淺談?wù)羝l(fā)生器水位控制

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(jī)理及影響，結(jié)合一些運(yùn)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(guān)鍵詞】蒸發(fā)器;虛假水位;核功率;手動干預(yù)

中圖分類號： TM623.4 文獻(xiàn)標(biāo)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(jī)組的兩臺蒸發(fā)器都配有以調(diào)節(jié)蒸發(fā)器水位穩(wěn)定在程序水位上目的的單沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)和三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)。為克服低功率時主給水調(diào)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(shè)置了與主給水調(diào)節(jié)閥并聯(lián)的旁路給水調(diào)節(jié)閥。單沖量調(diào)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(diào)節(jié)，此階段主給水調(diào)節(jié)閥全關(guān)，由旁路給水調(diào)節(jié)閥接受單沖量調(diào)節(jié)器輸出進(jìn)行調(diào)節(jié)。三沖量調(diào)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(diào)節(jié)閥全關(guān)，由主給水調(diào)節(jié)閥接受三沖量調(diào)節(jié)器輸出進(jìn)行調(diào)節(jié)。

由于受測量儀表精度的限制，低功率時，采用單沖量調(diào)節(jié)器工作，核功率的變化率信號作為單沖量調(diào)節(jié)器的前饋信號，蒸發(fā)器水位信號為反饋信號。當(dāng)水位改變時，由反饋調(diào)節(jié)來保證被調(diào)水位等于給定值。另一方面當(dāng)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(diào)節(jié)閥給出了動作信號，及時消除了核功率的擾動影響，進(jìn)而達(dá)到快速響應(yīng)的目的。

三沖量控制是一種穩(wěn)定的動態(tài)響應(yīng)串級控制系統(tǒng)。三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)由主調(diào)節(jié)器和副調(diào)節(jié)器組成。主調(diào)節(jié)器也叫水位調(diào)節(jié)單元，它的功能是根據(jù)水位來改變給水量。副調(diào)節(jié)器也叫給水調(diào)節(jié)單元，它的功能是保持給水和蒸汽的質(zhì)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(diào)節(jié)器比例加積分環(huán)節(jié)，該輸出信號作為副調(diào)節(jié)器比例加積分環(huán)節(jié)的設(shè)定，三路蒸汽流量、給水流量的中值偏差信號作為副調(diào)節(jié)器比例加積分環(huán)節(jié)的反饋，通過副調(diào)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(zhì)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(shè)計不合理

SG水位很不合理，正常運(yùn)行時負(fù)荷由低至高，程序水位為9.9m～10.4m;而蒸發(fā)器水位保護(hù)的定值：高高水位停機(jī)是10.90m;低低水位停堆是9.31m。正常滿功率運(yùn)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(diào)節(jié)系統(tǒng)出了很大的難題，一旦調(diào)節(jié)系統(tǒng)出現(xiàn)故障或者機(jī)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(yù)，從判斷到作出正確響應(yīng)，存在很大的時間壓力。

1.1.2 虛假水位

在瞬態(tài)工況或負(fù)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(fù)荷突然增加時，蒸汽流量增加，蒸汽流量的增加從質(zhì)量平衡的關(guān)系來講應(yīng)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(nèi)，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(jìn)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(jìn)而引起給水流量的減小。反之，當(dāng)負(fù)荷突然減小時會出現(xiàn)水位收縮現(xiàn)象”。

而三沖量調(diào)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(dá)到正確動作的目的。另一方面是利用水位調(diào)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(jī)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(diào)節(jié)單元輸出的流量誤差信號下降，這兩個信號求和的結(jié)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(dǎo)作用，接受實際的水位信號也起作用。三沖量調(diào)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(yīng)對突升負(fù)荷還是突降負(fù)荷，給水調(diào)節(jié)閥的響應(yīng)還是出現(xiàn)了較大的反向調(diào)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(yùn)行期間水位不穩(wěn)定因素

在正常功率運(yùn)行期間，系統(tǒng)參數(shù)變化平穩(wěn)，蒸汽發(fā)生器內(nèi)汽水之間的相對穩(wěn)定，蒸發(fā)器水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)能夠很好的控制水位穩(wěn)定。但是在低功率運(yùn)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(guān)參數(shù)的連鎖變化并相互影響，最終將會使蒸發(fā)器內(nèi)的汽水穩(wěn)定性變差，水位出現(xiàn)波動;另外，加之單沖量調(diào)節(jié)的局限性以及低功率期間堆、機(jī)操相互配合的合理性等，構(gòu)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(jī)沖轉(zhuǎn)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(cè)平均溫度穩(wěn)定，則需要增加二次側(cè)輸熱，即加大二次側(cè)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(cè)溫度的增加明顯的滯后于核功率的升高，當(dāng)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(nèi)的飽和溫度250℃左右，存在較大的溫差，增加的較冷的給水進(jìn)入蒸發(fā)器管束，使預(yù)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(nèi)水位由此而降低;不但如此，由于二次側(cè)給水輸出的增加，還會造成一次側(cè)平均溫度的降低，溫度的負(fù)反饋效應(yīng)又會使核功率進(jìn)一步增加，加之本身水位的降低，控制系統(tǒng)的輸出將進(jìn)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(cè)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(nèi)的實際水裝量的增加，即便旁閥自動關(guān)小，水位的上漲必然會超調(diào)，并在之后出現(xiàn)振蕩，只有當(dāng)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(dāng)然，最嚴(yán)重的情況也有可能時水位振蕩并發(fā)散，最終觸發(fā)相關(guān)蒸發(fā)器水位保護(hù)動作。

