王建保，陳增興

（大亞灣核電運(yùn)營管理有限責(zé)任公司生產(chǎn)準(zhǔn)備部，廣東 深圳518124）

在嶺澳核電站二期1號汽輪發(fā)電機(jī)組（L3）汽－水分離再熱器系統(tǒng)（GSS）調(diào)試運(yùn)行過程中，由于存在導(dǎo)波雷達(dá)液位計質(zhì)量、疏水管道布置及疏水調(diào)節(jié)設(shè)計等缺陷，導(dǎo)致發(fā)生多次抽汽再熱器（汽－水分離再熱器第一級）、新蒸汽再熱器（汽－水分離再熱器第二級）隔離，甚至發(fā)生機(jī)組跳閘事件，對機(jī)組的運(yùn)行造成了很大的影響。本文通過對L3GSS系統(tǒng)存在的這些缺陷進(jìn)行根本原因分析，指出了系統(tǒng)運(yùn)行存在的風(fēng)險，同時提出了有效的處理措施。

1 系統(tǒng)功能及流程

1.1 GSS系統(tǒng)功能

圖1 L3GSS系統(tǒng)疏水流程簡圖Fig.1 Flow chart of the L3GSS system drainage

核電汽輪機(jī)的新蒸汽為濕飽和蒸汽（約0.2%～0.4%的水分），蒸汽在高壓缸膨脹做功后排汽濕度高達(dá)14.3%。如果此蒸汽被直接送往中壓缸及低壓缸，將會產(chǎn)生汽蝕和水錘，從而大大縮短機(jī)組的使用壽命。為避免出現(xiàn)這種情況，設(shè)計了GSS系統(tǒng)。高壓缸的蒸汽作完功后，被送入到汽－水分離再熱器（MSR）；濕蒸汽在MSR中進(jìn)行汽－水分離和再熱，使進(jìn)入中壓缸的蒸汽為過熱蒸汽，減低了對汽輪機(jī)葉片的沖蝕。由于中壓缸入口溫度的提高，增大了蒸汽的做功焓降，提高了機(jī)組的熱效率。同時，GSS系統(tǒng)還起到了合理分配中壓缸負(fù)荷、減輕高壓缸負(fù)載的作用。

1.2 GSS系統(tǒng)主要設(shè)備及疏水設(shè)計簡介

汽－水分離再熱器主要由汽－水分離裝置、抽汽再熱器、新蒸汽再熱器組成。圖1為L3GSS系統(tǒng)的疏水流程簡圖，其中所有設(shè)備均為GSS系統(tǒng)的設(shè)備，主要連接的系統(tǒng)有：主蒸汽系統(tǒng)（VVP）、高壓給水加熱器系統(tǒng)（AHP）、凝結(jié)水抽取系統(tǒng)（CEX）和給水除氧器系統(tǒng)（ADG）。

MSR預(yù)分離器疏水、汽－水分離器疏水及高壓缸排汽管道疏水通過重力被排入L3GSS A列／B列 MSR 疏水箱（L3GSS103／203BA）；抽汽再熱器由汽輪機(jī)組第7級抽汽（即高壓缸4級后抽汽，同時為7號高壓加熱器提供加熱蒸汽）供給加熱蒸汽，凝結(jié)水通過重力被排入L3GSS A列／B列 MSR第1級疏水箱（L3GSS101／201BA）；新蒸汽再熱器由新蒸汽（VVP系統(tǒng)蒸汽）供給加熱蒸汽，凝結(jié)水通過重力被排入L3GSS A列／B列MSR第2級疏水箱（L3GSS102／202BA）。

L3GSS101／201BA正常疏水通過調(diào)節(jié)閥控制排入6號高壓加熱器，事故時通過應(yīng)急疏水調(diào)節(jié)閥排入凝汽器；L3GSS102／202BA正常疏水通過調(diào)節(jié)閥控制排入7號高壓加熱器，事故時通過應(yīng)急疏水調(diào)節(jié)閥排入凝汽器；L3GSS103／203BA正常疏水通過L3GSS103／203BA 疏水泵（L3GSS190／290PO）排入除氧器，事故時通過應(yīng)急疏水調(diào)節(jié)閥排入凝汽器。

