核電水位控制系統介紹

田秘

摘 要：壓水堆核電廠由一、二次回路構成，蒸汽發生器在其中起到樞紐的作用。蒸汽發生器的水位控制在核電站的安全運行中占有重要的地位。穩壓器水位控制系統是核電站另一個重要的控制系統，與核電站的安全、穩定、可靠運行有直接關系。

關鍵詞：壓水堆；核電廠；核能

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.24.143

1 核島組成和運行原理

核電廠是利用核能生產電能的電廠。壓水堆核電廠是由一回路（包括壓水反應堆系統和反應堆冷卻劑系統）、二回路（包括動力轉換和蒸汽系統）、發電機系統、輸配電系統、循環水及其他輔助配套系統。流程圖如下圖1所示。

產生蒸汽的原理是核反應堆裂變釋放的熱能通過反應堆冷卻劑傳遞給二回路。壓水堆核電廠反應堆冷卻劑系統的構成如下圖2，每一條壓力壓力容器上的封閉環路包括至少一臺冷卻劑泵、一臺蒸汽發生器及其相應的管道。

蒸汽發生器將傳遞熱量給水使之變成高溫高壓蒸汽，驅動汽輪機帶動發電機組發電，在冷凝器內作功后的乏汽冷凝成水，凝結水泵將凝結水先輸送至低壓加熱器經加熱后進入除氧器，給水泵將除氧水送入高壓加熱器加熱后再返回蒸汽發生器，形成水的循環利用。

2 穩壓器水位控制系統

2.1 穩壓器水位控制系統的功能

一回路壓力的穩定由穩壓器控制，冷卻劑的變化由堆芯擾動和負荷的變化引起，導致載熱劑體積的變化，一回路壓力也將產生變化。一回路壓力太大將會產生嚴重后果，可能使整個回路處于危險的工況下，易管道爆管、設備因應力作用疲勞等事故。水汽化，堆芯局部沸騰等是由于壓力過低導致的，冷卻劑和燃料元件的傳熱惡化，將會出現的危險是燃料元件融化。所以一回路壓力的穩定，維持在整定目標值的范圍內直接影響核電廠的安全穩定運行，可見對穩壓器壓力控制的重要性。

通過穩壓器水位的控制，使穩壓器維持在一個適宜的水位定值上。水位過高有失去壓力控制作用的危險，也有可能出現安全閥進水的危險；水位過低有可能暴露加熱元件而燒毀的危險。

電廠正常運行時，反應堆冷卻劑系統除穩壓器上部汽空間外，其余部分充滿了水。因此穩壓器水位就代表了一回路的水裝量。電廠在冷卻降溫和升溫過程中，反應堆冷卻劑溫度Tav也將隨之發生變化，將會使反應堆冷卻劑產生體積膨脹或壓縮；在負荷瞬變過程中，由于Tav隨負荷的變化而變化，因此一回路冷卻劑的體積也隨負荷的變化而改變，此外，一回路的任何泄露也將引起冷卻劑量的減少。所有這些，都會引起穩壓器水位的變化。通過控制穩壓器的水位，來保持一回路冷卻劑的適當裝量，穩壓器水位控制系統將完成這些任務。

2.2 穩壓器水位控制的策略

穩壓器水位調節系統是一個串級調節系統，由兩個調節器組成。主調節器調節水位，水位誤差信號加上下泄流量決定給水補充流量的設定值。副調節器調節流量，它處理上充流量誤差信號，去調節上充流量調節閥來改變上充流量，以調節穩壓器水位。

函數發生器GF1通過一回路平均溫度最大值Tav，max的輸入計算出水位定值。此外，函數發生器GF2的輸入是一回路平均溫度Tav，max與根據二回路負荷而定的平均溫度參考值Tref進行比較的差值，（Tav，max-Tref）的值作為前饋信號對水位整定值進行修正，以改善系統的動態性能。

操作員也可以認為給定一個水位定制，這主要在自動給整定值元件故障時使用，水位整定值受到最低值限制。這是為了防止因水位過低加熱器裸露在汽空間而燒毀。用高選單元實現這一要求。高選單元的輸出即為水位調節器設定值。

函數發生器GF3處理的信號是水位設定值與水位測量值在加法器中進行比較誤差信號。GF3的另一作用是非線性增益環節，可以保證調節的穩定性和增大調節器的響應速度。當有小的誤差信號時他能減小增益，減少流量調節閥頻繁動作以提高調節的穩定性；有大的誤差信號時增大增益，可以加快調節系統的響應速度。

