CPR1000核電機組APA泵RUNBACK時蒸汽發生器水位控制策略優化

季宗濤,黃永貴,王 磊

(陽江核電有限公司,廣東 陽江 529941)

CPR1000機組調試期間執行APA RUNBACK試驗均在80%Pn及以下進行，國內某核電廠1號機組在78%Pn平臺執行APA泵RUNBACK試驗中蒸汽發生器液位最低到達-0.85 m，2號機組在76%Pn平臺執行試驗中蒸汽發生器液位最低到達-0.74 m，較其他核電廠試驗數據 (-0.5～0.6 m)偏低，針對此異常本文分析導致液位較其他基地偏低的原因并提出優化方案，通過在后續機組進行了驗證。

1 原理介紹

1.1 蒸汽發生器水位控制原理

CPR1000機組有3臺蒸汽發生器，對于每臺蒸汽發生器而言，其水位的調節是通過控制進入該蒸汽發生器的給水流量來完成的。3臺蒸汽發生器的給水母管是共用的，如果只是單獨采用水位調節方式，當一臺蒸汽發生器的水位偏離整定值而需要改變給水調節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，而此時另外兩臺蒸汽發生器的給水調節閥開度并沒有改變，因而其給水流量因給水母管壓力的變化而產生變化，在這兩臺蒸汽發生器內將出現汽-水流量不平衡狀況，從而發生了水位的波動。為了避免這種相互間的不良影響，引入了給水泵轉速調節系統，通過調節給水泵的轉速使得給水閥的壓降在正常的負荷變化范圍內維持近似恒定，從而優化給水調節閥的工作條件，如圖1所示。

圖1 給水泵調節系統原理簡圖Fig.1 Schematic of feedwater pump regulation system

1.2 液位測量原理

每臺蒸汽發生器都裝有四個窄量程液位測量變送器，在蒸汽發生器殼體上設置2個不同高度的液位變送器接管，與下降通道連通，它們距管板上表面的高度分別為11.27 m、14.87 m。

窄量程液位從下圖可以看出，其測量范圍在旋葉分離器側。

1.3 參數計算

下文中需用到APA供水量與蒸汽發生器液位關系，因而需計算蒸汽發生器在液位變送器量程內的有效截面積。

圖2 蒸汽發生器液位測量Fig.2 Steam generator level measurement

蒸汽發生器液位測量的位置包括16個旋葉分離器。其中蒸汽發生器內徑D1為4 280 mm，旋葉分離器外徑D2為508 mm。

理論計算液位測量處的有效截面積:

圖3為蒸汽發生器液位測量量程內的截面圖，圖中圓柱狀為旋葉汽水分離器。

根據變送器差壓計算書，下降管水密度ρ為740 kg/m3。

圖3 蒸汽發生器液測量截面Fig.3 The cross-section of steam generator level measurement

2 原因分析

造成蒸汽發生器液位降低的因素如下:

1)壓水效應:甩負荷后，負荷的突然減小將導致蒸汽壓力上升，在上升通道中，部分蒸汽被凝結成水，使得汽泡產生的量和尺寸減小，使循環流動阻力減小，循環流量增加，從而使下降通道的水位下降。

2)汽水失配:蒸汽流量大于給水流量導致液位下降。

3)溫度影響:給水流量增大，造成蒸汽發生器水位因溫度降低短時間收縮，液位下降。

試驗期間給水溫度基本不變，下面針對壓水效應和汽水失配影響進行分析。

2.1 壓水效應的影響分析

壓水效應由蒸汽流量的快速變化導致:蒸汽流量的快速減小或增加導致蒸汽發生器內流動特性改變，正常瞬態試驗時汽機負荷的快速變化和GCT(汽輪機旁路系統)的開關都會導致蒸汽流量的變化，進而導致液位的變化;壓水效應影響液位變化量的計算非常復雜，尚沒有模型能夠仿真計算，根據多次試驗可總結如下:

1)汽機甩負荷后，壓水效應發生在蒸汽流量快速變化階段，汽機負荷快速下降時，只要GCT開啟后，其壓水效應就會減小。

2)APA泵RUNBACK試驗中蒸汽壓力變化較瞬態試驗略慢，比較各個核電廠的試驗數據發現在蒸汽壓力變化基本一致時，所用時間越短其水位最低值則最小。

3)調查此核電廠50%與100%瞬態試驗發現，同一瞬態試驗壓水效應隨著試驗平臺的降低而減小;各平臺瞬態試驗時給水充足，蒸汽發生器液位瞬時下降由壓水效應引起，最大為-0.58 m。

2.2 汽水失配的影響分析

影響汽水失配的因素有:

1)給水泵的帶載能力。調查此核電廠單臺APA泵的帶載能力為3 800～3 900 t/h;

2)APA轉速調節性能;根據76%Pn平臺APA泵RUNBACK試驗，轉速設定值升至最高所用時間為32 s，有優化空間。

3)APG(蒸汽發生器排污系統)排污流量。

試驗時APG排污將導致汽水失配增加，目前APG排污流量一般都設定在最大值70t/h。

3 改進措施

3.1 減小汽水失配的措施和影響分析:

(1)泵的給水能力

泵的給水能力由其機械和電氣性能決定，無法提高。

(2)APG排污流量

APA泵RUNBACK試驗時，將APG立即暫時隔離停運可減小汽水失配。

圖4 2號機組76%Pn APA泵甩負荷試驗APA實測轉速變化趨勢Fig.4 Variation trend of APA measured speed in load rejection test of 76%Pn APA pump of Unit2

