殷秀峰

【摘 要】通過對核電廠蒸汽發(fā)生器水位控制原理的介紹，分析虛假水位的產(chǎn)生機理及影響，結合一些運行實際操作，對影響蒸發(fā)器水位變化的主要因素研究和分析，找到對水位控制切實可行的方法。

【關鍵詞】蒸發(fā)器;虛假水位;核功率;手動干預

中圖分類號： TM623.4 文獻標識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）03-0244-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.03.102

1 蒸發(fā)器水位控制原理

秦山核電一廠30萬機組的兩臺蒸發(fā)器都配有以調節(jié)蒸發(fā)器水位穩(wěn)定在程序水位上目的的單沖量調節(jié)系統(tǒng)和三沖量調節(jié)系統(tǒng)。為克服低功率時主給水調節(jié)閥小開度控制上的困難，及給水與蒸汽流量測量上的困難，設置了與主給水調節(jié)閥并聯(lián)的旁路給水調節(jié)閥。單沖量調節(jié)適用于低功率水平下，主蒸汽流量在18%額定蒸汽流量下的調節(jié)，此階段主給水調節(jié)閥全關，由旁路給水調節(jié)閥接受單沖量調節(jié)器輸出進行調節(jié)。三沖量調節(jié)適用于主蒸汽流量大于18%至滿功率，此階段旁路給水調節(jié)閥全關，由主給水調節(jié)閥接受三沖量調節(jié)器輸出進行調節(jié)。

由于受測量儀表精度的限制，低功率時，采用單沖量調節(jié)器工作，核功率的變化率信號作為單沖量調節(jié)器的前饋信號，蒸發(fā)器水位信號為反饋信號。當水位改變時，由反饋調節(jié)來保證被調水位等于給定值。另一方面當功率變化時，還未等到水位發(fā)生變化，前饋量核功率的變化率信號就向旁路給水調節(jié)閥給出了動作信號，及時消除了核功率的擾動影響，進而達到快速響應的目的。

三沖量控制是一種穩(wěn)定的動態(tài)響應串級控制系統(tǒng)。三沖量調節(jié)系統(tǒng)由主調節(jié)器和副調節(jié)器組成。主調節(jié)器也叫水位調節(jié)單元，它的功能是根據(jù)水位來改變給水量。副調節(jié)器也叫給水調節(jié)單元，它的功能是保持給水和蒸汽的質量平衡。三路實際水位中值經(jīng)一階慣性環(huán)節(jié)與程序水位的偏差信號，通過主調節(jié)器比例加積分環(huán)節(jié)，該輸出信號作為副調節(jié)器比例加積分環(huán)節(jié)的設定，三路蒸汽流量、給水流量的中值偏差信號作為副調節(jié)器比例加積分環(huán)節(jié)的反饋，通過副調節(jié)器的比例加積分環(huán)節(jié)改變給水量，保持給水與蒸汽質量平衡，實現(xiàn)蒸發(fā)器水位保持在程序水位上。

1.1 蒸發(fā)器水位控制困難的原因

1.1.1 設計不合理

SG水位很不合理，正常運行時負荷由低至高，程序水位為9.9m～10.4m;而蒸發(fā)器水位保護的定值：高高水位停機是10.90m;低低水位停堆是9.31m。正常滿功率運行時水位控制范圍僅0.5m，且蒸發(fā)器高水位報警定值是10.7m，這就給調節(jié)系統(tǒng)出了很大的難題，一旦調節(jié)系統(tǒng)出現(xiàn)故障或者機組出現(xiàn)瞬態(tài)引起蒸發(fā)器水位異常上漲，即便想去切至手動干預，從判斷到作出正確響應，存在很大的時間壓力。

1.1.2 虛假水位

在瞬態(tài)工況或負荷變化率較大時，蒸汽流量的變化會引起蒸發(fā)器水位的變化，但這種變化可能會引起的給水流量的變化是反方向的。例如：負荷突然增加時，蒸汽流量增加，蒸汽流量的增加從質量平衡的關系來講應該增加給水量，但是蒸汽發(fā)生器管束的沸騰段產(chǎn)生更多的汽泡，使循環(huán)流動的阻力壓頭增加，循環(huán)流量減小，給水將聚積在下降通道的上部環(huán)形空間內，水位上升。另外，蒸汽流量增加，被汽水分離器分離出的再循環(huán)流量也增加，使水位進一步上升，這種現(xiàn)象稱為“水位腫脹現(xiàn)象”（即所謂的虛假液位），它會進而引起給水流量的減小。反之，當負荷突然減小時會出現(xiàn)水位收縮現(xiàn)象”。

