廣西防城港核電有限公司 劉 杰

蒸汽發(fā)生器是壓水堆核電廠中將一回路熱量傳遞到二回路產(chǎn)生做功用蒸汽的重要設備，尤其對于立式自然循環(huán)的蒸汽發(fā)生器，保持蒸汽發(fā)生器水位在正常范圍內(nèi)對核電廠的安全運行至關重要。

在核電機組運行實踐中，由于蒸汽發(fā)生器自身容量小、水位干擾因素多、控制回路相對較復雜等原因，國內(nèi)核電機組曾多次出現(xiàn)因蒸汽發(fā)生器水位異常導致停機停堆的情況。CPR1000和華龍一號兩種技術路線對應的蒸汽發(fā)生器水位控制系統(tǒng)存在較大差異，而首批華龍一號生產(chǎn)技術人員尤其是運行人員大部分都具有豐富的CPR1000機組工作經(jīng)驗和知識儲備，因此對比分析這兩種技術路線的蒸汽發(fā)生器水位控制系統(tǒng)并改進培訓策略，對提升核電廠工作人員業(yè)務水平、減少蒸汽發(fā)生器水位異常影響核電廠的安全性和可用性具有重要意義。

1 CPR1000核電機組蒸汽發(fā)生器水位控制系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)配置

如圖1，每臺蒸汽發(fā)生器水位控制系統(tǒng)配置一個主調(diào)節(jié)閥（大閥）和一個旁路調(diào)節(jié)閥（小閥），從而根據(jù)蒸汽發(fā)生器相關參數(shù)變化實現(xiàn)機組高、低負荷水平下的給水流量的自動控制。小閥設計容量為滿負荷額定給水流量的20%，用于機組啟動和低負荷運行時控制給水流量，在機組高負荷運行時保持全開。大閥用于機組高負荷運行時調(diào)節(jié)給水流量，在機組啟動和低負荷時保持關閉。

圖1 CPR1000給水系統(tǒng)流程簡圖

1.2 控制策略

CPR1000機組蒸汽發(fā)生器水位整定值隨負荷而變：在0%負荷時水位整定值為34%NR；從0%負荷變化到20%負荷水位整定值線性增加；在負荷20%變化到100%時，水位設定值恒定為50%NR。對每臺蒸汽發(fā)生器而言，其水位的調(diào)節(jié)是通過控制進入該蒸汽發(fā)生器的給水流量來完成的。

高負荷(＞20%FP)運行工況下，蒸汽發(fā)生器水位的控制主要由大閥完成。大閥的調(diào)節(jié)是一個三通道（蒸汽發(fā)生器水位、給水流量、蒸汽流量）調(diào)節(jié)回路。二回路的總的蒸汽負荷通過GD函數(shù)發(fā)生器轉變?yōu)檎羝l(fā)生器水位整定值，與蒸汽發(fā)生器水位整定值信號共同作為PID水位調(diào)節(jié)器的輸入信號。給水流量測量值與經(jīng)過校正后的蒸汽流量測量值分別送入ZO加法器中相比較，得到汽水失配信號，該信號與來自PID水位調(diào)節(jié)器輸出的給水流量信號在加法器中求和后，被傳送到PI流量調(diào)節(jié)器，輸出對應的大閥的開度信號，控制大閥的開度，從而改變給水流量以控制蒸汽發(fā)生器的水位。

在機組啟停及低負荷（＜20%FP）期間，蒸汽發(fā)生器的水位由小閥來控制。因為小閥的開度與流經(jīng)它的給水流量是線度的關系，因此，以總蒸汽流量信號作為參考負荷，經(jīng)過GD函數(shù)發(fā)生器后給出小閥的開度信號，以改善調(diào)節(jié)回路的特性。

1.3 高、低負荷下控制的切換

無擾切換是控制系統(tǒng)設計時要考慮的主要問題之一。觸發(fā)高、低負荷下控制切換的信號是上述蒸汽發(fā)生器總蒸汽流量表征的負荷信號。當負荷低于20%FP時偏置信號被引入，一個負的虛擬偏置信號被引入到流量調(diào)節(jié)器的輸入端，從而使大閥可靠關閉。偏置信號的作用是為了避免大閥調(diào)和小閥同時發(fā)揮調(diào)節(jié)功能。當負荷提升到高于20%時偏置信號被切除，從而使大閥恢復正常的流量控制，而此時小閥為全開狀態(tài)。