(3)APA轉速調節性能

100%功率平臺APA泵聯啟試驗時備用泵啟動后僅需6 s即可從零升至最高轉速。因此若76%Pn平臺APA跳泵甩負荷時將另一臺泵轉速設定值直接升至最高轉速，即可迅速調高給水流量，增加的給水量如下圖藍色區域:

圖5 增加的給水量Fig.5 Increased water supply

3.2 減小壓水效應的措施

根據壓水效應形成原因可知通過降低汽機甩負荷速率能夠減小其影響，但汽機負荷下降過慢也會導致汽水失配量增加，因此兩者之間需尋求一平衡點。調查此核電廠1～4號機組汽輪機為西門子供貨，目前1～4號機組汽輪機各項調節參數都在設計范圍內且都已通過試驗驗證，已不能通過修改汽機調節特性來減小壓水效應影響。

4 液位變化理論計算

影響瞬態試驗蒸汽發生器水位的是汽水失配及壓水效應，因此評估85%Pn執行APA泵RUNBACK試驗液位就需要獲得蒸汽流量與給水流量的值，給水流量可通過76%Pn平臺下APA轉速最高值獲得，而蒸汽流量根據熱交換原理，通過一回路的熱量可計算出二回路蒸汽流量。2號機85%Pn APA泵甩負荷試驗可行性分析如下:

4.1 試驗開始50s時數據分析

(1)蒸汽流量計算

1)85%Pn時熱功率為2 462 MW，給水溫度222.5℃，焓值為956.6 kJ/kg，蒸汽溫度為282.8℃，焓值為2 778 kJ/kg。

2)50 s后熱功率至2 014 MW，給水溫度由222.5℃下降至200℃，焓值為854 kJ/kg，蒸汽溫度為285℃，焓值為2 773 kJ/kg，

以2號機76%數據進行分析，50 s時產生的熱功率總共101 333.29×103kJ，以此數據推算85%平臺執行試驗50 s后產生的熱量ΔW1-1為:

根據能量守恒的公式:

一回路產生熱量ΔW1=二回路消耗熱量ΔW2

ΔW1=堆芯熱量ΔW1-1-一回路循環水吸收熱量ΔW。

ΔW2=(飽和蒸汽平均焓值H汽-給水平均焓值H水)×3×單環蒸汽量Q汽+APG帶走熱量+蒸汽發生器內循環水吸收熱量。

試驗過程中，給水溫度200℃，給水焓值為854 kJ/kg，二次側飽和水溫度在282.8～285℃之間，飽和水焓值在1 249～1 263 kJ/kg，相差很小;同時APG流量保持70 t/h，單臺蒸汽發生器內循環水以80 t計算。

50 s后蒸汽發生器內循環水吸收熱量:

一回路循環水吸收熱量:

在此平臺下未知一回路過熱情況，將ΔW(一回路循環水吸收熱量)與76%Pn平臺近似。

ΔW=2220×103 kJ

計算單環蒸汽消耗量Q汽:

Q汽=(二回路消耗熱量/((飽和蒸汽的平均焓值H汽-給水的平均焓值

(2)給水量計算

以76%平臺給水流量趨勢計算85%平臺執行試驗后50s后的給水量:

85%PnAPA泵甩負荷試驗可行性分析綜述:蒸汽量為18.94 t，給水量約為15.466 t，單環APG消耗量0.323 t，汽水失配量ΔQ約3.797 t。

液位下降量Δh:

當85%Pn APA泵甩負荷時壓水效應會影響-0.58 m的水位，疊加汽水失配則下降至-1.041 m的水位。

1)優化轉速邏輯，85%Pn平臺蒸汽發生器液位最低值可縮減到-0.861 m。

2)試驗時立即將APG隔離，可使蒸汽發生器液位最低值可再縮減到-0.822 m。

4.2 試驗開始60 s時數據分析

同理，以2號機組76%數據進行分析:

單環APG消耗量0.389t，汽水失配量ΔQ為3.8 t，液位下降量 Δh:Δh=ΔQ/ρ/S=0.461 m

當85%Pn APA泵甩負荷時壓水效應會影響-0.58 m的水位，疊加汽水失配則下降至-1.041 m的水位。

1)優化轉速邏輯，85%Pn平臺蒸汽發生器液位最低值可縮減到-0.861 m。

2)試驗時立即將APG隔離，可使蒸汽發生器液位最低值可再縮減到-0.814 m。

4.3 試驗開始70 s時數據分析

同理，以2號機組76%數據進行分析:

給水量計算:Q水=22.3 t

單環APG消耗量0.454 t，汽水失配量ΔQ為3.7 t，

液位下降量Δh:Δh=ΔQ/ρ/S=0.449 m

當85%Pn APA泵甩負荷時壓水效應會影響-0.58 m的水位，疊加汽水失配則下降至-1.029 m的水位。

1)優化轉速邏輯，85%Pn平臺蒸汽發生器液位最低值可縮減到-0.861 m。

2)試驗時立即將APG隔離，可使蒸汽發生器液位最低值可再縮減到-0.793 m。

5 驗證

將上述方案在核電廠3號機組進行實施并通過85%Pn平臺進行驗證，APA轉速設定值在1 s內快速上升至5 254 r/min，相關參數如下表所示。

表1 此核電廠3號機組85%Pn試驗蒸汽發生器相關參數Table 1 Steam generator related parameters during the 85%Pn test of Unit3 of the nuclear power plant

85%Pn平臺試驗與理論計算非常一致，由于SG1和SG3的實際供水能力 (管道布置不同)要大于理論計算，因此SG1/SG3實際液位比理論計算略高。

6 結 論

根據此核電廠3號機組85%Pn平臺APA快速甩負荷試驗結果，執行控制邏輯優化有利于APA RUNBACK試驗時ARE蒸汽發生器水位控制調節，試驗結果與理論計算符合一致。