而三沖量調節(jié)系統(tǒng)能在一定程度上克服虛假水位的影響。利用實際測量的水位信號，經(jīng)過一階慣性環(huán)節(jié)，使水位膨脹期間瞬變信號被延時，而使蒸汽流量——給水流量的偏差信號能夠增加給水量，達到正確動作的目的。另一方面是利用水位調節(jié)單元輸出的流量誤差和蒸汽流量信號的變化趨勢相反的這一特點來實現(xiàn)消除虛假液位的影響。例如：汽輪機功率上升，一方面蒸汽流量增加，蒸汽流量的信號上升，另一方面由于膨脹作用水位調節(jié)單元輸出的流量誤差信號下降，這兩個信號求和的結果是相互抵消，使得給水流量在蒸發(fā)器水位“膨脹”期間能保持不變，雖然待“虛假液位”過后，蒸汽流量信號將占主導作用，接受實際的水位信號也起作用。三沖量調節(jié)系統(tǒng)并不能很好的在克服虛假水位的影響，無論是應對突升負荷還是突降負荷，給水調節(jié)閥的響應還是出現(xiàn)了較大的反向調節(jié)，以致使蒸發(fā)器水位在虛假水位峰值之后出現(xiàn)了第二次反向峰值。

1.1.3 低功率運行期間水位不穩(wěn)定因素

在正常功率運行期間，系統(tǒng)參數(shù)變化平穩(wěn)，蒸汽發(fā)生器內汽水之間的相對穩(wěn)定，蒸發(fā)器水位調節(jié)系統(tǒng)能夠很好的控制水位穩(wěn)定。但是在低功率運行期間，由于系統(tǒng)的釋熱與儲熱都較低，從而會使核功率、一回路平均溫度、給水溫度、蒸發(fā)器壓力、蒸汽流量（大氣釋放閥、旁排閥動作）等任一參數(shù)的穩(wěn)定性變差，一旦出現(xiàn)某一參數(shù)的變化，可能會引起相關參數(shù)的連鎖變化并相互影響，最終將會使蒸發(fā)器內的汽水穩(wěn)定性變差，水位出現(xiàn)波動;另外，加之單沖量調節(jié)的局限性以及低功率期間堆、機操相互配合的合理性等，構成了低功率期間蒸發(fā)器水位的眾多不穩(wěn)定因素，給蒸發(fā)器水位的控制帶來不便。

例如，汽輪機沖轉之前，蒸發(fā)器水位由單沖量旁閥自動控制，系統(tǒng)從穩(wěn)定狀態(tài)開始提升核功率。此時從理論分析來說，核功率升高，系統(tǒng)釋熱量增加，由于需要控制一次側平均溫度穩(wěn)定，則需要增加二次側輸熱，即加大二次側蒸發(fā)量，如果給水流量不及時跟蹤增加，SG水位很快就會呈下降趨勢。但實際情況是，由于一次側溫度的增加明顯的滯后于核功率的升高，當核功率變化率前饋通道的作用旁路閥開大之后，給水流量將增加，而此時的給水溫度只有110℃左右，相對蒸發(fā)器內的飽和溫度250℃左右，存在較大的溫差，增加的較冷的給水進入蒸發(fā)器管束，使預熱段加長，兩相流沸騰段縮短，從而管束中總的流動阻力減小，流動加速，環(huán)形區(qū)內水位由此而降低;不但如此，由于二次側給水輸出的增加，還會造成一次側平均溫度的降低，溫度的負反饋效應又會使核功率進一步增加，加之本身水位的降低，控制系統(tǒng)的輸出將進一步要求開大旁閥，這便會造成正發(fā)器水位的繼續(xù)降低。只有待一次側平均溫度升高以后，水位才會出現(xiàn)拐點，但由于之前蒸發(fā)器內的實際水裝量的增加，即便旁閥自動關小，水位的上漲必然會超調，并在之后出現(xiàn)振蕩，只有當核功率、平均溫度趨于穩(wěn)定之后，蒸發(fā)器水位才會收斂。當然，最嚴重的情況也有可能時水位振蕩并發(fā)散，最終觸發(fā)相關蒸發(fā)器水位保護動作。

