CPR1000核電機(jī)組APA泵RUNBACK時(shí)蒸汽發(fā)生器水位控制策略優(yōu)化

季宗濤,黃永貴,王 磊

(陽江核電有限公司,廣東 陽江 529941)

CPR1000機(jī)組調(diào)試期間執(zhí)行APA RUNBACK試驗(yàn)均在80%Pn及以下進(jìn)行，國內(nèi)某核電廠1號(hào)機(jī)組在78%Pn平臺(tái)執(zhí)行APA泵RUNBACK試驗(yàn)中蒸汽發(fā)生器液位最低到達(dá)-0.85 m，2號(hào)機(jī)組在76%Pn平臺(tái)執(zhí)行試驗(yàn)中蒸汽發(fā)生器液位最低到達(dá)-0.74 m，較其他核電廠試驗(yàn)數(shù)據(jù) (-0.5～0.6 m)偏低，針對(duì)此異常本文分析導(dǎo)致液位較其他基地偏低的原因并提出優(yōu)化方案，通過在后續(xù)機(jī)組進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 原理介紹

1.1 蒸汽發(fā)生器水位控制原理

CPR1000機(jī)組有3臺(tái)蒸汽發(fā)生器，對(duì)于每臺(tái)蒸汽發(fā)生器而言，其水位的調(diào)節(jié)是通過控制進(jìn)入該蒸汽發(fā)生器的給水流量來完成的。3臺(tái)蒸汽發(fā)生器的給水母管是共用的，如果只是單獨(dú)采用水位調(diào)節(jié)方式，當(dāng)一臺(tái)蒸汽發(fā)生器的水位偏離整定值而需要改變給水調(diào)節(jié)閥的開度以改變給水流量時(shí)，將會(huì)引起給水母管壓力的改變，而此時(shí)另外兩臺(tái)蒸汽發(fā)生器的給水調(diào)節(jié)閥開度并沒有改變，因而其給水流量因給水母管壓力的變化而產(chǎn)生變化，在這兩臺(tái)蒸汽發(fā)生器內(nèi)將出現(xiàn)汽-水流量不平衡狀況，從而發(fā)生了水位的波動(dòng)。為了避免這種相互間的不良影響，引入了給水泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)給水泵的轉(zhuǎn)速使得給水閥的壓降在正常的負(fù)荷變化范圍內(nèi)維持近似恒定，從而優(yōu)化給水調(diào)節(jié)閥的工作條件，如圖1所示。

圖1 給水泵調(diào)節(jié)系統(tǒng)原理簡圖Fig.1 Schematic of feedwater pump regulation system

1.2 液位測(cè)量原理

每臺(tái)蒸汽發(fā)生器都裝有四個(gè)窄量程液位測(cè)量變送器，在蒸汽發(fā)生器殼體上設(shè)置2個(gè)不同高度的液位變送器接管，與下降通道連通，它們距管板上表面的高度分別為11.27 m、14.87 m。

窄量程液位從下圖可以看出，其測(cè)量范圍在旋葉分離器側(cè)。

1.3 參數(shù)計(jì)算

下文中需用到APA供水量與蒸汽發(fā)生器液位關(guān)系，因而需計(jì)算蒸汽發(fā)生器在液位變送器量程內(nèi)的有效截面積。

圖2 蒸汽發(fā)生器液位測(cè)量Fig.2 Steam generator level measurement

蒸汽發(fā)生器液位測(cè)量的位置包括16個(gè)旋葉分離器。其中蒸汽發(fā)生器內(nèi)徑D1為4 280 mm，旋葉分離器外徑D2為508 mm。

理論計(jì)算液位測(cè)量處的有效截面積:

圖3為蒸汽發(fā)生器液位測(cè)量量程內(nèi)的截面圖，圖中圓柱狀為旋葉汽水分離器。

根據(jù)變送器差壓計(jì)算書，下降管水密度ρ為740 kg/m3。

圖3 蒸汽發(fā)生器液測(cè)量截面Fig.3 The cross-section of steam generator level measurement

