蒸發器水位控制

陳 亮

（中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽314300）

0 引言

蒸發器水位控制的功能是將SG水位維持在程序值上。水位過高淹沒汽水分離器時，導致流向汽輪機的蒸汽濕度過大，損壞汽輪機葉片，并且有可能造成閥門帶水操作的風險(失靈或損壞)；水位過低露出給水環管時，會引起水錘沖擊，水位低到露出傳熱管時，會引起一回路冷卻不充分，導致堆芯過熱的危險。

該功能還須由給水泵速度控制系統共同參與完成。

1 原理

SG水位控制是通過控制給水流量來實現。給水流量是通過并聯安裝的2個調節閥來完成的：在高負荷（20%FP以上）時用主給水流量調節閥（即主閥），在低負荷（20%FP以下）時用旁路給水流量調節閥（即旁閥）。見圖1。圖1中，ARE031VL是主閥，ARE242VL是旁閥。

圖1 SG給水流量控制流程圖

為了優化調節閥的運行，需要使閥門兩端的壓差近似恒定。這種恒定是通過控制主給水泵的速度，將給水母管和蒸汽母管之間的壓差維持在程序值上而實現的。該程序值是負荷的函數。如圖2所示。

圖2 蒸汽發生器水位定值與負荷的關系

2 影響因素

SG水位與給水流量、給水溫度、反應堆冷卻劑溫度和蒸汽流量有關。

SG水位的控制通過主閥和旁閥調節給水流量來實現，主給水流量是閥門開度和閥門兩端差壓的函數，而差壓又由主給水泵控制。以下分析幾個變量對SG水位的影響：

——與負荷有關的SG水裝量；

——水位對于給水流量階躍變化的響應；

——水位對于蒸汽流量階躍變化的響應；

——給水流量對于調節閥開度階躍變化的響應。

2.1 SG水裝量

因為高負荷時氣泡份額更高，所以SG的水裝量是負荷的減函數。

2.2 水位對于給水流量階躍變化的響應

在穩態運行時，給水質量流量和蒸汽質量流量是平衡的。如果給水流量階躍增加，在較長的時間內，水位將按照給水質量流量和蒸汽質量流量之差的積分增加；但在較短的時間內則可以觀察到不同的現象：因為給水溫度比再循環水溫度低，水流首先在下降通道中冷卻，然后引起管束中的蒸汽冷凝。汽水混合物的平均比容最終減少（收縮），意味著水集中在管束的底部。因此，流量在下降通道中的增大抵消了水位的增加，有時甚至引起水位下降。由于低負荷時給水溫度更低，這一現象更加明顯。圖3描述了在所有控制回路都不參與調節的情況下，SG水位對于給水流量的階躍響應曲線。

圖3 給水流量階躍變化-5%的SG水位響應曲線

2.3 水位對于蒸汽流量階躍變化的響應

如果蒸汽流量階躍增加，壓力下降使SG二次側汽水混合物膨脹，傳遞到二回路的熱量也增加，這兩種現象導致水位升高（膨脹作用）。因此水位對于蒸汽流量階躍增加的響應，在初始階段的變化和最終變化相反，由于蒸汽/給水流量失配的積分作用，最終的變化將是水位下降。如果蒸汽流量階躍減少，SG水位則在增加之前下降（收縮）。在低負荷時將更加明顯。水位響應曲線如圖4所示。

圖4 蒸汽流量階躍變化-5%的SG水位響應曲線

2.4 給水流量對于調節閥開度階躍變化的響應

與給水流量和調節閥開度有關的過程主要取決于調節閥的傳遞函數、給水泵的運行模式和給水母管/蒸汽母管壓差控制的動態特性。當兩臺給水泵都處于自動時，控制作用較快。

3 用于蒸汽發生器水位控制的測量

3.1 水位測量

跟水位相關的的4臺窄量程傳感器（ARE010MN/052MN/055MN/058MN）。這4臺窄量程水位變送器用于蒸汽發生器的保護。其中的三臺用于蒸汽發生器的水位控制。一個表決器（VOTER）用于計算三臺變送器（ARE010MN/052MN/058MN）測量值的平均值。低水位保護通道采用兩個變送器的信號（ARE055MN/058MN）。高高和低低水位保護通道采用四臺變送器的信號。

水位測量校準為0%～100%，0%對應管板二次側內表面之上11.271 m處，即略低于給水環管。水位測量的范圍為0 m～3.6 m。

3.2 蒸汽流量

蒸汽流量Qv是通過測量SG上封頭和位于限流器下游蒸汽管道兩測點之間的壓差ΔP確定的。同時，因為密度影響質量流量的測量，而密度是壓力的線性函數，所以，在蒸汽流量測量通道中需要引入壓力信號做密度補償。

