基于CPR1000與華龍一號(hào)核電機(jī)組蒸汽發(fā)生器水位控制差異性的培訓(xùn)策略淺析

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(duì)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(duì)核電廠的安全運(yùn)行至關(guān)重要。

在核電機(jī)組運(yùn)行實(shí)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(duì)較復(fù)雜等原因，國(guó)內(nèi)核電機(jī)組曾多次出現(xiàn)因蒸汽發(fā)生器水位異常導(dǎo)致停機(jī)停堆的情況。CPR1000和華龍一號(hào)兩種技術(shù)路線對(duì)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(hào)生產(chǎn)技術(shù)人員尤其是運(yùn)行人員大部分都具有豐富的CPR1000機(jī)組工作經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)儲(chǔ)備，因此對(duì)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(jìn)培訓(xùn)策略，對(duì)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(jī)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(tái)蒸汽發(fā)生器水位控制系統(tǒng)配置一個(gè)主調(diào)節(jié)閥（大閥）和一個(gè)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(shí)現(xiàn)機(jī)組高、低負(fù)荷水平下的給水流量的自動(dòng)控制。小閥設(shè)計(jì)容量為滿負(fù)荷額定給水流量的20%，用于機(jī)組啟動(dòng)和低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)控制給水流量，在機(jī)組高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)保持全開(kāi)。大閥用于機(jī)組高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)調(diào)節(jié)給水流量，在機(jī)組啟動(dòng)和低負(fù)荷時(shí)保持關(guān)閉。

圖1 CPR1000給水系統(tǒng)流程簡(jiǎn)圖

1.2 控制策略

CPR1000機(jī)組蒸汽發(fā)生器水位整定值隨負(fù)荷而變：在0%負(fù)荷時(shí)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(shí)，水位設(shè)定值恒定為50%NR。對(duì)每臺(tái)蒸汽發(fā)生器而言，其水位的調(diào)節(jié)是通過(guò)控制進(jìn)入該蒸汽發(fā)生器的給水流量來(lái)完成的。

高負(fù)荷(＞20%FP)運(yùn)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(gè)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(guò)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(hào)共同作為PID水位調(diào)節(jié)器的輸入信號(hào)。給水流量測(cè)量值與經(jīng)過(guò)校正后的蒸汽流量測(cè)量值分別送入ZO加法器中相比較，得到汽水失配信號(hào)，該信號(hào)與來(lái)自PID水位調(diào)節(jié)器輸出的給水流量信號(hào)在加法器中求和后，被傳送到PI流量調(diào)節(jié)器，輸出對(duì)應(yīng)的大閥的開(kāi)度信號(hào)，控制大閥的開(kāi)度，從而改變給水流量以控制蒸汽發(fā)生器的水位。

在機(jī)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(lái)控制。因?yàn)樾￠y的開(kāi)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(hào)作為參考負(fù)荷，經(jīng)過(guò)GD函數(shù)發(fā)生器后給出小閥的開(kāi)度信號(hào)，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(wú)擾切換是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要考慮的主要問(wèn)題之一。觸發(fā)高、低負(fù)荷下控制切換的信號(hào)是上述蒸汽發(fā)生器總蒸汽流量表征的負(fù)荷信號(hào)。當(dāng)負(fù)荷低于20%FP時(shí)偏置信號(hào)被引入，一個(gè)負(fù)的虛擬偏置信號(hào)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(hào)的作用是為了避免大閥調(diào)和小閥同時(shí)發(fā)揮調(diào)節(jié)功能。當(dāng)負(fù)荷提升到高于20%時(shí)偏置信號(hào)被切除，從而使大閥恢復(fù)正常的流量控制，而此時(shí)小閥為全開(kāi)狀態(tài)。

2 華龍一號(hào)核電機(jī)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(tái)蒸汽發(fā)生器水位控制系統(tǒng)配置三個(gè)調(diào)節(jié)閥，分別為低低負(fù)荷調(diào)節(jié)閥（VLLCV，簡(jiǎn)稱極小閥）、低負(fù)荷調(diào)節(jié)閥（LLCV，簡(jiǎn)稱小閥）和滿負(fù)荷調(diào)節(jié)閥（FLCV，簡(jiǎn)稱大閥）。極小閥用于在啟動(dòng)和停堆階段AAD給蒸汽發(fā)生器供水時(shí)，控制蒸汽發(fā)生器水位。當(dāng)機(jī)組負(fù)荷大于2%滿負(fù)荷時(shí)極小閥處于關(guān)閉狀態(tài)，給水流量通過(guò)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(shí)控制蒸汽發(fā)生器水位。此時(shí)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(shí)控制蒸汽發(fā)生器水位。此時(shí)小閥全開(kāi)。

