三門1#機(jī)組硼酸配比回路優(yōu)化

田繼棟

（三門核電有限公司，浙江臺州 317112）

0 引言

三門1#機(jī)組采用非能動三代壓水堆技術(shù)，相比二代壓水堆，系統(tǒng)、設(shè)備數(shù)量明顯減少。與二代壓水堆比較，三門1#機(jī)組的硼酸配比回路簡化明顯，取消了容控箱等設(shè)備，使用三通閥將硼酸和除鹽水混合配出目標(biāo)硼濃度的硼酸溶液。實(shí)際運(yùn)行中經(jīng)常出現(xiàn)硼酸偏差報(bào)警，即配出的硼酸溶液濃度偏離目標(biāo)硼濃度超過87.5×10-6。通過分析硼酸偏差報(bào)警產(chǎn)生的原因，在保留原設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上對硼酸配比回路進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化，消除硼偏差報(bào)警。

1 三門1#機(jī)組硼酸配比回路原設(shè)計(jì)

三門1#機(jī)組硼酸配比回路主要由三通閥、除鹽水減壓閥、硼酸流量表、除鹽水流量表等溝通（圖1）。通過該回路配制濃度自0～4500×10-6的硼酸溶液，滿足一回路、非能動系統(tǒng)、乏池等系統(tǒng)、設(shè)備的需求。

硼酸儲存箱位于地面層，箱內(nèi)儲存有4375×10-6（2.5%）的濃硼酸，靠重力提供硼酸驅(qū)動力，將硼酸補(bǔ)至三通閥的入口；除鹽水母管壓力約為0.8 MPa（g），通過除鹽水減壓閥降低至0.11～0.12 MPa（g），將除鹽水補(bǔ)至三通閥入口。硼酸和除鹽水在三通閥內(nèi)混合成一定濃度的硼酸溶液，通過補(bǔ)水泵補(bǔ)至一回路、乏池和非能動系統(tǒng)等處。

圖1 硼酸配比回路原設(shè)計(jì)

2 硼酸偏差報(bào)警及其原因

根據(jù)設(shè)計(jì)，三通閥連接的硼酸管線壓力由硼酸儲存箱液位重力提供，除鹽水管線經(jīng)過減壓閥減壓后壓力與硼酸管線壓力大致相同，因此調(diào)節(jié)三通閥開向硼酸和除鹽水的開度，即可獲取目標(biāo)濃度的硼酸溶液。

因?yàn)槟繕?biāo)硼濃度=（硼酸流量×硼酸儲存箱硼濃度）/（硼酸流量+除鹽水流量），所以目標(biāo)硼濃度/硼酸儲存箱硼濃度=硼酸流量/（硼酸流量+除鹽水流量）。這樣，SP=目標(biāo)硼濃度/硼酸儲存箱硼濃度，目標(biāo)硼濃度確定后，SP 值是固定的；PV=硼酸流量/（硼酸流量+除鹽水流量），補(bǔ)水總流量（即“硼酸流量+除鹽水流量”）確定后，PV隨著硼酸流量變化；目標(biāo)硼濃度和補(bǔ)水總流量確定后，控制系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)三通閥開度，調(diào)節(jié)硼酸流量，使PV等于SP，即可配制出目標(biāo)硼濃度的硼酸溶液。

為了防止配出的硼酸濃度偏離目標(biāo)硼濃度，控制系統(tǒng)設(shè)置了硼偏差保護(hù)：當(dāng)PV-SP＞0.02 持續(xù)1 min，會產(chǎn)生硼偏差報(bào)警，硼偏差報(bào)警持續(xù)1 min，補(bǔ)水自動停止。理論上，控制系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)硼酸流量使PV等于SP。但實(shí)際運(yùn)行發(fā)現(xiàn)，PV值圍繞SP 波動，（PV-SP）經(jīng)常超過0.02（圖2）。

經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，造成PV值頻繁波動的原因主要有3 個。

（1）根據(jù)原設(shè)計(jì)，補(bǔ)水期間，除鹽水減壓閥后壓力穩(wěn)定，調(diào)節(jié)三通閥即可獲得穩(wěn)定的除鹽水流量和硼酸流量。實(shí)際運(yùn)行發(fā)現(xiàn)，除鹽水減壓閥后壓力無法達(dá)到要求的穩(wěn)定程度，除鹽水流量變化，減壓閥后壓力隨之變化；尤其當(dāng)除鹽水母管壓力波動時，減壓閥后壓力波動更加劇烈，因此除鹽水流量和硼酸流量波動較大，PV-SP 經(jīng)常大于0.02，產(chǎn)生硼偏差報(bào)警。