函數發生器GF3的輸出作為水位調節器（PI）的輸入，水位調節器的輸出與實測的下泄流量相加后作為上充流量的整定值輸入給函數發生器GF4。GF4的作用是對上充流量整定值進行上限、下限的限制。上限是為了保證上充泵提供給主泵的軸封水有足夠的注入壓頭，下限是為了防止下泄流因在再生熱交換器中得不到充分冷卻在下泄孔板處汽化。上充流量調節的整定值是經GF4限制后的輸出。

上充流量調節整定值與上充流量實測值的誤差信號作為流量調節器（PI）的輸入，計算出流量調節閥的指令信號。

3 蒸汽發生器水位控制

3.1 蒸汽發生器水位控制系統的作用

蒸汽發生器是壓水堆核電站主要設備之一。三臺蒸汽發生器分別裝在三條熱工回路上。反應堆芯產生的熱量傳遞給一回路的載熱劑再經蒸汽發生器傳遞給二回路的水，產生高溫高壓蒸汽帶動汽輪機做功。另外，由于一回路的水流經堆芯具有放射性，蒸汽發生器防止二回路被污染起到隔離屏障作用。

蒸汽發生器二次側水面的垂直高度即為蒸汽發生器的水位。水位有寬量程水位和窄量程水位兩種。寬量程水位在水位大范圍內變化時使用，用于測量向蒸汽發生器充水、放水操作和濕保養階段。窄量程水位的量程范圍小，刻度細，用于保護和控制。

正常運行時能維持水位在整定值的誤差范圍內；特殊情況下，通過自動或手動調整汽水流量使水位恢復到整定值誤差范圍；即為蒸汽發生器水位控制的作用。

3.2 蒸汽發生器水位控制的一般要求

（1）在穩定運行情況下，穩態偏差要小，維持蒸汽發生器的水位在整定值誤差范圍內；

（2）在升負荷工況下，當負荷以5%FP/min變化，通過自動跟蹤負荷的變化情況，維持水位在整定值誤差范圍之內；

（3）當給水流量有+10%擾動，蒸汽流量成階躍變化、冷卻劑溫度有+3℃的階躍變化時，維持水位在整定值誤差范圍之內；

壓水堆核電站中蒸汽發生器水位控制系統的構成一是蒸汽發生器給水流量調節系統，其二是主給水泵轉速調節系統。前者是對每個蒸汽發生器分別調節，流量變化比較緩慢，后者的調節對三個蒸汽發生器的給水流量都有影響，流量變化比較快，兩者相輔相成。

3.3 蒸汽發生器水位控制的功能和原理

蒸汽發生器水位控制系統的主要功能是將蒸汽發生器水位維持在整定值誤差范圍內。水位過高將會產生蒸汽帶水現象，損壞汽輪機葉片。水位過低將會出現蒸汽發生器干鍋，影響系統安全可靠運行。

蒸汽發生器的給水流量決定了每臺蒸汽發生器的水位。給水流量的調節包括主調節閥、旁路調節閥和兩臺汽動給水泵轉速調節。

3.4 蒸汽發生器水位調節系統的構成

每臺蒸汽發生器都有水位調節系統，調節水位的原理是采用通過調節安裝在每條給水管路上的兩個調節閥控制給水流量。一個是主調節閥（結構見圖4），是“高流量閥”，用于15%以上功率時的水位調節。一個是旁路調節閥，用于起動和低負荷時的水位調節，在高負荷時，保持全開。

每個水位控制回路組成為：

（1）給水流量需求信號由PID調節器的輸出信號與蒸汽流量測量信號相加而來；

（2）流量調節器，它利用給水流量需求變化和給水流量測量信號，以調整主調節閥的閥位；

（3）旁路調節閥控制通道，它附有主閥和旁路閥之間的切換系統；

（4）與反應堆緊急停堆相關聯的邏輯；

（5）“跟蹤”系統。

4 結論

本文概述了核島的基本構成，同時對穩壓器水位控制系統和蒸汽發生器水位控制系統進行了介紹，分別介紹了系統的組成、功能、大體結構，并對控制策略進行了深度解析，為核電廠水位控制提供了參考。endprint