L3GSS系統(tǒng)共有6個疏水箱，每個疏水箱頂部設(shè)計安裝3個導(dǎo)波雷達(dá)液位計測量液位，通過3取2選擇器輸出液位信號，對疏水調(diào)節(jié)閥進(jìn)行控制，同時也可以觸發(fā)保護(hù)信號動作。L3GSS系統(tǒng)正常疏水調(diào)節(jié)閥（L3GSS161／261VL、171／271VL、196／296VL）為比例積分（P）調(diào)節(jié)，其特點為調(diào)節(jié)精確，但響應(yīng)速度慢；應(yīng)急疏水調(diào)節(jié)閥（L3GSS165／265VL／175VL／275VL／180VL／280VL）為比例（P）調(diào)節(jié)，其特點為響應(yīng)速度快，但調(diào)節(jié)波動較大。這種設(shè)計可以保證系統(tǒng)正常疏水時液位調(diào)節(jié)準(zhǔn)確、穩(wěn)定，而當(dāng)水箱液位上升時，應(yīng)急疏水調(diào)節(jié)閥可以快速響應(yīng)。

L3GSS系統(tǒng)疏水箱液位保護(hù)信號如下：

（1）L3GSS101BA 液 位 高 高 或 者L3GSS102BA液位高高——抽汽再熱器隔離。

（2）L3GSS102BA 液 位 高 高 或 者L3GSS202BA液位高高——新蒸汽再熱器隔離。

（3）L3GSS103BA 液 位 高 高 或 者L3GSS203BA液位高高——汽輪機(jī)跳閘。

（4）抽汽再熱器隔離時L3GSS102BA液位高或者L3GSS202BA液位高——汽輪機(jī)組甩負(fù)荷至10%最大連續(xù)額定功率（MCR）；新蒸汽再熱器隔離時L3GSS101BA液位高或者L3GSS201BA液位高——汽輪機(jī)組甩負(fù)荷至10%MCR。

各疏水箱液位定值如表1所示。

表1 L3GSS系統(tǒng)疏水箱液位定值Table1 Set value of the L3GSS system drain tank level mm

2 缺陷分析

2.1 導(dǎo)波雷達(dá)液位計質(zhì)量缺陷分析

（1）測量原理

導(dǎo)波雷達(dá)液位計的導(dǎo)波雷達(dá)探測器發(fā)出的高頻微波脈沖沿著測量組件（鋼纜或者鋼棒）傳播，遇到被測介質(zhì)時，由于介電常數(shù)突變，部分脈沖能量被反射回來。發(fā)射脈沖與反射脈沖的時間間隔與被測介質(zhì)的距離成正比。導(dǎo)波雷達(dá)探測器測量的時間間隔通過模擬計算，同時被轉(zhuǎn)換為4～20mA的電流信號輸出，對應(yīng)疏水箱的真實液位。

（2）質(zhì)量缺陷分析

L3GSS系統(tǒng)共有18個導(dǎo)波雷達(dá)液位計。在液位計靜態(tài)調(diào)校時，該液位計測量準(zhǔn)確；當(dāng)機(jī)組帶負(fù)荷運(yùn)行時，大部分液位計的測量值都存在尖峰甚至滿量程虛假信號。經(jīng)過多次調(diào)試后，液位計液位測量的性能有所改善，但是部分液位計在測量時仍然存在閃發(fā)尖峰信號的情況（尤其在機(jī)組狀態(tài)變化時），該故障無法完全消除。根據(jù)大亞灣核電站導(dǎo)波雷達(dá)液位計（其型號與L3GSS系統(tǒng)應(yīng)用的導(dǎo)波雷達(dá)液位計型號不同）實際應(yīng)用情況的反饋，并未出現(xiàn)這種問題。因此可以判定目前L3GSS系統(tǒng)采購的導(dǎo)波雷達(dá)液位計存在質(zhì)量缺陷，在線測量時性能不穩(wěn)定。

