基于自動修正的蒸汽發生器水位測量技術研究

吳茜 徐濤 朱加良 何鵬 陳學坤 陳靜

【摘 要】蒸汽發生器是反應堆一、二回路的換熱設備，為了維持反應堆的安全運行，必須對蒸汽發生器的水位進行準確測量，其水位波動會引起蒸發器水位低觸發反應堆停堆保護，同時影響蒸發器水位控制性能。傳統的蒸汽發生器水位測量是采用差壓表在額定工況下校準，利用差壓原理進行測量的方法，該方法的局限在于水位測量參數只適用于特定工況，在其他工況下需以人工查表的形式進行修正。本文結合差壓表測量蒸發器水位的原理，提出了一種在DCS中自動修正，準確得出不同工況下水位的測量方法。

【關鍵詞】蒸汽發生器;水位測量;自動修正

中圖分類號： TU995.3 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）12-0004-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.12.002

【Abstract】The Steam Generator is the heat exchanger between the first and second loop in reactor. To keep the reactors safe operation， it must measure the level of Steam Generator accurately. The level variation will lead to reactor trip and will influence the control of SGs level. In traditional measurement， it use the differential pressure transmitter to measure the level which calibrated in normal condition. The limit of this method is the parameter just apply to the specific condition. In other condition， it should measured by checking table artificially. In this essay， we provide one new measurement method according to the principle of differential pressure. The method could make self-correction in DCS， and could measure level in different condition.

【Key words】Steam Generator; Level measurement; Self-correction

蒸汽發生器是反應堆一、二回路的樞紐，它將反應堆產生的熱量傳遞給蒸汽發生器二次側，產生蒸汽推動汽輪機做功。同時，蒸汽發生器又是分隔一、二次側介質的屏障，它對于核電廠的安全運行十分重要。

蒸汽發生器中的循環回路由下降通道、上升通道和連接它們的套筒缺口及汽水分離器等組成。下降通道是套筒和蒸汽發生器筒體之間的環腔;上升通道是套筒內側和傳熱管束之間的通道。在循環回路中下降通道內流動的是單相的冷水，上升通道內流動的是溫度較高的汽水混合的熱水，形成兩股溫度和密度都不相同的水柱[1]。

蒸汽發生器的水位，是指在蒸汽發生器筒體和管束外套筒之間的環形部分中測得的水位，也就是冷柱的水位。核電廠正常運行時，蒸汽發生器必須保持正常的水位，若水位過低，蒸汽發生器二次側水量過少，會引起一回路冷卻不充分，管束因溫度升高有可能破裂。同時，會使蒸汽進入給水環，從而在給水管道中有產生汽錘的危險，蒸汽發生器的管板還將受到熱沖擊;若水位過高，將導致流向汽輪機的蒸汽濕度過大[1-2]。

由于蒸汽發生器本身內部結構復雜，影響蒸汽發生器液位的參數很多，同時，隨著電站的運行工況不同，與蒸汽發生器液位相關的各種參數也在發生變化，蒸汽發生器液位測量具有很強的時變性[2]。為了更好地研究適用于壓水堆核電廠的蒸汽發生器水位測量技術，本文分析了傳統測量方法的不足之處，提出了一種基于自動修正的蒸汽發生器水位測量技術，該方法能夠提高測量準確度和實時性，更好地適用于三代核電機組。

1 傳統測量方法

傳統測量方法中，采用差壓變送器進行水位測量，即將差壓變送器的輸出在額定工況下進行標定，其他工況下的水位需要操作員通過預先計算得到的水位對應關系求得。以蒸發器寬量程水位測量為例，其測量原理如圖1所示。

差壓變送器測量得到上下取壓口的差壓值（LP為低壓側，HP為高壓側），同時根據理論計算公式得到蒸發器零水位和滿水位下的壓差對應關系：

其中：

實際運行中，差壓變送器在熱態0%功率（15.5MPa，344℃），儀表管溫度40℃的工況下標定，測量范圍為-12.78m～3.13m。在偏離此工況后，差壓變送器的輸出值并不能真實反映實際水位，需要采用人為修正的方式進行計算。即在不同功率平臺下（20%FP，40%FP，60%FP，80%FP，100%FP），利用公式計算得到零點和滿點的差壓值，與標定工況下的差壓值對比找出修正系數。操作員根據修正系數的對應關系就可以得出對應工況下的實際水位值，修正系數的對應關系如圖2所示。

從上述方法中可以看出，測量儀表只能準確得出特定工況下的水位值，對于其他工況下的水位值必須依據修正系數人為進行計算得出。此外實際運行中只針對幾個典型的工況給出了修正系數，并沒有覆蓋全部工況。

2 自動修正測量方法

為了解決傳統測量方法的不足，在目前核電廠全面使用數字化平臺的前提下，本文提出了一種基于自動修正的測量方法。該方法的核心在于將影響測量值的各項因素進行梳理，利用DCS的數字處理能力，將各項影響因素在DCS中一一進行修正計算，從而準確得出最終的水位值。

根據差壓法水位測量原理，蒸發器水位計算公式如下所示：

式中：H為實際水位;

ΔP為測量得到的壓差。

從上述關系式中可以看出，ΔP可由差壓表直接測量得到，dr，C，g均為常數量，變化參量為下降流溫度TD和密度ρD，儀表管水的密度ρr，蒸汽密度ρv。

為得到上述變化參量，需引入主蒸汽壓力和儀表管溫度測量參量，同時根據水和水蒸氣熱力性質國際標準IAPWS-IF97給出的計算公式進行擬合求解，該過程在DCS中進行修正計算，計算流程如圖3所示。

其中：

從上述自動修正測量方法中可以看出，該方法將復雜的影響因素通過修正公式的形式引入DCS計算模型中，通過自動計算可實時得出不同工況下的水和水蒸氣狀態特性，從而求得水位測量值，減少了人為查表的過程，提高了自動化程度。

3 對比分析

對比上述兩種測量方法，可以看出基于自動修正的水位測量技術明顯優于傳統的測量技 術，主要表現在以下兩個方面：

提高了測量精度

自動修正方法中引入了儀表管溫度測量參數，通過DCS自動進行儀表管內水的密度計算，假設儀表管內水溫變化30℃，對水位測量的影響為1.2%。因此，通過實時監測儀表管水溫，將該參量引入水位測量計算中，可提高蒸發器水位測量精度。儀表管溫度對水位測量的影響如圖4所示。

實現了輸出顯示的實時性和全面性

采用數字化的測量方法，其計算和修正過程在DCS平臺中完成，不需人工干預，能夠實時得到水位測量值。同時消除了傳統方法中針對典型工況的對應計算，能夠滿足全工況的測量要求。

4 結束語

蒸發器水位測量對于核電廠的安全可靠運行至關重要，為準確測量該參數，本文提出了基于自動修正的新型水位測量方法，該方法可以對不同測量工況下的蒸汽發生器中水、水蒸氣、儀表管水的密度等參數實時計算，使測量系統可以確保在任何工況下都可以直接測量到實際水位，提高了測量的精度，減輕了運行人員負擔。

【參考文獻】

[1]朱繼洲主編.壓水堆核電廠的運行[M].北京：原子能出版社，2008.

[2]董子龍.基于PID和H_∞控制方法的蒸汽發生器水位控制[D].哈爾濱工程大學，2011.

[3]鄧天勇.蒸汽發生器電接點水位測量技術研究，船電技術[J].2005.

[4]何正熙等.基于數字化技術的反應堆測量系統修正方法研究，核動力工程[J].2014.