三門1#機組硼酸配比回路優化

田繼棟

（三門核電有限公司，浙江臺州 317112）

0 引言

三門1#機組采用非能動三代壓水堆技術，相比二代壓水堆，系統、設備數量明顯減少。與二代壓水堆比較，三門1#機組的硼酸配比回路簡化明顯，取消了容控箱等設備，使用三通閥將硼酸和除鹽水混合配出目標硼濃度的硼酸溶液。實際運行中經常出現硼酸偏差報警，即配出的硼酸溶液濃度偏離目標硼濃度超過87.5×10-6。通過分析硼酸偏差報警產生的原因，在保留原設計優點的基礎上對硼酸配比回路進行適當優化，消除硼偏差報警。

1 三門1#機組硼酸配比回路原設計

三門1#機組硼酸配比回路主要由三通閥、除鹽水減壓閥、硼酸流量表、除鹽水流量表等溝通（圖1）。通過該回路配制濃度自0～4500×10-6的硼酸溶液，滿足一回路、非能動系統、乏池等系統、設備的需求。

硼酸儲存箱位于地面層，箱內儲存有4375×10-6（2.5%）的濃硼酸，靠重力提供硼酸驅動力，將硼酸補至三通閥的入口；除鹽水母管壓力約為0.8 MPa（g），通過除鹽水減壓閥降低至0.11～0.12 MPa（g），將除鹽水補至三通閥入口。硼酸和除鹽水在三通閥內混合成一定濃度的硼酸溶液，通過補水泵補至一回路、乏池和非能動系統等處。

圖1 硼酸配比回路原設計

2 硼酸偏差報警及其原因

根據設計，三通閥連接的硼酸管線壓力由硼酸儲存箱液位重力提供，除鹽水管線經過減壓閥減壓后壓力與硼酸管線壓力大致相同，因此調節三通閥開向硼酸和除鹽水的開度，即可獲取目標濃度的硼酸溶液。

因為目標硼濃度=（硼酸流量×硼酸儲存箱硼濃度）/（硼酸流量+除鹽水流量），所以目標硼濃度/硼酸儲存箱硼濃度=硼酸流量/（硼酸流量+除鹽水流量）。這樣，SP=目標硼濃度/硼酸儲存箱硼濃度，目標硼濃度確定后，SP 值是固定的；PV=硼酸流量/（硼酸流量+除鹽水流量），補水總流量（即“硼酸流量+除鹽水流量”）確定后，PV隨著硼酸流量變化；目標硼濃度和補水總流量確定后，控制系統通過調節三通閥開度，調節硼酸流量，使PV等于SP，即可配制出目標硼濃度的硼酸溶液。

為了防止配出的硼酸濃度偏離目標硼濃度，控制系統設置了硼偏差保護：當PV-SP＞0.02 持續1 min，會產生硼偏差報警，硼偏差報警持續1 min，補水自動停止。理論上，控制系統通過調節硼酸流量使PV等于SP。但實際運行發現，PV值圍繞SP 波動，（PV-SP）經常超過0.02（圖2）。

經過分析發現，造成PV值頻繁波動的原因主要有3 個。

（1）根據原設計，補水期間，除鹽水減壓閥后壓力穩定，調節三通閥即可獲得穩定的除鹽水流量和硼酸流量。實際運行發現，除鹽水減壓閥后壓力無法達到要求的穩定程度，除鹽水流量變化，減壓閥后壓力隨之變化；尤其當除鹽水母管壓力波動時，減壓閥后壓力波動更加劇烈，因此除鹽水流量和硼酸流量波動較大，PV-SP 經常大于0.02，產生硼偏差報警。

（2）除鹽水減壓閥定值根據設計規范是固定的，運行一段時間后發現除鹽水減壓閥定值自動偏離了原設定值，由于減壓閥定值的偏離導致系統的固有特性發生變化，補水期間三通閥的開度、除鹽水減壓閥后壓力等參數亦隨之變化。

圖2 硼酸配比參數趨勢

（3）硼酸儲存箱液位變化時，硼酸管線壓力隨之變化，與原設計中硼酸管線壓力與除鹽水減壓閥后壓力大致相同的理念相左，系統的固有特性也隨之改變。

3 設計優化

原有硼酸配比回路設計對設備特別是除鹽水減壓閥和三通閥的要求較高，當前工業水平滿足不了該設計需求。而且該設計對控制系統算法提出了很高的要求，需要響應速度和系統穩定性有很好的平衡，否則容易因系統震蕩導致補水操作停止。為了解決硼酸配比回路存在的諸多問題，提出了如下解決方案。

（1）取消除鹽水減壓閥，以除鹽水流量控制閥代替，根據目標硼濃度和補水總流量即可計算出所需要的除鹽水流量，除鹽水流量表控制除鹽水流量控制閥以獲取目標除鹽水流量；

（2）在硼酸管線上增加硼酸流量控制閥，根據目標硼濃度和補水總流量即可計算出所需要的硼酸流量，硼酸流量表控制硼酸流量控制閥以獲取目標硼酸流量；

（3）取消三通閥，以管道混合器代替，硼酸和除鹽水在管道混合器中混合獲得均勻硼濃度的硼酸溶液（圖3）。

圖3 優化后的硼酸配比回路設計

相比于原設計，通過流量控制的優點主要有3 個。

（1）參數容易控制。原設計中，需要保證除鹽水減壓閥后壓力恒定、硼酸儲存箱液位恒定，通過調節三通閥獲得目標硼濃度。實際運行發現：受工業水平限制，除鹽水減壓閥后壓力難以保持恒定；而且隨著硼酸消耗，硼酸儲存箱液位會下降，如果維持硼酸儲存箱液位盡量恒定，需要經常向硼酸儲存箱補充硼酸。

（2）控制變量單一。補水總流量、目標硼濃度已知的情況下，所需硼酸流量和除鹽水流量可計算得出，硼酸流量由硼酸流量控制閥調節，除鹽水流量由除鹽水流量控制閥調節，除鹽水和硼酸相互不干涉。

（3）參數波動影響小。除鹽水壓力和硼酸儲存箱液位波動時，控制閥自動調節硼酸和除鹽水流量，可保證硼酸和除鹽水流量恒定。

4 結束語

一回路硼濃度與反應堆反應性控制密切相關，如果硼酸配比回路無法獲取穩定和準確濃度的硼酸溶液，則反應堆反應性將與反應性計劃偏離，造成一回路平均溫度、反應堆功率等參數波動，影響反應堆安全和核電機組的穩定。

三門1#機組的硼酸配比回路設計具有超前的設計理念，但現有工業水平無法滿足該理念的要求，造成硼酸配比回路經常出現報警。本研究提供的優化方式，既保留了原有硼酸配比回路的優秀設計，又降低了系統控制的難度，可以有效解決硼酸配比回路報警的問題。