壓水堆核電站蒸汽發生器水位控制淺析

歐陽毅

摘 要：核能將是我國21世紀的主要能源，壓水堆核電站中蒸汽發生器的水位控制是主控室操縱員的核心工作。本文重點分析主控室操縱員手動干預蒸汽發生器水位控制的方法。

關鍵詞：蒸汽發生器；手動干預；水位控制

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.11.076

0 引言

蒸汽發生器是壓水堆核電站主控室操縱員在生產活動中重點關注的設備。蒸汽發生器既是一回路的組成部分，又屬于二回路組成部分[1]。鑒于蒸汽發生器的重要性，主控室操縱員必須時刻關注蒸汽發生器的運行情況。本文的分析主要針對M310核電機組立式U型管蒸汽發生器。

在蒸汽發生器運行過程中，如果水位過低，堆芯余熱導出功能將惡化，會導致U型管頂部裸露，引起管束傳熱惡化，造成管板熱沖擊，甚至引起蒸汽進入給水環管，在給水管道中產生危險的汽錘現象；如果水位過高，會導致飽和蒸汽含水量過高，對汽輪機內設備產生沖蝕，影響設備使用壽命甚至損壞設備，同時水位過高會使得蒸汽發生器水裝量增加，如果發生蒸汽管道破裂事故，會對堆芯產生過大的冷卻而導致發生反應性事故，如果破口發生在安全殼內，產生的蒸汽將危害安全殼作為第三道屏障的安全性[2]。

1 水位自動控制系統

1.1 蒸汽發生器水位測量

蒸汽發生器通常由外殼、U型傳熱管、管板、隔板、管束圍板、管束支撐板、旋葉式汽水分離器、蒸汽干燥器等部件組成，一回路冷卻劑在U型管內流動，二回路水經倒J型管進入蒸汽發生器，與旋葉式汽水分離器分離出的飽和水混合，經U型管傳熱區的管束圍板與蒸汽發生器筒體所形成的環形下降通道向下流動，然后在U型管傳熱區的上升通道中向上流動，同時吸收一回路冷卻劑經U型管傳遞的熱量，過冷水吸收熱量后變為飽和水和飽和蒸汽的混合物，經旋葉式汽水分離器和蒸汽干燥器分離后，飽和蒸汽進入汽輪機，飽和水與二回路給水混合后又沿環形下降通道開始自然循環，自然循環流動的驅動壓頭是二回路水在下降通道和上升通道中因密度差而產生的壓差，驅動壓頭同時能夠克服蒸汽發生器內汽水混合物在流道中摩擦阻力[3]。

蒸汽發生器水位測量通常通過測量壓差的原理來實現，設置在下降通道環形空間，水位控制系統所用的水位計0%水位設置在管板上表面以上的11.27m處，全量程為3.6m。

1.2 蒸汽發生器水位控制系統

蒸汽發生器水位串級控制系統分為主回路和副回路。選取水位作為主被控參數，因為維持水位在整定值是系統的控制目標。選取給水流量作為副被控參數，因為控制系統的執行機構直接調節給水流量。蒸汽發生器水位串級控制系統主回路的輸出作為副回路的輸入。M310核電機組蒸汽發生器水位串級控制系統的主調節器通常采用PID控制，副調節器通常采用PI控制。

2 手動干預水位控制

根據大修期間蒸汽發生器充水時的實測數據可知，蒸汽發生器水位測量裝置所對應的蒸汽發生器內部自由空間截面積約12 m2，蒸汽發生器水位控制系統的整定水位為0m，所用的水位計0%水位對應-1.8m，100%水位對應1.8m，整定水位至量程上下限分別對應的水裝量約21.6 m3。可以看出蒸汽發生器蒸汽流量和給水流量的偏差過大很容易導致蒸汽發生器水位波動，甚至觸發水位保護信號動作，水位高于0.9m（整定水位至0.9m對應的水裝量約10.8 m3）會導致汽輪機跳閘，水位低于-1.26m（整定水位至-1.26m對應的水裝量約15.12 m3）會導致反應堆跳閘。

正常情況下，主控室操縱員不需手動干預蒸汽發生器水位控制系統，但出現相關故障或事故時，需要主控室操縱員手動控制蒸汽發生器水位。水位異常的根本原因是蒸汽流量和給水流量不平衡，主控室操縱員在手動控制蒸汽發生器水位時，首先調節給水流量趨近蒸汽流量（同時用蒸汽發生器的排污流量計算進出平衡），最重要的是防止蒸汽發生器水位繼續惡化，而不是盡快將蒸汽發生器水位調節至整定水位。直到水位變化幅度減小并趨于穩定后，控制蒸汽流量和給水流量的偏差在100 m3/h之內，才能通過緩慢調節使蒸汽發生器水位趨近整定水位。

當給水溫度130℃，水的密度0.935t/m3時，將蒸汽流量和給水流量的偏差控制在100m3/h，那么蒸汽發生器水位變化1m對應的時間約6.7min；當給水溫度226℃，水的密度0.839t/m3時，將蒸汽流量和給水流量的偏差控制在100m3/h，那么蒸汽發生器水位變化1m對應的時間約5.5min。如果蒸汽流量和給水流量的偏差大于100m3/h，蒸汽發生器水位變化1m對應的時間會小于5.5min，為了避免人因導致蒸汽發生器水位保護系統觸發，留給主控室操縱員手動調節蒸汽發生器水位的時間會相當緊迫。

總之，主控室操縱員手動控制蒸汽發生器水位期間，需盡量維持機組功率穩定，即保持蒸汽流量穩定，通常情況下只通過改變給水流量來調節蒸汽流量和給水流量的偏差，以避免同時引入多種影響水位的干擾因素。

3 總結

蒸汽發生器是壓水堆核電站主控室操縱員在生產活動中重點關注的設備。蒸汽發生器的水位控制是主控室操縱員的核心工作。蒸汽發生器水位控制系統能自動將水位維持在整定值。當出現相關故障或事故時，主控室操縱員需要將蒸汽發生器水位控制系統置于手動狀態，首先調節給水流量趨近蒸汽流量（同時用蒸汽發生器的排污流量計算進出平衡），防止蒸汽發生器水位繼續惡化，待水位穩定后，再緩慢調節使蒸汽發生器水位趨近整定水位，待處理好故障或事故，最后將蒸汽發生器水位控制系統置于自動狀態。

參考文獻：

[1]蒸汽發生器編寫組.蒸汽發生器[M].北京：原子能出版社，1982：112-114.

[2]張建民.壓水堆核電站控制[M].西安：西安交通大學出版社，1998：156-165.

[3]濮繼龍.大亞灣核電站運行教程[M].北京：原子能出版社，1999：88-112.