縱觀電廠早期運行的外報運行事件，蒸發(fā)器水位相關的停機停堆事件占了很大的比重，而此類事件多數(shù)也發(fā)生在低功率運行期間。

1.2 幾種情況下蒸汽發(fā)生器水位控制的要點分析

1.2.1 汽輪機沖轉

汽輪機沖轉是一個在較短時間內負荷增加5%左右的過程，加之30萬機組調門的嚴密性問題，汽機復置之后蒸汽流量便會突然增加，沖轉過程中蒸發(fā)器水位會受到核功率、蒸汽流量、主蒸汽壓力、平均溫度等眾多參數(shù)的影響，如果單純的在轉速增加的同時手動提升核功率，旁閥維持單沖量自動調節(jié)，那么蒸發(fā)器水位很有可能會出現(xiàn)以下現(xiàn)象：首先，隨著調門的開大，蒸汽流量增加，主蒸汽壓力下降，蒸發(fā)器出現(xiàn)“閃蒸”現(xiàn)象，使SG內的蒸發(fā)段突然變長，水位迅速上漲;接下來隨著蒸發(fā)量大于給水量，蒸發(fā)器水位呈下降趨勢，加之提升核功率（平均溫度上漲滯后核功率，平均溫度會被快速拉低），給水流量的增加又會給水位帶來“冷縮”的效應;只有等到平均溫度下降變緩，重新上漲后，蒸發(fā)器水位才會再次上漲。這樣的水位波動是我們操作過程中不希望看到的，克服上述情況的有效辦法就是沖轉前保持一個旁路排放閥20%～30%開度，這也是規(guī)程中要求在沖轉前將反應堆功率提升到5%～8%（45～75MWt）的原因，這樣做有利于蒸發(fā)器水位控制的原因在于很好的穩(wěn)定了主蒸汽壓力，汽機進汽量的增加是由被導入凝汽器的蒸汽轉移過來的。由于旁路蒸汽的調節(jié)作用，核功率、給水流量、平均溫度、主蒸汽壓力等不容易平衡的幾個參數(shù)，在沖轉前后不會發(fā)生太大的變化，從而維持了蒸發(fā)器內的汽水循環(huán)平衡。反應堆操縱員只需在沖轉前提升核功率時盡量緩慢（清楚溫度變化的滯后效應），沖轉過程中根據(jù)旁路排放閥的開度適當調節(jié)核功率，一般都能將蒸發(fā)器水位控制的比較平穩(wěn)。

1.2.2 并網(wǎng)

對于并網(wǎng)操作的時蒸發(fā)器水位控制的原理與沖轉是相似，主要都表現(xiàn)為二次側負荷的快速增加，但是并網(wǎng)后，由于汽輪機DEH帶負荷5%～6%，加上廠用汽、汽輪機低功率損耗，機組效率較低，核功率約要13%，而規(guī)程要求并網(wǎng)前維持核功率為8～9%額定功率（不產(chǎn)生P7信號，防止并網(wǎng)過程中出現(xiàn)異常觸發(fā)汽機或發(fā)變組保護時不至于聯(lián)鎖停堆），這會造成并網(wǎng)后的機、堆功率失配較大，并上網(wǎng)以后一回路平均溫度下降很快，反應堆操縱員為了維持一回路平均溫度，必須并網(wǎng)成功后第一時間快速地手動提升核功率并使其穩(wěn)定在110～120MWt，緩解一回路平均溫度的下降。而此時蒸發(fā)器水位由于蒸汽流量突增，平均溫度快速下降等因素影響，水位的手動和自動控制均有一定難度，需要有經(jīng)驗的操縱員或高操專人監(jiān)視水位，并與堆操、機操協(xié)調一致，適當手動干預蒸發(fā)器水位，防止水位振蕩觸發(fā)保護動作。

1.2.3 給水主、旁閥切換

蒸發(fā)器給水主、旁調節(jié)閥間切換，我廠設計上有自動切換的功能，該切換是通過18%蒸汽流量信號觸發(fā)一套切換程序來實現(xiàn)的，整個切換過程需2分鐘完成。在升、降功率經(jīng)過18%功率時兩閥的切換過程中，給水流量基本保持不變，這是通過切換程序中預置的切換曲線來實現(xiàn)。但是因擔心自動切換蒸發(fā)器水位不穩(wěn)定，故實際切換均采用手動切換。關于主旁閥切換的注意事項與操作要點，穩(wěn)定的工況是保證蒸發(fā)器內汽水循環(huán)平衡的重要前提，而切換過程中維持給水流量不變尤為關鍵。但是當蒸發(fā)器水位出現(xiàn)波動時，給水流量的調節(jié)，應基于給水流量與蒸汽流量的匹配，不能偏差過大，要避免給水流量的大幅度變化，否則蒸發(fā)器的虛假水位將難以預計和控制。另外有一個良好的經(jīng)驗反饋，由于寬量程水位的變化超前于窄量程，手動干預蒸發(fā)器水位時，通過寬量程水位進行輔助判斷，能夠有效的減小虛假水位的影響。

