàn)P4，且Tavg＜295.4℃信號出現(xiàn)時，旁路調(diào)節(jié)閥固定在一個預(yù)定的開度上(60%)。這一開度一直保持到蒸汽發(fā)生器液位達到它們的整定值（-5%），此時正常控制自動恢復(fù)運行。為了避免切換過快，這個信號與一個時間延遲（30秒）聯(lián)鎖。

1.2.2 主給水調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)

1）主給水調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)是一個三沖量串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)（水位誤差、主蒸汽流量、主給水流量）。這里主蒸汽流量信號在進入調(diào)節(jié)回路前有一個濾波器，其作用是在孤島運行或大幅度甩負荷時，為了延遲蒸汽流量快速、劇烈地下降，減小蒸汽發(fā)生器水位調(diào)節(jié)過渡過程中的水位振蕩峰值。實測的主給水流量與經(jīng)過校正后的蒸汽流量相比較，給出汽/水失配信號，這里采用汽/水失配信號反映水位變化的趨勢比水位偏差信號靈敏，作為一種前饋信號，它的引入增加了給水流量的調(diào)節(jié)速度。汽/水失配信號與水位調(diào)節(jié)器的輸出信號之間的偏差送到流量調(diào)節(jié)器，流量調(diào)節(jié)器將偏差信號轉(zhuǎn)換為主給水調(diào)節(jié)閥的開度信號。在主控室也可以通過手操器直接操作主給水調(diào)節(jié)閥。

2）主給水調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)回路中引入了一個（6.5%Qn）偏置信號，其作用是確保在低于18.5%Pn的功率水平下主給水調(diào)節(jié)閥保持關(guān)閉狀態(tài)，避免主給水調(diào)節(jié)閥和旁路調(diào)節(jié)閥同時工作，增加調(diào)節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

總之，蒸汽發(fā)生器水位控制系統(tǒng)是先靠主給水流量調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)。水位降低引起調(diào)節(jié)閥開大時，水流側(cè)壓差（△P）將下降，同時由于蒸汽流量的增加而引起壓差整定值增加，這將造成主給水泵轉(zhuǎn)速增加，使壓頭增加，流量增加。再通過水位控制系統(tǒng)重新校正給水流量（即調(diào)節(jié)閥開度），以保持蒸汽發(fā)生器水位。

2 蒸汽發(fā)生器水位影響因素簡要分析

首先，如果兩臺蒸汽發(fā)生器水位同時產(chǎn)生變化，出現(xiàn)異常。我們就要考慮主給水泵調(diào)節(jié)系統(tǒng)是不是出現(xiàn)故障了。每臺APA泵轉(zhuǎn)速是不是出現(xiàn)異常，APA調(diào)節(jié)系統(tǒng)的四個RC是不是出現(xiàn)故障，這是我們要檢查的重點。如果發(fā)現(xiàn)異常，就立即把手操器放到手動，并調(diào)整到正常范圍以內(nèi)，調(diào)整SG水位到正常水位。當然，產(chǎn)生給水母管與蒸汽母管壓差的兩塊儀表：ARE002MP與VVP004MP也是我們懷疑的對象。同樣道理，在低負荷及沖轉(zhuǎn)并網(wǎng)前時，由于GCT-C往往會有一定的開度，這個時候，排往凝汽器的蒸汽流量的變化以及GCT-C閥門開度的劇烈變化也會對兩臺蒸汽發(fā)生器水位產(chǎn)生不小影響。此時，VVP024/025MP發(fā)生變化則會對GCT-C閥門開度產(chǎn)生很大影響。特別是在沖轉(zhuǎn)并網(wǎng)前，當參與控制的壓力表發(fā)生高漂時，會導(dǎo)致GCT-C的閥門關(guān)閉，從而導(dǎo)致蒸汽壓力上升，SG內(nèi)氣泡迅速減少，而由于虛假水位導(dǎo)致停堆。因此，在沖轉(zhuǎn)并網(wǎng)前，一定要確保VVP024/025MP的正常性。GRE023/024MP會對蒸汽發(fā)生器水位定值產(chǎn)生影響，也是同時導(dǎo)致兩臺SG水位產(chǎn)生波動的因素。

其次，如果只是一臺蒸汽發(fā)生器水位產(chǎn)生瞬態(tài)變化，則要考慮單臺SG水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的影響因素了。第一，水位計的變化產(chǎn)生的影響。如果參與控制的水位計發(fā)生變化（高漂或低漂），將直接影響到SG水位的變化，水位計的變化將導(dǎo)致產(chǎn)生水位偏差，從而導(dǎo)致給水流量的變化，進而使SG水位產(chǎn)生進一步的變化。如果發(fā)生故障的水位計不參與控制，那么只會產(chǎn)生報警，并和其他信號符合產(chǎn)生保護動作，而對于SG水位控制并不會產(chǎn)生很大影響。第二，給水流量或蒸汽流量的故障變化，二者之一的變化會迅速作用在汽水失配環(huán)節(jié)，由于微分作用的結(jié)果，會迅速改變給水調(diào)節(jié)閥門的開度，進而影響SG水位。第三，VVP壓力表的變化 （僅對于VVP010/013MP及VVP011/014MP而言）也會對SG水位產(chǎn)生影響。由于主蒸汽管道蒸汽流量需要壓力的校正，因此壓力變化也會導(dǎo)致蒸汽流量發(fā)生變化，進而影響到SG水位產(chǎn)生變化。在這里，特別提到的是，VVP010MP及VVP011MP，這兩塊壓力表不僅對蒸汽流量進行校正，而且還參與GCT-A的閥門開度控制，因此，如果這兩塊壓力表產(chǎn)生故障，不僅給SG水位帶來瞬態(tài)變化，而且有可能使GCT-A的閥門開啟，使一回路發(fā)生過冷。

3 結(jié)束語

經(jīng)過幾年的運行，隨著運行經(jīng)驗的不斷增加，我們對蒸汽發(fā)生器水位控制相關(guān)系統(tǒng)和因素的認識越來越深入，對蒸汽發(fā)生器水位控制也積累了不少經(jīng)驗，對其中一些不盡合理的相關(guān)因素作了改造。現(xiàn)在蒸汽發(fā)生器水位控制各系統(tǒng)能夠相互協(xié)調(diào)工作，同時運行經(jīng)驗的不斷增加也保證了機組安全穩(wěn)定運行。

［1］胡文勇.主給水泵系統(tǒng)手冊 FC-16-APA-11,2005.5:2.1-5.1[Z].

［2］吳軍軼.主給水流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)手冊 FC-10-ARE-01,2006.5:6.1-6.3[Z].

［3］韓光輝.定值手冊 SYS 001,2008:23-33[Z].