縱觀電廠早期運(yùn)行的外報運(yùn)行事件，蒸發(fā)器水位相關(guān)的停機(jī)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(yùn)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(jī)沖轉(zhuǎn)

汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)是一個在較短時間內(nèi)負(fù)荷增加5%左右的過程，加之30萬機(jī)組調(diào)門的嚴(yán)密性問題，汽機(jī)復(fù)置之后蒸汽流量便會突然增加，沖轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速增加的同時手動提升核功率，旁閥維持單沖量自動調(diào)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(diào)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(nèi)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(yīng);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(zhuǎn)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(zhuǎn)前將反應(yīng)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(jī)進(jìn)汽量的增加是由被導(dǎo)入凝汽器的蒸汽轉(zhuǎn)移過來的。由于旁路蒸汽的調(diào)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(zhuǎn)前后不會發(fā)生太大的變化，從而維持了蒸發(fā)器內(nèi)的汽水循環(huán)平衡。反應(yīng)堆操縱員只需在沖轉(zhuǎn)前提升核功率時盡量緩慢（清楚溫度變化的滯后效應(yīng)），沖轉(zhuǎn)過程中根據(jù)旁路排放閥的開度適當(dāng)調(diào)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(zhuǎn)是相似，主要都表現(xiàn)為二次側(cè)負(fù)荷的快速增加，但是并網(wǎng)后，由于汽輪機(jī)DEH帶負(fù)荷5%～6%，加上廠用汽、汽輪機(jī)低功率損耗，機(jī)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(jī)或發(fā)變組保護(hù)時不至于聯(lián)鎖停堆），這會造成并網(wǎng)后的機(jī)、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(yīng)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(jī)操協(xié)調(diào)一致，適當(dāng)手動干預(yù)蒸發(fā)器水位，防止水位振蕩觸發(fā)保護(hù)動作。

1.2.3 給水主、旁閥切換

蒸發(fā)器給水主、旁調(diào)節(jié)閥間切換，我廠設(shè)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(yù)置的切換曲線來實現(xiàn)。但是因擔(dān)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(guān)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(nèi)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(guān)鍵。但是當(dāng)蒸發(fā)器水位出現(xiàn)波動時，給水流量的調(diào)節(jié)，應(yīng)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(yù)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(yù)蒸發(fā)器水位時，通過寬量程水位進(jìn)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(yù)蒸發(fā)器水位的要點

實際運(yùn)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(fù)、蒸發(fā)器水位控制系統(tǒng)故障、甩負(fù)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(jié)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(jié)合個人幾次機(jī)組大、小修期間的操作以及主控前輩的良好經(jīng)驗，總結(jié)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(yīng)的是系統(tǒng)一次側(cè)與二次側(cè)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(dāng)前（或目標(biāo)）核功率水平下的給水需求量較清楚，手動干預(yù)就是圍繞這個基準(zhǔn)流量進(jìn)行的。

（2）蒸發(fā)器水位對反應(yīng)堆功率變化十分敏感，尤其是在低功率運(yùn)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(yán)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(diào)試期間的經(jīng)驗反饋，手動干預(yù)蒸發(fā)器水位時，通過寬量程水位曲線進(jìn)行輔助判斷，能夠有效的減小虛假水位的影響。

（5）低功率運(yùn)行或機(jī)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(jī)理，對機(jī)操和堆操進(jìn)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(yù)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(jī)蒸發(fā)器水位相關(guān)模塊進(jìn)行必要的改進(jìn)?？偨Y(jié)個人多次擔(dān)任模擬機(jī)教員的經(jīng)歷，發(fā)現(xiàn)30萬機(jī)組模擬機(jī)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(xué)員通過模擬機(jī)培訓(xùn)對各種情況下蒸發(fā)器水位變化的機(jī)理與虛假水位的影響難以深刻認(rèn)識。

（3）利用模擬機(jī)復(fù)訓(xùn)的機(jī)會組織專項技術(shù)比武，鍛煉操作技術(shù)的同時，更要提高應(yīng)對重大操作或異常瞬態(tài)的心理素質(zhì)。

1.5 結(jié)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(jì)運(yùn)行有著直接關(guān)系。而設(shè)計上蒸發(fā)器水位調(diào)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(shù)難度與心理壓力，雖然電廠調(diào)試及較早燃料循環(huán)運(yùn)行期間，曾多次發(fā)生蒸發(fā)器水位保護(hù)動作的停機(jī)停堆事件，但隨著運(yùn)行人員經(jīng)驗的積累，對蒸發(fā)器水位變化機(jī)理和影響因素的清楚認(rèn)識;運(yùn)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(zhì)，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(jī)停堆。

【參考文獻(xiàn)】

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[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(yùn)行規(guī)程》.