3.3 給水流量

每條給水管路上都有一臺文丘里管，通過測量文丘里管嘴和上游流體之間的壓差確定給水流量。每臺文丘里管配有三臺流量變送器，它們分別有差壓變送器和開方器組成（流量測量不需要密度校正）。其中兩臺變送器用于保護，并通過一個選擇器（VOTER）選擇較低的一個信號用于蒸汽發生器水位控制。在額定功率運行時，給水流量測量的精度高于2%。第三臺變送器用于低負荷保護（ATWT系統）。

3.4 汽機負荷

汽機負荷由汽機進氣壓力來表征。

為了計算程序水位，蒸汽發生器水位控制系統使用寬量程汽機進氣壓力信號。壓力由GRE 022MP/023MP/024 MP測量后送到GCT系統的選擇器（VOTER），測量取平均值后金國函數發生器GCT 420GD修正汽機負荷與汽機進汽壓力的非線性關系后，送到ARE系統用于蒸汽發生器水位控制。

在低負荷時，由于蒸汽流量測量信號不可用，蒸汽發生器水位控制還使用窄量程汽機進汽壓力變送器GRE044MP的測量信號。

3.5 蒸汽總量

“高負荷蒸汽總量”由下述兩項之和計算得到：

——寬量程汽機進汽壓力；

——表征去冷凝器的汽機旁路蒸汽流量和去除氧器的蒸汽流量。

“低負荷蒸汽總量”由下述兩項之和計算得到：

——窄量程汽機進汽壓力；

——表征去冷凝器的汽機旁路蒸汽流量和去除氧器的蒸汽流量。

表征去冷凝器的蒸汽排放信號須由來自第一組前2個閥門的開始行程信號加以確認（由限位開關輸出）。

去除氧器的蒸汽流量信號須由ADG主調節閥的開始行程信號加以確認（由限位開關輸出）。

3.6 給水母管和蒸汽母管差壓

差壓變送器ARE001/002/003MP提供主給水泵速度控制系統所需的輸入信號。

3.7 給水溫度

每臺SG都有一支測量給水溫度的傳感器，高選單元選擇三個溫度中最高的一個用于水位控制。

4 蒸汽發生器水位控制的執行機構

4.1 調節閥

（1）每臺SG配有兩臺調節閥：

旁閥（ARE242VL/243VL/244VL），用于調節約20%的名義流量。（注意：該閥的實際容量約為25%名義流量）該閥用于啟動和低負荷水位控制，高負荷時保持全開；

（2）主 閥（ARE031VL/032VL/033VL），用 于 調 節約90%的名義流量。該閥用于高負荷水位控制（高于20%FP）。

這兩臺調節閥配合可以在任何功率水平下自動控制給水流量。

每臺主閥和旁閥的上游和下游均配有隔離閥（上游隔離閥只能就地操作；下游隔離閥可以在就地和控制室操作）。

調節閥設計成在反應堆保護系統產生快速關閉信號之后1～5 s內關閉（可調）。調節閥的流量特性是線性的，全行程時間小于20 s。

4.2 主給水泵

給水系統裝備了并行布置的三臺電動主給水泵，每臺泵提供大約50%的名義流量。

給水泵從除氧器（ADG）抽水送到高壓給水加熱器系統。最小流量管線的出口在除氧器。

在高負荷時（約50%FP），兩臺給水泵正常運行，第三臺給水泵備用。

調節給水泵速度以維持主給水調節閥兩端壓降盡可能的為常數。

5 蒸汽發生器水位控制原理

蒸發器水位控制原理圖見圖5。

圖5 蒸汽發生器水位調節原理圖

每臺SG有一個水位控制回路，水位控制回路包括：

——PID水位調節器，濾波后的蒸汽流量信號減去調節器輸出，得到給水流量需求信號；

——流量調節器，它利用給水流量需求信號和給水流量測量信號，調整主閥的開度；

——旁閥控制通道（低負荷控制），主閥和旁閥的切換系統也包括在此；

——與反應堆緊急停堆有關的邏輯；

——“跟蹤”系統。

5.1 SG水位控制回路

（1）SG程序水位

SG水位整定值是負荷的函數，所選的負荷信號必須能代表SG總的輸出。故選取寬量程汽機壓力信號與到冷凝器（GCT）的蒸汽流量與到除氧器（ADG）的蒸汽流量的總和作為SG的總的輸出。

