蒸汽發生器水位控制系統簡介與常見故障及對策分析

李鐵英+華雪+黃強

【摘 要】本文以M310型650MW壓水堆機組的蒸汽發生器運行為切入點，對立式自然循環式蒸汽發生器水位控制系統分高負荷兩種運行模式進行簡要介紹，并對模擬控制圖中采用的濾波器加以分析，指出各濾波裝置對控制系統的影響。同時，根據實際運行經驗，針對常見的有關蒸汽發生器水位控制方面常見的故障加以分類說明，并給出控制建議。

【關鍵詞】蒸汽發生器水位；控制系統；故障分析

1 蒸汽發生器水位控制系統的重要性

核電廠蒸汽發生器完成一二回路的能量交換，一方面產生汽輪機做功所需的飽和蒸汽，另一方面帶走一回路核燃料所產生的熱量冷卻堆芯。M310型650MW壓水堆機組采用兩臺立式自然循環方式的蒸汽發生器完成上述功能。

對于蒸汽發生器運行來說水位控制是一項重點，即在機組運行期間要根據功率水平對蒸汽發生器水位進行控制，主要原因為：

1）如果蒸汽發生器的水位過高

水位過高將造成出口蒸汽含水量超標，加劇汽輪機的沖蝕現象，影響機組的壽命甚至使機組損壞；

水位過高還會使得蒸汽發生器內水的質量裝量增加，在蒸汽管道破裂的事故工況下，對堆芯產生過大的冷卻而導致反應性事故的發生；

如果破裂事故發生在安全殼內，大量的蒸汽將會導致安全殼的壓力、溫度快速上升，危害安全殼的密封性。

2）如果蒸汽發生器的水位過低

水位過低將會導致U型管頂部裸露，甚至可能導致給水管線出現水錘現象。這樣，堆芯余熱的導出功能將惡化。

另外，水位過低導致蒸汽了生器產生的蒸汽干度過大，影響傳熱效率。

2 蒸汽發生器水位控制系統簡介

M310型650MW汽輪發電機組蒸汽發生器水位控制系統模擬簡圖如圖1所示，每臺蒸汽發生器擁有各自獨立的水位調節系統，通過改變調節閥門的開度以改變給水流量從而達到控制水位的目的。

圖1 蒸汽發生器水位控制系統模擬簡圖

如圖1，水位控制分兩部分進行。

2.1 高負荷時蒸汽發生器水位的調節

主給水大閥在高負荷工況（功率大于18.5%Pn）對水位加以調節，此時小給水閥全開，高負荷工況下系統對蒸汽發生器實際水位、主給水流量和蒸汽實際流量加以測量。以汽機第一級沖動級壓力信號換算為汽機功率信號，同時加入汽機旁排系統并考慮其它蒸汽用戶的用量綜合起來通過GD來產生蒸汽發生器水位整定值，M310型650MW壓水堆蒸汽發生器水位整定值函數發生器如圖2所示。

圖2 水位控制曲線

GD產生的實測水位與蒸汽發生器實測水位進行比較得出水位偏差，考慮水溫信號的增益后送入水位調節器401RG（傳遞函數為K30（1+）），得出給水流調節值。另一方面實測蒸汽流量和給水流量進行比較得出汽水失配信號，汽水失配信號與給水流量調節值比較后經流量調節器后輸出給水流量調節閥大閥的開度信號用以對閥門進行調節。之所以加入汽水失配信號的原因是采用汽水失配信號反映水位變化的趨勢比水位誤差信號靈敏，是一種前饋。它的引入增加了給水流量調節的速度。

2.2 低負荷蒸汽發生器水位的調節

低負荷工況為功率小于18.5%Pn的工況，此時蒸汽發生器水位由小給水流量調節閥完成，而給水大閥因401MS1給出了一個6.5%Qn的流量偏差而保持全關狀態。

低負荷工況下與高負荷類似，同樣以汽機第一級沖動級的壓力信號與汽機旁路排放信號代表蒸汽負荷，經過401RG輸出信號校正后送入流量調節器407RG，直接得到小閥開度。

407RG圖像如圖3所示：

圖3 水位控制小閥控制曲線

需要說明的是，在停堆信號與一回路平均溫度低信號同時觸時，由函數發生器401MS2給出小閥固定開度60%（約相當于10%Qn）信號，即給水系統的極化運行，極化運行的目的是：一方面快速回復蒸汽發生器的水位，避免輔助給水泵的啟動；另一方面，限制給水的流量值，防止一回路平均溫度進一步下降。

在低負荷工況調節時加入401RG輸出信號的目的是在低負荷時，水位的膨脹及收縮現象明顯，通過給水溫度引入一個變增益環節，使得低負荷時水位調節器的增益系統減少，調節回路運行穩定性增加。