L3GSS系統(tǒng)設(shè)計為導(dǎo)波雷達(dá)液位計集合了調(diào)節(jié)及保護(hù)功能：疏水箱的測量液位通過3取2選擇器輸出液位模擬信號提供正常疏水調(diào)節(jié)閥及應(yīng)急疏水調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)信號，同時這些液位模擬信號被閾值探測器轉(zhuǎn)換為低水位、高水位、高高水位的邏輯保護(hù)信號。如果液位計測量性能不穩(wěn)定，將直接影響系統(tǒng)疏水的調(diào)節(jié)、保護(hù)及機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。在機(jī)組運(yùn)行過程中，液位計測量值閃發(fā)尖峰虛假信號將干擾疏水調(diào)節(jié)閥的正常調(diào)節(jié)功能，如果同一疏水箱的2個以上的導(dǎo)波雷達(dá)液位計同時閃發(fā)尖峰虛假信號，就容易觸發(fā)保護(hù)信號誤動作而造成MSR單級隔離，甚至機(jī)組甩負(fù)荷、跳閘。

2.2 L3GSS系統(tǒng)疏水管道布置缺陷分析

L3GSS系統(tǒng)導(dǎo)波雷達(dá)液位計設(shè)計安裝方式為頂置安裝，如圖2所示。頂置安裝式導(dǎo)波雷達(dá)液位計直接測量疏水箱的液位，測量值更加真實準(zhǔn)確，而且較側(cè)式安裝更加簡便。但由于導(dǎo)波雷達(dá)液位計測量桿較長，要求其安裝位置正上方有較大的安裝空間。而L3GSS系統(tǒng)疏水管道的布置在設(shè)計時未充分考慮頂置安裝式導(dǎo)波雷達(dá)液位計的安裝要求，部分位于液位計正上方的疏水管道布置時未預(yù)留出足夠的安裝空間，導(dǎo)致4個導(dǎo)波雷達(dá)液位計無法安裝在疏水箱頂部：L3GSS103MN（L3GSS101BA液位計）、L3GSS111MN（L3GSS102BA 液位計）、L3GSS212／213MN（L3GSS202BA 液 位 計 ）?？紤]到疏水管道坡度及應(yīng)力設(shè)計較為復(fù)雜，且現(xiàn)場管道布置比較密，不適于修改疏水管道走向，因此這4個液位計采用側(cè)式安裝，通過連通管安裝在浮筒里。對于側(cè)式安裝的液位計，其測量原理即連通器原理：浮筒中的水柱與疏水箱的水柱在連通管處有相同的靜壓力，從而可以用浮筒中水柱的高度間接反映疏水箱的液位（圖3）[1］，即：