對于0%FP-20%FP，水位從窄量程水位34%線性增加到50%，在20%FP以上，恒定在50%。即如圖2所示。

（2）水位調節器

由2個模塊組成，一個比例積分（PI）模塊和一個與之串聯的微分（D）模塊。由于工藝過程本身為積分作用，所以PI環節中的積分作用不應太強。

在低負荷時控制系統的穩定性較差，所以控制系統的增益是負荷的增函數，如圖6所示，用一個隨給水溫度升高而增加的系數乘以水位誤差信號實現這一要求。

圖6 變增益環節

所用的給水溫度是三個溫度信號（每臺SG一個）的高選值。由此可見，即使一臺蒸汽發生器被隔離，對于所有三臺蒸汽發生器，其乘數也是一樣的，而且信號是有效的。

5.2 給水流量控制

（1）高負荷下的給水流量控制

濾波后的蒸汽流量信號減去水位調節器的輸出信號，得到給水流量需求信號。同時配備手動/自動操作站，允許運行人員手動控制主閥。

（2）低負荷下的給水流量控制

因為在低負荷時利用手動控制水位十分困難，所以控制系統必須從0%FP-100%FP都能自動控制。

低負荷控制是根據水位調節器的輸出控制旁閥，該調節閥安裝在與主閥并聯的旁路給水管上。低負荷控制時不再有給水流量的閉環控制，水位調節器的輸出信號轉換為閥門的開度信號。在高負荷運行時保持旁閥全開。

因為“高負荷蒸汽總量”此時不再可用，所以此處選用“低負荷蒸汽總量”信號，該信號是以下兩項之和：

——窄量程汽機進汽壓力；

——蒸汽向冷凝器（GCT）的排放和去除氧器的蒸汽（ADG）。

低負荷控制回路配有手動/自動操作站，允許運行人員手動控制旁閥。

（3）低負荷/高負荷切換

當“低負荷蒸汽總量”低于整定值時，一個負偏置加到流量調節器上，從而關閉主閥，此偏置可調（目前定為8.5%FP）。一旦主閥關閉，水位控制由旁路流量調節器完成。引入偏置的作用是為了避免兩個調節閥同時工作。

當“低負荷蒸汽總量”高于整定值時，偏置逐步地消失，主閥重新投入，此時旁閥全開。

6 S G水位控制的建議

6.1 將蒸汽發生器水位看作一/二回路熱工水力狀態的反映

不要把蒸汽發生器水位看作孤立的現象，一回路功率、蒸汽負荷變化、給水系統狀態變化等都要影響蒸汽發生器水位。因此，在汽機沖轉等一/二回路大的操作或瞬態之前要保證蒸汽發生器水位穩定。如果蒸汽發生器水位異常，要及時穩定一/二回路，判斷當時的水位變化是瞬態過程還是水裝量的真正變化，根據一/二回路的情況做總體分析。

6.2 正確判斷手動干預時機

何時采用手動干預？是否水位一出現異常就要手動干預？最好在此之前有個基本的判斷，確認自動調節是否有效。例如當蒸汽發生器水位下降時，要觀察是否給水流量大于或將大于蒸汽流量或低負荷下寬量程是否上升，如果是這樣的，根據蒸汽發生器的熱工特性，窄量程水位會在瞬態之后上升，而這個瞬態長短則取決于當時的功率水平。否則，表明自動調節回路無法調節，必須及時手動干預。

6.3 掌握好干預的方式

根據前面分析的調節系統的特點，在手動干預時一定要將主調節閥/旁路調節閥同時放手動，干預后切回自動時先將主調節閥置自動，然后才置旁路調節閥自動。最好不要將給水泵轉速放手動，如果確實需要，在調節其轉速時要緩慢，觀察汽水壓差、給水流量的變化。在調節一臺蒸汽發生器水位時，要同時關注另外兩臺的走勢，尤其是在給水泵轉速調節手動的情況下更為重要。

6.4 控制干預的幅度

干預的幅度一定要加以控制，過猶不及，避免看到水位異常就把給水閥開很大或關很小的做法。如果在水位下降時給水很大，超出蒸汽流量很多，則會由于冷水效應加速窄量程水位的下降，而且還可能導致給水母管壓力波動，影響另外兩臺蒸汽發生器的給水。干預時最好使給水流量超過蒸汽流量幾十噸或在低負荷時寬量程水位略有上升，這樣可以保證冷水效應的影響較小，同時避免對另外兩臺蒸汽發生器水位的影響。