圖2 華龍一號(hào)給水系統(tǒng)流程簡(jiǎn)圖

2.2 控制策略

華龍一號(hào)機(jī)組蒸汽發(fā)生器水位整定值在負(fù)荷0%變化到100%時(shí)，水位設(shè)定值恒定為50%NR；如果發(fā)生反應(yīng)堆停堆，會(huì)記憶停堆前的堆功率，根據(jù)此功率生成一個(gè)定值，蒸汽發(fā)生器水位整定值50%NR減去此定值生成一個(gè)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(hào)消失后，水位定值會(huì)以恒定速率恢復(fù)至正常值50%NR。

類似于CPR1000，華龍一號(hào)蒸汽發(fā)生器水位控制也通過(guò)改變進(jìn)入該蒸汽發(fā)生器的給水流量來(lái)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(guò)程使用的儀表不同。蒸汽發(fā)生器水位測(cè)量值與整定值相比較，水位偏差經(jīng)過(guò)PID水位調(diào)節(jié)器計(jì)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(jī)參考負(fù)荷或蒸汽流量測(cè)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(shí)的蒸汽流量。當(dāng)負(fù)荷小于20%FP時(shí)，汽機(jī)參考負(fù)荷（代表實(shí)際的蒸汽流量）會(huì)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(jī)參考負(fù)荷，而右端輸入為0，因?yàn)閷?shí)測(cè)的蒸汽流量此時(shí)也應(yīng)小于蒸汽流量切換整定值，所以功率小于20%FP時(shí)ZO加法器的輸出即為汽機(jī)參考負(fù)荷。

當(dāng)負(fù)荷大于20%FP時(shí)，汽機(jī)參考負(fù)荷會(huì)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(shí)測(cè)的蒸汽流量－蒸汽流量切換整定值。因?yàn)閷?shí)測(cè)的蒸汽流量此時(shí)也應(yīng)大于蒸汽流量切換整定值。所以，負(fù)荷大于20%FP時(shí)ZO加法器的輸出即為經(jīng)過(guò)蒸汽壓力修正的蒸汽流量測(cè)量值。

給水流量測(cè)量值在低負(fù)荷時(shí)使用低負(fù)荷管線流量測(cè)量值作為輸入，在高負(fù)荷時(shí)使用滿負(fù)荷管線流量測(cè)量值作為輸入。高、低負(fù)荷給水流量的切換通過(guò)給水流量切換整定值實(shí)現(xiàn)，流量計(jì)的切換是自動(dòng)進(jìn)行的，類似于汽機(jī)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(cè)量值相比較得到給水需求流量偏差，再經(jīng)過(guò)PI流量調(diào)節(jié)器進(jìn)行運(yùn)算以保證調(diào)節(jié)精度，經(jīng)過(guò)兩個(gè)GD函數(shù)發(fā)生器得到閥門開(kāi)度信號(hào)，分別控制小閥和大閥開(kāi)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(hào)分別通過(guò)兩個(gè)GD函數(shù)發(fā)生器送給小閥和大閥，保證閥門開(kāi)度為線性：小于20%FP時(shí)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(kāi)，由大閥調(diào)節(jié)蒸汽發(fā)生器水位。此無(wú)擾切換過(guò)程的實(shí)現(xiàn)，是通過(guò)在大閥的GD函數(shù)發(fā)生器前設(shè)定一個(gè)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(kāi)的時(shí)候才開(kāi)始逐漸線性開(kāi)啟。