2 原因分析

造成蒸汽發(fā)生器液位降低的因素如下:

1)壓水效應(yīng):甩負(fù)荷后，負(fù)荷的突然減小將導(dǎo)致蒸汽壓力上升，在上升通道中，部分蒸汽被凝結(jié)成水，使得汽泡產(chǎn)生的量和尺寸減小，使循環(huán)流動(dòng)阻力減小，循環(huán)流量增加，從而使下降通道的水位下降。

2)汽水失配:蒸汽流量大于給水流量導(dǎo)致液位下降。

3)溫度影響:給水流量增大，造成蒸汽發(fā)生器水位因溫度降低短時(shí)間收縮，液位下降。

試驗(yàn)期間給水溫度基本不變，下面針對(duì)壓水效應(yīng)和汽水失配影響進(jìn)行分析。

2.1 壓水效應(yīng)的影響分析

壓水效應(yīng)由蒸汽流量的快速變化導(dǎo)致:蒸汽流量的快速減小或增加導(dǎo)致蒸汽發(fā)生器內(nèi)流動(dòng)特性改變，正常瞬態(tài)試驗(yàn)時(shí)汽機(jī)負(fù)荷的快速變化和GCT(汽輪機(jī)旁路系統(tǒng))的開關(guān)都會(huì)導(dǎo)致蒸汽流量的變化，進(jìn)而導(dǎo)致液位的變化;壓水效應(yīng)影響液位變化量的計(jì)算非常復(fù)雜，尚沒有模型能夠仿真計(jì)算，根據(jù)多次試驗(yàn)可總結(jié)如下:

1)汽機(jī)甩負(fù)荷后，壓水效應(yīng)發(fā)生在蒸汽流量快速變化階段，汽機(jī)負(fù)荷快速下降時(shí)，只要GCT開啟后，其壓水效應(yīng)就會(huì)減小。

2)APA泵RUNBACK試驗(yàn)中蒸汽壓力變化較瞬態(tài)試驗(yàn)略慢，比較各個(gè)核電廠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)在蒸汽壓力變化基本一致時(shí)，所用時(shí)間越短其水位最低值則最小。

3)調(diào)查此核電廠50%與100%瞬態(tài)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，同一瞬態(tài)試驗(yàn)壓水效應(yīng)隨著試驗(yàn)平臺(tái)的降低而減小;各平臺(tái)瞬態(tài)試驗(yàn)時(shí)給水充足，蒸汽發(fā)生器液位瞬時(shí)下降由壓水效應(yīng)引起，最大為-0.58 m。

2.2 汽水失配的影響分析

影響汽水失配的因素有:

1)給水泵的帶載能力。調(diào)查此核電廠單臺(tái)APA泵的帶載能力為3 800～3 900 t/h;

2)APA轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)性能;根據(jù)76%Pn平臺(tái)APA泵RUNBACK試驗(yàn)，轉(zhuǎn)速設(shè)定值升至最高所用時(shí)間為32 s，有優(yōu)化空間。

3)APG(蒸汽發(fā)生器排污系統(tǒng))排污流量。

試驗(yàn)時(shí)APG排污將導(dǎo)致汽水失配增加，目前APG排污流量一般都設(shè)定在最大值70t/h。

3 改進(jìn)措施

3.1 減小汽水失配的措施和影響分析:

(1)泵的給水能力

泵的給水能力由其機(jī)械和電氣性能決定，無法提高。

(2)APG排污流量

APA泵RUNBACK試驗(yàn)時(shí)，將APG立即暫時(shí)隔離停運(yùn)可減小汽水失配。

圖4 2號(hào)機(jī)組76%Pn APA泵甩負(fù)荷試驗(yàn)APA實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速變化趨勢(shì)Fig.4 Variation trend of APA measured speed in load rejection test of 76%Pn APA pump of Unit2