2 華龍一號核電機組蒸汽發(fā)生器水位控制系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)配置

如圖2，每臺蒸汽發(fā)生器水位控制系統(tǒng)配置三個調(diào)節(jié)閥，分別為低低負荷調(diào)節(jié)閥（VLLCV，簡稱極小閥）、低負荷調(diào)節(jié)閥（LLCV，簡稱小閥）和滿負荷調(diào)節(jié)閥（FLCV，簡稱大閥）。極小閥用于在啟動和停堆階段AAD給蒸汽發(fā)生器供水時，控制蒸汽發(fā)生器水位。當機組負荷大于2%滿負荷時極小閥處于關閉狀態(tài)，給水流量通過低負荷和滿負荷調(diào)節(jié)閥控制；小閥用于2%～20%滿負荷工況，APA給蒸汽發(fā)生器供水時控制蒸汽發(fā)生器水位。此時大閥全關；大閥用于20%～100%滿負荷工況，APA給蒸汽發(fā)生器供水時控制蒸汽發(fā)生器水位。此時小閥全開。

圖2 華龍一號給水系統(tǒng)流程簡圖

2.2 控制策略

華龍一號機組蒸汽發(fā)生器水位整定值在負荷0%變化到100%時，水位設定值恒定為50%NR；如果發(fā)生反應堆停堆，會記憶停堆前的堆功率，根據(jù)此功率生成一個定值，蒸汽發(fā)生器水位整定值50%NR減去此定值生成一個新的水位整定值，滿功率停堆后定值最多減少24%NR。在停堆信號消失后，水位定值會以恒定速率恢復至正常值50%NR。

類似于CPR1000，華龍一號蒸汽發(fā)生器水位控制也通過改變進入該蒸汽發(fā)生器的給水流量來完成，仍然分為高、低負荷控制模式：高負荷模式用大閥調(diào)節(jié)；低負荷模式用小閥調(diào)節(jié)。大閥和小閥控制策略相同，但控制過程使用的儀表不同。蒸汽發(fā)生器水位測量值與整定值相比較，水位偏差經(jīng)過PID水位調(diào)節(jié)器計算后得出所需的給水流量需求值（差值）。

所需的給水流量需求值與汽機參考負荷或蒸汽流量測量值相加后得到給水流量整定值。其中蒸汽流量切換整定值相當于20%FP負荷時的蒸汽流量。當負荷小于20%FP時，汽機參考負荷（代表實際的蒸汽流量）會小于蒸汽流量切換整定值，則ZO加法器左端的輸入即為汽機參考負荷，而右端輸入為0，因為實測的蒸汽流量此時也應小于蒸汽流量切換整定值，所以功率小于20%FP時ZO加法器的輸出即為汽機參考負荷。

當負荷大于20%FP時，汽機參考負荷會大于蒸汽流量切換整定值，則ZO加法器右端的輸入為蒸汽流量切換整定值，而左端輸入為：實測的蒸汽流量－蒸汽流量切換整定值。因為實測的蒸汽流量此時也應大于蒸汽流量切換整定值。所以，負荷大于20%FP時ZO加法器的輸出即為經(jīng)過蒸汽壓力修正的蒸汽流量測量值。

給水流量測量值在低負荷時使用低負荷管線流量測量值作為輸入，在高負荷時使用滿負荷管線流量測量值作為輸入。高、低負荷給水流量的切換通過給水流量切換整定值實現(xiàn)，流量計的切換是自動進行的，類似于汽機參考負荷和蒸汽流量的切換原理；給水流量整定值與給水流量測量值相比較得到給水需求流量偏差，再經(jīng)過PI流量調(diào)節(jié)器進行運算以保證調(diào)節(jié)精度，經(jīng)過兩個GD函數(shù)發(fā)生器得到閥門開度信號，分別控制小閥和大閥開度[1]。

2.3 高、低負荷下控制的切換

PI流量控制器的輸出信號分別通過兩個GD函數(shù)發(fā)生器送給小閥和大閥，保證閥門開度為線性：小于20%FP時大閥關閉，由小閥調(diào)節(jié)蒸汽發(fā)生器水位；大于20%FP后小閥全開，由大閥調(diào)節(jié)蒸汽發(fā)生器水位。此無擾切換過程的實現(xiàn)，是通過在大閥的GD函數(shù)發(fā)生器前設定一個高/低負荷閥門切換值，用以保證大閥僅在小閥幾乎接近全開的時候才開始逐漸線性開啟。

3 差異性對比

作為三代核電技術的華龍一號蒸汽發(fā)生器水位控制系統(tǒng)，其總體設計思路與二代改進型CPR1000相似：采用相似的高、低負荷分別控制的策略；采用相似的高負荷下的水位控制策略。但華龍一號在具體的控制策略上也具有與CPR1000間的差異性。