圖2 頂置安裝Fig.2 Level transmitter installed on the top

式中，H為疏水箱的真實液位；H′為浮筒的液位；ρ1為飽和疏水的密度；ρ2為飽和蒸汽的密度；ρ3為浮筒里水的平均密度。

圖3 連通器式液位計原理圖Fig.3 Theoretical diagram of the connector level transmitter

由于ρ3總是大于ρ1，因此側(cè)裝式液位計的測量液位總是低于疏水箱的真實液位。對于L3GSS101／102／202BA，由于液位計的安裝方式不同，導(dǎo)致同一疏水箱上不同液位計的測量總是存在偏差。尤其是在系統(tǒng)瞬態(tài)工況時，浮筒中的液位測量滯后于疏水箱水位，疏水液位偏差將加大。同時耦合L3GSS系統(tǒng)導(dǎo)波雷達(dá)液位計質(zhì)量缺陷引起的測量性能不穩(wěn)定的問題，導(dǎo)致這幾個疏水箱的液位計測量偏差容易超過3取2選擇器的默認(rèn)最大偏差（Delta值，設(shè)計值為液位計總量程的1%）。當(dāng)同一疏水箱的3個液位計兩兩偏差值大于限值時，3取2選擇器失效，同時輸出“失效”信號。此時，該疏水箱的疏水調(diào)節(jié)閥失去調(diào)節(jié)信號（疏水調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)為手動位），系統(tǒng)也失去液位保護(hù)信號。在L3機(jī)組沖轉(zhuǎn)并網(wǎng)及升負(fù)荷過程中，曾多次發(fā)生由于同一疏水箱的3個液位計的測量值兩兩偏差大于限值導(dǎo)致3取2選擇器失效的情況。此時，系統(tǒng)疏水調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)為手動位，失去自動調(diào)節(jié)。即使3取2選擇器恢復(fù)正常之后，疏水調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)器仍然保持手動位，無法回復(fù)自動控制。而L3機(jī)組主控室操縱員未及時手動打開應(yīng)急疏水調(diào)節(jié)閥，最終疏水液位持續(xù)上升，MSR相應(yīng)加熱器被隔離。

該疏水管道布置缺陷已經(jīng)反饋到其他核電項目進(jìn)行設(shè)計改進(jìn)。

2.3 L3GSS103／203BA疏水調(diào)節(jié)設(shè)計缺陷

2010年8月2日，進(jìn)行L3機(jī)組50%負(fù)荷平臺下甩負(fù)荷至空載試驗。20∶31，斷開L3GSY001JA，機(jī)組處于空載運(yùn)行狀態(tài)。20∶33，L3GSS103BA液位高高導(dǎo)致機(jī)組跳閘。期間疏水調(diào)節(jié)曲線如圖4所示（曲線采集于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)DCS）。

圖4 L3GSS103BA液位高高導(dǎo)致汽輪機(jī)跳閘疏水調(diào)節(jié)曲線Fig.4 The L3GSS103BA level regulation curve when the steam turbine trips

L3GEX402MW為L3機(jī)組的負(fù)荷，L3GSS126MY為3取2選擇器輸出液位信號，L3GSS196VL為疏水泵出口調(diào)節(jié)閥，即L3GSS103BA正常疏水調(diào)節(jié)閥，L3GSS180VL為L3GSS103BA應(yīng)急疏水調(diào)節(jié)閥。如圖4所示，當(dāng)機(jī)組甩負(fù)荷至空載運(yùn)行之后，L3GSS126MY開始從正常疏水調(diào)節(jié)液位值（700mm）升高，L3GSS196VL／180VL開始參與液位調(diào)節(jié)。約20s之后，L3GSS196VL開度增加1倍，L3GSS180VL達(dá)到全開，但是疏水箱液位L3GSS126MY繼續(xù)升高至1 700mm，保護(hù)信號動作，造成機(jī)組跳閘。查詢期間L3GSS203BA液位變化曲線與此相似。

L3GSS103／203BA疏水來自于高壓缸排汽管道疏水、MSR預(yù)分離器疏水及汽－水分離器的疏水，其正常疏水管線與應(yīng)急疏水管線設(shè)計疏水能力均可獨(dú)自承受機(jī)組100%負(fù)荷時的最大疏水量。當(dāng)機(jī)組從50%負(fù)荷平臺甩負(fù)荷至空載運(yùn)行時，高壓缸的排汽量遠(yuǎn)低于機(jī)組帶載運(yùn)行的排汽量，因此此時L3GSS103／203BA的疏水量遠(yuǎn)小于最大設(shè)計水平。造成L3GSS103／203BA液位不斷上升從而導(dǎo)致機(jī)組跳閘的根本原因在于其疏水調(diào)節(jié)設(shè)計存在缺陷：L3GSS系統(tǒng)采用頂置安裝式導(dǎo)波雷達(dá)液位計直接測量疏水箱的液位，測量值更加真實準(zhǔn)確；同時，正常疏水調(diào)節(jié)閥L3GSS196／296VL設(shè)定目標(biāo)液位為700mm，應(yīng)急疏水調(diào)節(jié)閥L3GSS180／280VL設(shè)定目標(biāo)液位為1 100mm，全開液位為1 500mm。當(dāng)機(jī)組出現(xiàn)負(fù)荷下降的瞬態(tài)工況時（如50%負(fù)荷平臺下甩負(fù)荷至空載），高壓缸排汽壓力迅速下降，導(dǎo)致L3GSS103／203BA壓力迅速下降，與此同時，疏水箱內(nèi)的存水溫度幾乎沒有變化，于是疏水箱內(nèi)的大量存水（設(shè)計值為700mm）將整體產(chǎn)生閃蒸現(xiàn)象，存水內(nèi)部迅速產(chǎn)生大量汽泡導(dǎo)致疏水箱液位迅速提升。即當(dāng)機(jī)組遇到較大的瞬態(tài)工況時，由于閃蒸現(xiàn)象，L3GSS103／203BA疏水液位上升過快，目前的疏水調(diào)節(jié)設(shè)計（液位保護(hù)定值設(shè)定及疏水調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)設(shè)定）無法有效控制疏水箱的液位，易導(dǎo)致機(jī)組跳閘。