(3)APA轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)性能

100%功率平臺(tái)APA泵聯(lián)啟試驗(yàn)時(shí)備用泵啟動(dòng)后僅需6 s即可從零升至最高轉(zhuǎn)速。因此若76%Pn平臺(tái)APA跳泵甩負(fù)荷時(shí)將另一臺(tái)泵轉(zhuǎn)速設(shè)定值直接升至最高轉(zhuǎn)速，即可迅速調(diào)高給水流量，增加的給水量如下圖藍(lán)色區(qū)域:

圖5 增加的給水量Fig.5 Increased water supply

3.2 減小壓水效應(yīng)的措施

根據(jù)壓水效應(yīng)形成原因可知通過降低汽機(jī)甩負(fù)荷速率能夠減小其影響，但汽機(jī)負(fù)荷下降過慢也會(huì)導(dǎo)致汽水失配量增加，因此兩者之間需尋求一平衡點(diǎn)。調(diào)查此核電廠1～4號(hào)機(jī)組汽輪機(jī)為西門子供貨，目前1～4號(hào)機(jī)組汽輪機(jī)各項(xiàng)調(diào)節(jié)參數(shù)都在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)且都已通過試驗(yàn)驗(yàn)證，已不能通過修改汽機(jī)調(diào)節(jié)特性來減小壓水效應(yīng)影響。

4 液位變化理論計(jì)算

影響瞬態(tài)試驗(yàn)蒸汽發(fā)生器水位的是汽水失配及壓水效應(yīng)，因此評(píng)估85%Pn執(zhí)行APA泵RUNBACK試驗(yàn)液位就需要獲得蒸汽流量與給水流量的值，給水流量可通過76%Pn平臺(tái)下APA轉(zhuǎn)速最高值獲得，而蒸汽流量根據(jù)熱交換原理，通過一回路的熱量可計(jì)算出二回路蒸汽流量。2號(hào)機(jī)85%Pn APA泵甩負(fù)荷試驗(yàn)可行性分析如下:

4.1 試驗(yàn)開始50s時(shí)數(shù)據(jù)分析

(1)蒸汽流量計(jì)算

1)85%Pn時(shí)熱功率為2 462 MW，給水溫度222.5℃，焓值為956.6 kJ/kg，蒸汽溫度為282.8℃，焓值為2 778 kJ/kg。

2)50 s后熱功率至2 014 MW，給水溫度由222.5℃下降至200℃，焓值為854 kJ/kg，蒸汽溫度為285℃，焓值為2 773 kJ/kg，

以2號(hào)機(jī)76%數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，50 s時(shí)產(chǎn)生的熱功率總共101 333.29×103kJ，以此數(shù)據(jù)推算85%平臺(tái)執(zhí)行試驗(yàn)50 s后產(chǎn)生的熱量ΔW1-1為:

根據(jù)能量守恒的公式:

一回路產(chǎn)生熱量ΔW1=二回路消耗熱量ΔW2

ΔW1=堆芯熱量ΔW1-1-一回路循環(huán)水吸收熱量ΔW。

ΔW2=(飽和蒸汽平均焓值H汽-給水平均焓值H水)×3×單環(huán)蒸汽量Q汽+APG帶走熱量+蒸汽發(fā)生器內(nèi)循環(huán)水吸收熱量。

試驗(yàn)過程中，給水溫度200℃，給水焓值為854 kJ/kg，二次側(cè)飽和水溫度在282.8～285℃之間，飽和水焓值在1 249～1 263 kJ/kg，相差很小;同時(shí)APG流量保持70 t/h，單臺(tái)蒸汽發(fā)生器內(nèi)循環(huán)水以80 t計(jì)算。

50 s后蒸汽發(fā)生器內(nèi)循環(huán)水吸收熱量:

一回路循環(huán)水吸收熱量:

在此平臺(tái)下未知一回路過熱情況，將ΔW(一回路循環(huán)水吸收熱量)與76%Pn平臺(tái)近似。

ΔW=2220×103 kJ

計(jì)算單環(huán)蒸汽消耗量Q汽:

Q汽=(二回路消耗熱量/((飽和蒸汽的平均焓值H汽-給水的平均焓值

(2)給水量計(jì)算

以76%平臺(tái)給水流量趨勢(shì)計(jì)算85%平臺(tái)執(zhí)行試驗(yàn)后50s后的給水量:

85%PnAPA泵甩負(fù)荷試驗(yàn)可行性分析綜述:蒸汽量為18.94 t，給水量約為15.466 t，單環(huán)APG消耗量0.323 t，汽水失配量ΔQ約3.797 t。

液位下降量Δh:

當(dāng)85%Pn APA泵甩負(fù)荷時(shí)壓水效應(yīng)會(huì)影響-0.58 m的水位，疊加汽水失配則下降至-1.041 m的水位。

1)優(yōu)化轉(zhuǎn)速邏輯，85%Pn平臺(tái)蒸汽發(fā)生器液位最低值可縮減到-0.861 m。

2)試驗(yàn)時(shí)立即將APG隔離，可使蒸汽發(fā)生器液位最低值可再縮減到-0.822 m。

4.2 試驗(yàn)開始60 s時(shí)數(shù)據(jù)分析

同理，以2號(hào)機(jī)組76%數(shù)據(jù)進(jìn)行分析:

單環(huán)APG消耗量0.389t，汽水失配量ΔQ為3.8 t，液位下降量 Δh:Δh=ΔQ/ρ/S=0.461 m

當(dāng)85%Pn APA泵甩負(fù)荷時(shí)壓水效應(yīng)會(huì)影響-0.58 m的水位，疊加汽水失配則下降至-1.041 m的水位。

1)優(yōu)化轉(zhuǎn)速邏輯，85%Pn平臺(tái)蒸汽發(fā)生器液位最低值可縮減到-0.861 m。

2)試驗(yàn)時(shí)立即將APG隔離，可使蒸汽發(fā)生器液位最低值可再縮減到-0.814 m。

4.3 試驗(yàn)開始70 s時(shí)數(shù)據(jù)分析

同理，以2號(hào)機(jī)組76%數(shù)據(jù)進(jìn)行分析:

給水量計(jì)算:Q水=22.3 t

單環(huán)APG消耗量0.454 t，汽水失配量ΔQ為3.7 t，

液位下降量Δh:Δh=ΔQ/ρ/S=0.449 m

當(dāng)85%Pn APA泵甩負(fù)荷時(shí)壓水效應(yīng)會(huì)影響-0.58 m的水位，疊加汽水失配則下降至-1.029 m的水位。

1)優(yōu)化轉(zhuǎn)速邏輯，85%Pn平臺(tái)蒸汽發(fā)生器液位最低值可縮減到-0.861 m。

2)試驗(yàn)時(shí)立即將APG隔離，可使蒸汽發(fā)生器液位最低值可再縮減到-0.793 m。

5 驗(yàn)證

將上述方案在核電廠3號(hào)機(jī)組進(jìn)行實(shí)施并通過85%Pn平臺(tái)進(jìn)行驗(yàn)證，APA轉(zhuǎn)速設(shè)定值在1 s內(nèi)快速上升至5 254 r/min，相關(guān)參數(shù)如下表所示。

表1 此核電廠3號(hào)機(jī)組85%Pn試驗(yàn)蒸汽發(fā)生器相關(guān)參數(shù)Table 1 Steam generator related parameters during the 85%Pn test of Unit3 of the nuclear power plant

85%Pn平臺(tái)試驗(yàn)與理論計(jì)算非常一致，由于SG1和SG3的實(shí)際供水能力 (管道布置不同)要大于理論計(jì)算，因此SG1/SG3實(shí)際液位比理論計(jì)算略高。

6 結(jié) 論

根據(jù)此核電廠3號(hào)機(jī)組85%Pn平臺(tái)APA快速甩負(fù)荷試驗(yàn)結(jié)果，執(zhí)行控制邏輯優(yōu)化有利于APA RUNBACK試驗(yàn)時(shí)ARE蒸汽發(fā)生器水位控制調(diào)節(jié)，試驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算符合一致。