3.1 低負荷下的水位控制策略的差異

CPR1000蒸汽發(fā)生器水位控制沒有為低負荷工況下的控制配置專用的測量參數(shù)，在低負荷下通過采用計算得出的總蒸汽流量作為給水流量控制的前饋，同時引入水位調(diào)節(jié)器的輸出，再經(jīng)過GD函數(shù)發(fā)生器輸出閥門開度信號；華龍一號蒸汽發(fā)生器水位控制系統(tǒng)中，低負荷下與高負荷下控制策略相同，區(qū)別僅在于所使用不一樣的測量參數(shù)來實現(xiàn)控制邏輯。配置低負荷下專門的測量管線流量的儀表，使得低負荷下的形成閉環(huán)流量控制，從而大大提高了華龍一號蒸汽發(fā)生器水位控制系統(tǒng)的控制性能。

3.2 高、低負荷控制的切換策略的差異

CPR1000蒸汽發(fā)生器水位控制使用總蒸汽流量（汽機+ADG+GCT）對應的負荷信號作為切換依據(jù)，切換點為20%FP。但華龍一號蒸汽發(fā)生器水位控制系統(tǒng)中，區(qū)別僅在于所使用不一樣的測量參數(shù)來實現(xiàn)控制邏輯，因此通過設定高/低負荷閥門切換定值，經(jīng)巧妙的邏輯設計實現(xiàn)華龍一號高、低負荷控制的切換。

4 培訓策略

根據(jù)差異性對比的結論，在工作和培訓中應有效區(qū)分CPR1000和華龍一號蒸汽發(fā)生器水位控制異同點，根據(jù)培訓對象的工作經(jīng)歷及時調(diào)整培訓策略，尤其是根據(jù)對差異性中操作較為頻繁的高、低負荷手/自控制的切換需重點講解，以減少工作失誤，提升人因績效。

4.1 CPR1000蒸汽發(fā)生器水位控制切換的培訓策略

CPR1000低負荷調(diào)節(jié)以小閥自身為主，大于20%FP負荷時以大閥調(diào)節(jié)為主。大小閥跟蹤邏輯設置了不同條件及不同跟蹤值，實現(xiàn)了小閥如果進入跟蹤模式，需要是低負荷及自身切手動。如果正常負荷時需要負荷大于20%且大閥自身切到手動。

培訓過程中應針對ARE高、低負荷調(diào)節(jié)閥復制電路的跟蹤邏輯，舉例分析在高負荷和低負荷下，ARE調(diào)節(jié)閥手自/動狀態(tài)相同和不同時，閥門開度指令之間是否存在相互干擾。根據(jù)核電機組的人因失效表現(xiàn)及相關理論分析，在培訓及工作中涉及到ARE調(diào)節(jié)閥手/自動切換操作時，應注意手動干預SG水位時遵循“高小低大”或“亮大滅小”的先后順序，分別將大閥和小閥及時放手動。注意，為避免混淆歧義，切忌長時間將一個閥門處于手動而另一個放自動。

4.2 華龍一號蒸汽發(fā)生器水位控制切換的培訓策略

華龍一號ARE閥門跟蹤邏輯的目的是實現(xiàn)ARE大小閥手自/動無擾切換，避免閥門突然動作。自動切為手動后，在施加手動作用前，閥位保持在切換前自動信號決定的位置，不存在擾動問題；但由手動切向自動時，原決定于手動作用的閥位一般與自動裝置計算出的閥位不一致，就有可能產(chǎn)生擾動問題。一般采用跟蹤信號方法來保證手動切向自動時不產(chǎn)生擾動。DCS采用PID調(diào)節(jié)器自身功能實現(xiàn)跟蹤及無擾切換。

根據(jù)核電機組的人因失效表現(xiàn)及相關理論分析，在培訓及工作中涉及到ARE調(diào)節(jié)閥手/自動切換操作時應注意：在低功率情況下，如放小閥手動、建議將大閥也切換到手動控制（大閥在自動、小閥放手動，如功率偏低，一旦大閥自動調(diào)節(jié)過程中關閉，大閥會始終保持關閉狀態(tài)，不能夠重新開啟）；在高功率下，如將小閥放手動、建議保持大閥在自動位置，此時大閥能夠響應蒸汽發(fā)生器水位的變化，減少手動干預中的風險。

5 結語

核電機組運行實踐中曾多次出現(xiàn)因蒸汽發(fā)生器水位異常導致非計劃停機停堆事件，而核電廠生產(chǎn)技術人員在蒸汽發(fā)生器水位控制系統(tǒng)相關工作中的人因失效導致了其中多起事件的發(fā)生。本文對CPR1000和華龍一號核電機組蒸汽發(fā)生器水位控制系統(tǒng)進行對比分析，以便在培訓中根據(jù)培訓對象的工作經(jīng)歷及時調(diào)整培訓策略，以提升培訓質(zhì)量。亦可作為培訓及工作中的參考，有助于理解CPR1000和華龍一號蒸汽發(fā)生器水位調(diào)節(jié)原理和差異性，對夯實生產(chǎn)技術人員理論基礎、減少人因導致的蒸汽發(fā)生器水位異常事件從而提升核電廠的安全性和可用性具有重要意義。