3 差異性對(duì)比

作為三代核電技術(shù)的華龍一號(hào)蒸汽發(fā)生器水位控制系統(tǒng)，其總體設(shè)計(jì)思路與二代改進(jìn)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(hào)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(méi)有為低負(fù)荷工況下的控制配置專用的測(cè)量參數(shù)，在低負(fù)荷下通過(guò)采用計(jì)算得出的總蒸汽流量作為給水流量控制的前饋，同時(shí)引入水位調(diào)節(jié)器的輸出，再經(jīng)過(guò)GD函數(shù)發(fā)生器輸出閥門開(kāi)度信號(hào)；華龍一號(hào)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(cè)量參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)控制邏輯。配置低負(fù)荷下專門的測(cè)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(hào)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(jī)+ADG+GCT）對(duì)應(yīng)的負(fù)荷信號(hào)作為切換依據(jù)，切換點(diǎn)為20%FP。但華龍一號(hào)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(cè)量參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)控制邏輯，因此通過(guò)設(shè)定高/低負(fù)荷閥門切換定值，經(jīng)巧妙的邏輯設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)華龍一號(hào)高、低負(fù)荷控制的切換。

4 培訓(xùn)策略

根據(jù)差異性對(duì)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(hào)蒸汽發(fā)生器水位控制異同點(diǎn)，根據(jù)培訓(xùn)對(duì)象的工作經(jīng)歷及時(shí)調(diào)整培訓(xùn)策略，尤其是根據(jù)對(duì)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(diǎn)講解，以減少工作失誤，提升人因績(jī)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(shí)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(shí)現(xiàn)了小閥如果進(jìn)入跟蹤模式，需要是低負(fù)荷及自身切手動(dòng)。如果正常負(fù)荷時(shí)需要負(fù)荷大于20%且大閥自身切到手動(dòng)。

培訓(xùn)過(guò)程中應(yīng)針對(duì)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(dòng)狀態(tài)相同和不同時(shí)，閥門開(kāi)度指令之間是否存在相互干擾。根據(jù)核電機(jī)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(dòng)切換操作時(shí)，應(yīng)注意手動(dòng)干預(yù)SG水位時(shí)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(shí)放手動(dòng)。注意，為避免混淆歧義，切忌長(zhǎng)時(shí)間將一個(gè)閥門處于手動(dòng)而另一個(gè)放自動(dòng)。

4.2 華龍一號(hào)蒸汽發(fā)生器水位控制切換的培訓(xùn)策略

華龍一號(hào)ARE閥門跟蹤邏輯的目的是實(shí)現(xiàn)ARE大小閥手自/動(dòng)無(wú)擾切換，避免閥門突然動(dòng)作。自動(dòng)切為手動(dòng)后，在施加手動(dòng)作用前，閥位保持在切換前自動(dòng)信號(hào)決定的位置，不存在擾動(dòng)問(wèn)題；但由手動(dòng)切向自動(dòng)時(shí)，原決定于手動(dòng)作用的閥位一般與自動(dòng)裝置計(jì)算出的閥位不一致，就有可能產(chǎn)生擾動(dòng)問(wèn)題。一般采用跟蹤信號(hào)方法來(lái)保證手動(dòng)切向自動(dòng)時(shí)不產(chǎn)生擾動(dòng)。DCS采用PID調(diào)節(jié)器自身功能實(shí)現(xiàn)跟蹤及無(wú)擾切換。

根據(jù)核電機(jī)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(dòng)切換操作時(shí)應(yīng)注意：在低功率情況下，如放小閥手動(dòng)、建議將大閥也切換到手動(dòng)控制（大閥在自動(dòng)、小閥放手動(dòng)，如功率偏低，一旦大閥自動(dòng)調(diào)節(jié)過(guò)程中關(guān)閉，大閥會(huì)始終保持關(guān)閉狀態(tài)，不能夠重新開(kāi)啟）；在高功率下，如將小閥放手動(dòng)、建議保持大閥在自動(dòng)位置，此時(shí)大閥能夠響應(yīng)蒸汽發(fā)生器水位的變化，減少手動(dòng)干預(yù)中的風(fēng)險(xiǎn)。

5 結(jié)語(yǔ)

核電機(jī)組運(yùn)行實(shí)踐中曾多次出現(xiàn)因蒸汽發(fā)生器水位異常導(dǎo)致非計(jì)劃停機(jī)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(duì)CPR1000和華龍一號(hào)核電機(jī)組蒸汽發(fā)生器水位控制系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比分析，以便在培訓(xùn)中根據(jù)培訓(xùn)對(duì)象的工作經(jīng)歷及時(shí)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(hào)蒸汽發(fā)生器水位調(diào)節(jié)原理和差異性，對(duì)夯實(shí)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。