2.3 對調節系統中的各濾波裝置加以說明

為了提高整個蒸汽發生器水位調節系統的調節質量，在系統中加入了五個重要的濾波裝置。

2.3.1 實測水位濾波器402FI

傳遞函數為，T30=5s。

對水位變送器的輸出引入一個5s的延時濾波環節，目的是剔除水位變化初期的擾動影響，使水位測量值更具真實性。

2.3.2 蒸汽流量濾波器408FI

傳遞函數為，T32=10s

蒸汽質量流量信號的產生環節也引入一個具有10s延時的濾波環節，目的是在帶廠用電運行工況下，初始階段維持總的蒸汽質量流量不變，避免調節系統的不必要的動作。

2.3.3 程序水位濾波器401FI

傳遞函數為，T32=30s

為了消除帶廠用電運行方式的瞬態影響，引入了一個具有30s延時的濾波環節，從而維持該瞬態初期時水位定值不變。

2.3.4 偏置信號401MS1接入濾波器407FI

傳遞函數為，T35=100S

當高低負荷切換時，用以延緩偏置信號的接入，從而提高調節系統的穩定性。

2.3.5 低負荷工況下的實際蒸汽負荷信號濾波器413FI

傳遞函數為，T37=40S

用于減少由于蒸汽流量變化引起的水位膨脹及收縮現像而利于調節系統運行。

3 水位控制系統運行常見故障對策分析

由于蒸汽發生器水裝量（約200噸）相對于給水和蒸汽流量（約1900噸/時）較小，造成了一但水位發生異常，往往會使水位變化速度較快，必須在較短的時間內給出干預手段，否則極易引起保護系統動作最終引起停機停堆的瞬態。因此，蒸汽發生器水位控制在核電廠各控制系統運行中顯得格外重要，下面根椐常見故障分類加以分析。

3.1 儀表故障

根據蒸汽發生器水位控制簡圖可知，與水位相關的儀表故障包括：

3.1.1 實測水位儀表故障（以高漂為例）

故障現像：因實測水位高漂導致控制系統給出虛假控制信號，給水流量調節閥關小，實際水位下降并可能觸發水位低報警以提醒操縱員。

故障分析：由于實測水位虛假，使控制系統中實測水位與水位給定值產生偏差，經水位調節器401RG（PID）后給水閥門動作信號，由于401RG的積分環節使得輸出的偏差越來越大，致使最終調節閥的開度偏離也越來越大，因此必須盡快干預。

控制方法：確認故障后將調節閥切手動控制（因大小閥之間存在干擾，所以大小閥必須同時切手動控制），參照水位給定值將蒸汽發生器水位調節到給定位置，切換故障儀表后重新投入自動控制。

3.1.2 給水流量實測儀表故障（以高漂為例）

故障現像及分析：根據模擬簡圖給水實測流量高漂導致流量偏差給出負信號，經流量調節器402RG后控制系統關小給水調節閥，給水減小，水位下降。

控制方法：與水位儀表類似，切手動調節，穩定后切換到正常儀表控制并切回自動運行。

3.1.3 蒸汽流量實測儀表故障

與給水流量基本相同，干預手段也類似。不同的是，因為蒸汽流量信號中引入了壓力信號做為校正，所以當壓力校正儀表故障也會引起蒸汽流量的變化，運行時需要注意區分。

3.1.4 溫度儀表

由模擬圖可知，給水溫度的變化同樣會引起系統的響應，因溫度信號只是一個增益，引起的系統擾動相對較小，另處由于系統閉環的控制作用，最終水位還會趨于穩定。

3.1.5 汽機沖動級壓力信號故障

故障現像及分析，以壓力信號高漂為例，汽機沖動級壓力信號在蒸汽發生器水位控制系統中用于生成程序水位定值（如圖2所示），當壓力升高后表征汽機功率上升，導致程序水位增加，由模擬圖可知當高負荷時此故障不會造成大的影響，但如果在低負荷情況下，因此時大調節閥已經關閉，在錯誤的信號控制下大閥將開啟，蒸汽發生器供水大量增加，導致水位大幅波動。這種情況會同時影響到兩臺蒸汽發生器水位。

干預策略：立即將兩臺蒸汽發生器的四個控制閥（每臺對應一大一小兩個控制閥）切手動控制，將兩個大閥關閉，并以小閥來穩定水位。

實際運行中涉及的儀表類故障表現還有很多，諸如卡件故障、儀表接線故障等等，都與上述分析類似，要根據實際情況再分析處理。

3.2 其它故障

實際運行中，除了儀表信號類故障外的其它故障也有很多，則其典型加以說明。

3.2.1 機械故障如調閥卡澀

故障現像及分析：因機械原因導致的閥門卡澀，在功率變動的情況下會動蒸汽發生器水位造成影響，而穩態時理論上無影響。以升功率為例，當功率上升時也即為蒸汽的實際流量上升，由模擬圖可知流量偏差給出正值，調節閥開大，但如果卡澀則給水流量與蒸汽流量不能平衡，導致水位下降，并且伴隨差功率的進一步增加水位下降速度加快。

運行措施：確認故障原因后必須盡快停止功率變化，如果升負荷時可手動調節增加給水泵轉速以通過提高給水壓力而增加給水量，但有兩點要說明：①降負荷時不建議改減小給水泵出力，因為一但維持不住汽水壓差極易產生給水中斷發生，故障擴大。②在改變給水泵出力時同時要注意運行正常的蒸汽發生器水位，因為改變壓力對其它蒸汽發生器的水位會有影響。

如果降負荷，可通過手動減少給水小閥的開度以平衡汽水，同樣，在切手動時應大小閥同時切換。

3.2.2 手操器故障：主給水調閥RC故障。

故障現象及分析：RC故障分幾種：卡在原位動不了、輸出不斷增大、輸出不斷減小等，如果影響的水位變化較大可能會觸發水位報警。

初步處理建議：如果能調節則放手動調節，卡死不能調節則應調節主給水泵轉速同時關注2#SG水位。

4 結束語

蒸汽發生器水位控制系統較為復雜，在研究時難度偏大并且運行中涉及的問題種類繁多情況復雜，同時水位控制系統還要與為了實防止兩臺水位調節時發生耦合故障而引入的主給水轉速調節系統相配合共同完成控制任務（本文未對轉速控制系統進行討論），使得可能發生的故障點進一步增多，因此，為了更好的實現現場運行控制，出現問題還是要具體分析，集中思路將工況穩定為先。

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[責任編輯：王楠]