3 處理措施和實際效果

根據(jù)大亞灣核電站的運(yùn)行經(jīng)驗反饋，建議將目前的導(dǎo)波雷達(dá)液位計更換為Magnetrol enhanced model 705系列，以改善液位計測量性能。

L3GSS系統(tǒng)疏水管道布置缺陷耦合導(dǎo)波雷達(dá)液位計質(zhì)量缺陷，導(dǎo)致導(dǎo)波雷達(dá)液位計液位測量偏差問題，設(shè)置臨時控制更改如下：

（1）通過對系統(tǒng)正常運(yùn)行期間疏水參數(shù)的模擬計算，并預(yù)留出裕量，建議將導(dǎo)波雷達(dá)液位計3取2選擇器的偏差判斷閾值改為總量程的20%。

（2）對L3GSS101／201／102／202／103／203BA，液位3取2選擇器失效信號觸發(fā)相應(yīng)的應(yīng)急疏水閥全開信號。

（3）對 L3GSS101／201／102／202BA，液位3取2選擇器失效延時3s，和對應(yīng)的應(yīng)急疏水閥閥位反饋小于5%做“與”邏輯后，觸發(fā)相應(yīng)疏水箱的高高液位保護(hù)信號。

（4）對 L3GSS103／203BA，液位3取2選擇器失效延時3s，和對應(yīng)的應(yīng)急疏水閥閥位反饋小于5%做“與”邏輯后，觸發(fā)相應(yīng)疏水箱的高高液位保護(hù)信號。

L3GSS103／203BA疏水調(diào)節(jié)設(shè)計優(yōu)化，設(shè)置臨時控制更改如下：

（5）疏水液位保護(hù)定值：低低液位為200mm，低液位為300mm，高高液位為1 800mm。

（6）疏水調(diào)節(jié)閥目標(biāo)定值：L3GSS196／296VL目標(biāo)液位為500mm；L3GSS180／280VL目標(biāo)液位為900mm，全開液位為1 100mm。

（7）取電功率的變化速度（下降沿）做閾值判斷，當(dāng)大于200MW／min時，L3GSS 180VL／280VL全開。

（8）對于調(diào)試期間100%負(fù)荷平臺孤島試驗、甩負(fù)荷至空載試驗及跳堆試驗等大瞬態(tài)試驗開始前，臨時設(shè)置高高水位保護(hù)信號延時90s觸發(fā)。本項臨時控制更改的目的是通過以上試驗得出經(jīng)過疏水設(shè)計優(yōu)化后，L3GSS103／203BA在大瞬態(tài)試驗期間疏水閃蒸液位能夠達(dá)到的最高值。最后試驗可知，在大瞬態(tài)試驗期間L3GSS103／203BA疏水液位可以得到有效控制。因此本項臨時控制更改在試驗完成后即取消，不再保留。

