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(shè)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(guān)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(fù)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(dǎo)致停機停堆的情況。CPR1000和華龍一號兩種技術(shù)路線對應(yīng)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(shù)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(shù)路線的蒸汽發(fā)生器水位控制系統(tǒng)并改進培訓(xùn)策略，對提升核電廠工作人員業(yè)務(wù)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(guān)參數(shù)變化實現(xiàn)機組高、低負(fù)荷水平下的給水流量的自動控制。小閥設(shè)計容量為滿負(fù)荷額定給水流量的20%，用于機組啟動和低負(fù)荷運行時控制給水流量，在機組高負(fù)荷運行時保持全開。大閥用于機組高負(fù)荷運行時調(diào)節(jié)給水流量，在機組啟動和低負(fù)荷時保持關(guān)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(fù)荷而變：在0%負(fù)荷時水位整定值為34%NR；從0%負(fù)荷變化到20%負(fù)荷水位整定值線性增加；在負(fù)荷20%變化到100%時，水位設(shè)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(fù)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(fù)荷通過GD函數(shù)發(fā)生器轉(zhuǎn)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(yīng)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(fù)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(guān)系，因此，以總蒸汽流量信號作為參考負(fù)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(fù)荷下控制的切換

無擾切換是控制系統(tǒng)設(shè)計時要考慮的主要問題之一。觸發(fā)高、低負(fù)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(fù)荷信號。當(dāng)負(fù)荷低于20%FP時偏置信號被引入，一個負(fù)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(guān)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(dāng)負(fù)荷提升到高于20%時偏置信號被切除，從而使大閥恢復(fù)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(fù)荷調(diào)節(jié)閥（VLLCV，簡稱極小閥）、低負(fù)荷調(diào)節(jié)閥（LLCV，簡稱小閥）和滿負(fù)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(dāng)機組負(fù)荷大于2%滿負(fù)荷時極小閥處于關(guān)閉狀態(tài)，給水流量通過低負(fù)荷和滿負(fù)荷調(diào)節(jié)閥控制；小閥用于2%～20%滿負(fù)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(guān)；大閥用于20%～100%滿負(fù)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(fù)荷0%變化到100%時，水位設(shè)定值恒定為50%NR；如果發(fā)生反應(yīng)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(fù)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(fù)荷控制模式：高負(fù)荷模式用大閥調(diào)節(jié)；低負(fù)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(fù)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(dāng)于20%FP負(fù)荷時的蒸汽流量。當(dāng)負(fù)荷小于20%FP時，汽機參考負(fù)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(fù)荷，而右端輸入為0，因為實測的蒸汽流量此時也應(yīng)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(fù)荷。

當(dāng)負(fù)荷大于20%FP時，汽機參考負(fù)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(yīng)大于蒸汽流量切換整定值。所以，負(fù)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(fù)荷時使用低負(fù)荷管線流量測量值作為輸入，在高負(fù)荷時使用滿負(fù)荷管線流量測量值作為輸入。高、低負(fù)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(fù)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(fù)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(guān)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(shè)定一個高/低負(fù)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(shù)的華龍一號蒸汽發(fā)生器水位控制系統(tǒng)，其總體設(shè)計思路與二代改進型CPR1000相似：采用相似的高、低負(fù)荷分別控制的策略；采用相似的高負(fù)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(fù)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(fù)荷工況下的控制配置專用的測量參數(shù)，在低負(fù)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(fù)荷下與高負(fù)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(fù)荷下專門的測量管線流量的儀表，使得低負(fù)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(fù)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(yīng)的負(fù)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(shè)定高/低負(fù)荷閥門切換定值，經(jīng)巧妙的邏輯設(shè)計實現(xiàn)華龍一號高、低負(fù)荷控制的切換。

4 培訓(xùn)策略

根據(jù)差異性對比的結(jié)論，在工作和培訓(xùn)中應(yīng)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(xùn)對象的工作經(jīng)歷及時調(diào)整培訓(xùn)策略，尤其是根據(jù)對差異性中操作較為頻繁的高、低負(fù)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(xùn)策略

CPR1000低負(fù)荷調(diào)節(jié)以小閥自身為主，大于20%FP負(fù)荷時以大閥調(diào)節(jié)為主。大小閥跟蹤邏輯設(shè)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(fù)荷及自身切手動。如果正常負(fù)荷時需要負(fù)荷大于20%且大閥自身切到手動。

培訓(xùn)過程中應(yīng)針對ARE高、低負(fù)荷調(diào)節(jié)閥復(fù)制電路的跟蹤邏輯，舉例分析在高負(fù)荷和低負(fù)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(guān)理論分析，在培訓(xùn)及工作中涉及到ARE調(diào)節(jié)閥手/自動切換操作時，應(yīng)注意手動干預(yù)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(xùn)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(guān)理論分析，在培訓(xùn)及工作中涉及到ARE調(diào)節(jié)閥手/自動切換操作時應(yīng)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(guān)閉，大閥會始終保持關(guān)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(yīng)蒸汽發(fā)生器水位的變化，減少手動干預(yù)中的風(fēng)險。

5 結(jié)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(dǎo)致非計劃停機停堆事件，而核電廠生產(chǎn)技術(shù)人員在蒸汽發(fā)生器水位控制系統(tǒng)相關(guān)工作中的人因失效導(dǎo)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(xùn)中根據(jù)培訓(xùn)對象的工作經(jīng)歷及時調(diào)整培訓(xùn)策略，以提升培訓(xùn)質(zhì)量。亦可作為培訓(xùn)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(shù)人員理論基礎(chǔ)、減少人因?qū)е碌恼羝l(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。