1.3 手動干預蒸發(fā)器水位的要點

實際運行中，影響蒸發(fā)器水位的情況并不止上述幾種，啟停給水與主給水切換、主給水泵切換、凝汽器失真空及真空快速恢復、蒸發(fā)器水位控制系統(tǒng)故障、甩負荷故障等都可能會引起蒸發(fā)器水位波動或瞬態(tài)，各種參數(shù)的變化，最終反映結果主要是蒸發(fā)器水位、給水流量、蒸汽流量三個熱工參數(shù)。結合個人幾次機組大、小修期間的操作以及主控前輩的良好經(jīng)驗，總結出以下幾個要點：

（1）從能量傳遞的角度而言，蒸發(fā)器水位的變化反應的是系統(tǒng)一次側與二次側熱量傳遞平衡的變化，維持這個平衡的核心參數(shù)是核功率，任何時候都對當前（或目標）核功率水平下的給水需求量較清楚，手動干預就是圍繞這個基準流量進行的。

（2）蒸發(fā)器水位對反應堆功率變化十分敏感，尤其是在低功率運行階段，平穩(wěn)控制核功率的變化有利于蒸發(fā)器水位的控制。

（3）除非蒸發(fā)器出現(xiàn)嚴重的汽水失配現(xiàn)象，一般不允許大幅改變給水流量，從而人為對蒸發(fā)器水位造成瞬態(tài)。

（4）可以借鑒C2調試期間的經(jīng)驗反饋，手動干預蒸發(fā)器水位時，通過寬量程水位曲線進行輔助判斷，能夠有效的減小虛假水位的影響。

（5）低功率運行或機組發(fā)生異常瞬態(tài)期間，蒸發(fā)器水位需要專人監(jiān)視，監(jiān)視蒸發(fā)器水位的操縱員需要清楚水位變化的機理，對機操和堆操進行的操作可能給蒸發(fā)器水位造成的影響清楚，遇到蒸發(fā)器水位振蕩較大時，立即停止影響水位變化的任何操作。

1.4 建議

（1）考慮增加主給水流量窄量程信號，克服低功率期間給水流量測量盲區(qū)，為干預水位提供可靠依據(jù)，避免單一參考水位變化趨勢，受虛假水位影響。

（2）對模擬機蒸發(fā)器水位相關模塊進行必要的改進?？偨Y個人多次擔任模擬機教員的經(jīng)歷，發(fā)現(xiàn)30萬機組模擬機在蒸發(fā)器虛假水位的模擬上，與實際比較相差較大，表現(xiàn)為水位控制比較容易。學員通過模擬機培訓對各種情況下蒸發(fā)器水位變化的機理與虛假水位的影響難以深刻認識。

（3）利用模擬機復訓的機會組織專項技術比武，鍛煉操作技術的同時，更要提高應對重大操作或異常瞬態(tài)的心理素質。

1.5 結論

有效控制蒸汽發(fā)生器水位變化與核電廠的安全、經(jīng)濟運行有著直接關系。而設計上蒸發(fā)器水位調節(jié)范圍得不合理性，虛假水位的影響等因素給水位控制帶來較大的技術難度與心理壓力，雖然電廠調試及較早燃料循環(huán)運行期間，曾多次發(fā)生蒸發(fā)器水位保護動作的停機停堆事件，但隨著運行人員經(jīng)驗的積累，對蒸發(fā)器水位變化機理和影響因素的清楚認識;運行規(guī)程中操作方法、注意事項的完善;實際操作時做到分工明確，把握重點難點，并具備良好的心理素質，實踐證明是可以控制好蒸發(fā)器水位避免失誤而造成非計劃停機停堆。

【參考文獻】

[1]《CP300核電廠儀表和控制系統(tǒng)/設備及運行》，原子能出版社，2010年.

[2]秦山核電廠《核電廠啟動——從冷停堆至100%額定功率》.

[3]秦山核電廠《主給水系統(tǒng)運行規(guī)程》.