L3機(jī)組87%負(fù)荷平臺后的停機(jī)消缺期間更換了新型導(dǎo)波雷達(dá)液位計，并在系統(tǒng)調(diào)試運(yùn)行期間實施了以上8項臨時控制更改。

通過L3GSS系統(tǒng)的調(diào)試結(jié)果可知，目前導(dǎo)波雷達(dá)液位計測量準(zhǔn)確，液位測量無閃發(fā)尖峰的虛假信號。對于L3GSS101／102／202BA，在系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時其液位測量偏差穩(wěn)定，小于液位計總量程的10%，在大瞬態(tài)試驗期間液位偏差略微上升；對于其他安裝位置相同的液位計，液位測量偏差相對較小，約為液位計總量程的1%～5%。因此臨時控制更改（1）中的偏差判斷閾值可由總量程的20%改為10%。對于L3GSS103／203BA疏水調(diào)節(jié)設(shè)計缺陷，在機(jī)組100%負(fù)荷平臺時進(jìn)行孤島試驗、甩負(fù)荷至空載試驗及跳堆試驗過程中，其疏水液位已經(jīng)得到了有效的控制，最高僅升至900～1 000mm。

盡管更換新型的導(dǎo)波雷達(dá)液位計后，液位計的測量性能已經(jīng)比較準(zhǔn)確可靠，但是為了提高GSS系統(tǒng)調(diào)節(jié)信號及保護(hù)信號的可靠性及穩(wěn)定性，決定增加一項控制更改，即液位保護(hù)信號與調(diào)節(jié)信號分開，并且增加濾波和延時控制來消除液位擾動信號對液位測量的影響：

（9）各疏水箱的液位測量值經(jīng)過1s的濾波后，通過3取2選擇器輸出液位模擬信號提供疏水調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)信號；同時這些液位測量值信號被閾值探測器轉(zhuǎn)換為低水位、高水位、高高水位的二進(jìn)制符號，然后通過3取2選擇器（邏輯量選擇器）延時3s后輸出邏輯保護(hù)信號。

縱上所述，為了解決L3GSS系統(tǒng)的導(dǎo)波雷達(dá)液位計質(zhì)量、疏水管道布置及疏水調(diào)節(jié)設(shè)計缺陷，L3機(jī)組進(jìn)行了新型導(dǎo)波雷達(dá)更換，并實施了一系列臨時控制更改。通過L3機(jī)組調(diào)試試驗的驗證，并與ALSTOM公司討論后最終確定：臨時控制更改（1）、（2）、（5）、（6）、（7）、（9）保留，其他臨時控制更改取消。目前的處理措施改善了導(dǎo)波雷達(dá)液位計的測量性能，提高了系統(tǒng)調(diào)節(jié)及保護(hù)信號的可靠性及穩(wěn)定性，消除了導(dǎo)波雷達(dá)液位計質(zhì)量、疏水管道布置及疏水調(diào)節(jié)設(shè)計等缺陷對系統(tǒng)及機(jī)組運(yùn)行的影響。

4 結(jié)束語

在電廠汽－水系統(tǒng)中，疏水液位測量、調(diào)節(jié)及保護(hù)在CEX、低壓給水加熱器系統(tǒng)（ABP）、ADG、AHP及主給水流量控制系統(tǒng)（ARE）中均有應(yīng)用；而導(dǎo)波雷達(dá)液位計具有安裝維護(hù)量小、調(diào)校方便、測量精確、性能可靠等優(yōu)點，將會在以后的疏水系統(tǒng)設(shè)計中得到廣泛的應(yīng)用。本文對L3GSS系統(tǒng)在調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)的導(dǎo)波雷達(dá)液位計質(zhì)量、疏水管道布置及疏水調(diào)節(jié)設(shè)計等缺陷進(jìn)行了梳理分析，提出了改進(jìn)建議及處理措施，保證了機(jī)組安全、穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，也為類似的事件提供了借鑒。

[1]侯子良 .鍋爐汽包水位測量系統(tǒng)[M］.北京：中國電力出版社，2005.