（2）除鹽水減壓閥定值根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范是固定的，運(yùn)行一段時間后發(fā)現(xiàn)除鹽水減壓閥定值自動偏離了原設(shè)定值，由于減壓閥定值的偏離導(dǎo)致系統(tǒng)的固有特性發(fā)生變化，補(bǔ)水期間三通閥的開度、除鹽水減壓閥后壓力等參數(shù)亦隨之變化。

圖2 硼酸配比參數(shù)趨勢

（3）硼酸儲存箱液位變化時，硼酸管線壓力隨之變化，與原設(shè)計(jì)中硼酸管線壓力與除鹽水減壓閥后壓力大致相同的理念相左，系統(tǒng)的固有特性也隨之改變。

3 設(shè)計(jì)優(yōu)化

原有硼酸配比回路設(shè)計(jì)對設(shè)備特別是除鹽水減壓閥和三通閥的要求較高，當(dāng)前工業(yè)水平滿足不了該設(shè)計(jì)需求。而且該設(shè)計(jì)對控制系統(tǒng)算法提出了很高的要求，需要響應(yīng)速度和系統(tǒng)穩(wěn)定性有很好的平衡，否則容易因系統(tǒng)震蕩導(dǎo)致補(bǔ)水操作停止。為了解決硼酸配比回路存在的諸多問題，提出了如下解決方案。

（1）取消除鹽水減壓閥，以除鹽水流量控制閥代替，根據(jù)目標(biāo)硼濃度和補(bǔ)水總流量即可計(jì)算出所需要的除鹽水流量，除鹽水流量表控制除鹽水流量控制閥以獲取目標(biāo)除鹽水流量；

（2）在硼酸管線上增加硼酸流量控制閥，根據(jù)目標(biāo)硼濃度和補(bǔ)水總流量即可計(jì)算出所需要的硼酸流量，硼酸流量表控制硼酸流量控制閥以獲取目標(biāo)硼酸流量；

（3）取消三通閥，以管道混合器代替，硼酸和除鹽水在管道混合器中混合獲得均勻硼濃度的硼酸溶液（圖3）。

相比于原設(shè)計(jì)，通過流量控制的優(yōu)點(diǎn)主要有3 個。

（1）參數(shù)容易控制。原設(shè)計(jì)中，需要保證除鹽水減壓閥后壓力恒定、硼酸儲存箱液位恒定，通過調(diào)節(jié)三通閥獲得目標(biāo)硼濃度。實(shí)際運(yùn)行發(fā)現(xiàn)：受工業(yè)水平限制，除鹽水減壓閥后壓力難以保持恒定；而且隨著硼酸消耗，硼酸儲存箱液位會下降，如果維持硼酸儲存箱液位盡量恒定，需要經(jīng)常向硼酸儲存箱補(bǔ)充硼酸。

（2）控制變量單一。補(bǔ)水總流量、目標(biāo)硼濃度已知的情況下，所需硼酸流量和除鹽水流量可計(jì)算得出，硼酸流量由硼酸流量控制閥調(diào)節(jié)，除鹽水流量由除鹽水流量控制閥調(diào)節(jié)，除鹽水和硼酸相互不干涉。

（3）參數(shù)波動影響小。除鹽水壓力和硼酸儲存箱液位波動時，控制閥自動調(diào)節(jié)硼酸和除鹽水流量，可保證硼酸和除鹽水流量恒定。

4 結(jié)束語

一回路硼濃度與反應(yīng)堆反應(yīng)性控制密切相關(guān)，如果硼酸配比回路無法獲取穩(wěn)定和準(zhǔn)確濃度的硼酸溶液，則反應(yīng)堆反應(yīng)性將與反應(yīng)性計(jì)劃偏離，造成一回路平均溫度、反應(yīng)堆功率等參數(shù)波動，影響反應(yīng)堆安全和核電機(jī)組的穩(wěn)定。

圖3 優(yōu)化后的硼酸配比回路設(shè)計(jì)

三門1#機(jī)組的硼酸配比回路設(shè)計(jì)具有超前的設(shè)計(jì)理念，但現(xiàn)有工業(yè)水平無法滿足該理念的要求，造成硼酸配比回路經(jīng)常出現(xiàn)報(bào)警。本研究提供的優(yōu)化方式，既保留了原有硼酸配比回路的優(yōu)秀設(shè)計(jì)，又降低了系統(tǒng)控制的難度，可以有效解決硼酸配比回路報(bào)警的問題。