核電機組主給水泵小流量再循環閥的研究

夏春雷

（中核核電運行管理有限公司運行三處，浙江 嘉興 314000）

0 引言

主給水系統（APA 系統）是核電站常規島二回路的重要系統，承擔著向蒸汽發生器提供給水的重要功能，而APA 泵則是主給水系統的核心，對整個核電站的安全、穩定運行起著至關重要的作用。

核電主給水泵的流量調節是隨蒸汽發生器的負荷而變化的，在啟動時或在低負荷時，給水泵很可能在給水量很小或給水量為零的情況下運行，給水在泵體內長時間受葉輪摩擦生熱，使水溫升高，水溫升高到一定程度上會發生汽化，造成汽蝕，對給水泵造成損壞。為避免上述現象的發生，在給水泵出口至除氧器水箱之間設置了小流量再循環系統，在給水泵啟動初期或給水流量極小的情況下，可打開再循環系統，將一部分給水引回至除氧器水箱，以確保有部分水量流過泵體，而不致使泵內水溫過高造成汽化；當給水流量處于正常情況下，再循環系統將關閉。

1 給水泵小流量再循環閥控制方法

再循環閥的控制方法一般分為開關式控制和連續式控制。

1.1 開關式控制

采用開關式控制，優點在于控制簡單；主要缺點是開關式閥不能連續調節，開關閥門時會對主給水泵出口壓力和下游流量造成較大沖擊、擾動。

1.2 連續式控制

為保證給水流量調節的穩定及提高經濟性，再循環閥控制也可以采用連續式控制，主要優點是可實現連續調節，避免對下游造成流量擾動；但控制相對較為復雜，多了一個控制環節。

再循環閥連續控制方法主要有單一曲線函數控制、PID 調節控制和回滯函數控制。

1.2.1 單一曲線函數控制

一個單一曲線函數F（x）， 由F（x）直接給出給水泵入口流量和再循環閥開度指令的關系曲線（閥門的開曲線和關曲線為同一條曲線）。 采用該控制方法在機組運行過程中有可能閥門動作頻繁， 幅度較大， 在閥門的開關瞬間會引起給水流量的大幅度波動， 而流量的波動又影響閥門的動作， 既不利于給水泵的安全經濟運行， 也會使整個給水系統震蕩。

1.2.2 PID 調節控制

PID 調節使用單沖量、 閉環反饋控制再循環閥，PID 調節器根據給水泵入口最小流量設定值與實際給水泵入口流量的偏差輸出再循環閥開度控制指令，從而實現最小流量的連續控制。 PID 調節器的控制方法簡潔明確， 但給水系統在不同的負荷區域時控制對象特性SG 負荷變化較大， 易使PID 調節器產生過調， 對給水系統擾動較大。

1.2.3 回滯函數控制

根據制造廠提供的給水泵流量保護定值選擇再循環閥的關閉和開啟方向函數F1（x）和F2（x）， 隨著再循環流量的增加，F1（x）給定閥門關閉方向的開度；隨著再循環流量的減小， F2（x）給定閥門開啟方向的開度。 F1（x）與F2（x）之間的間隙區域表征了再循環閥關閉與開啟方向轉換過程中的間隙大小， 在該間隙范圍的流量變動不改變閥門開度。 這樣， 相當于給再循環閥的控制特性增加了具有非線性的間隙環節，間隙特性可消除流量測量誤差以及給水流量波動對再循環閥控制的干擾。間隙特性環節是由F1（x）和F2（x）組成， 再循環閥開度指令在F1（x）與F2（x）以及上、下限所包圍的回滯帶區域內隨流量變化， 間隙特性環節輸出閥門開度指令。

2 秦二廠1、2 號核電機組給水泵小流量再循環閥控制

2.1 小流量管線布置和設計（以A 泵為例）

每臺電動主給水泵組設有一個最小流量系統，該系統的設計流量為每臺泵設計額定流量的27%（27%×2298.5 m3/h=620 m3/h ）。 最小流量系統的抽出點在壓力級泵出口止回閥的上游，在最小流量系統管線上裝有氣動最小流量閥、隔離閥和一個減壓裝置（多級節流孔板）。可調節孔板裝在靠近除氧器處，使最小流量系統保持足夠的壓力，以避免發生閃蒸。 隔離閥裝在最小流量閥兩側，供維修最小流量閥時用。 最小流量系統管線將水排回除氧器（ADG 系統）。 為了控制最小流量閥，在前置泵出口和壓力級泵進口之間連接管線中設有一套流量測量裝置。

2.2 小流量再循環閥控制

2.2.1 控制方法

小流量循環閥控制是通過跨接在前置泵和壓力級泵之間管線上的壓差表APA104MPd 送到001AR參與APA 106 VL 流量控制。 最小流量再循環閥的控制是完全獨立的雙位控制，是借助電磁閥操作的氣關式氣動閥。 當電動主給水泵的轉速降低時，給水流量低于定值時差壓26.2IN.H2O（6.53 kPa）全開最小流量再循環閥。 當電動主給水泵停運或跳閘時，也應全開最小流量再循環閥。給水流量高于定值時差壓164IN.H2O（40.85 kPa）關閉最小流量再循環閥。

最小流量控制閥的執行機構是泵組中唯一需要氣動操作的設備。失去氣源將導致最小流量控制閥全開。失去220 V 交流電源使最小流量控制系統上的電磁閥不通電而使最小流量控制閥開啟。最小流量控制閥的關閉時間為3 秒。最小流量系統控制閥設有就地試驗開啟和關閉的按鈕。

2.2.2 實際運行中的運用

當汽輪機升負荷時，主給水泵開始按負荷要求向蒸汽發生器供水。 再循環閥是一個氣動隔離閥，它被設計成根據泵的運行流量自動控制，在泵運行流量低時開啟確保泵的最小運行流量；流量增加后再循環閥關閉以降低泵運行電流。 控制方式見圖1。

在向蒸汽發生器供水以前， 給水調節閥關閉，再循環流量為泵設計流量的27%（620 m3/h）， 返回至除氧器。 為響應蒸汽發生器的需求，給水調節控制閥開始開啟，泵運行流量為引漏流量（27%設計流量）和進入兩臺蒸汽發生器流量的總和。

圖1 再循環閥控制

隨著負荷上升，泵的運行流量隨之上升，再循環閥的控制如下：

在啟動時， 再循環閥開啟， 并在泵流量超過67.4%泵額定流量（1 549 m3/h）前保持開啟；在泵流量達到67.4%泵額定流量時，再循環閥關閉，泵流量降至40.4%泵額定流量（929 m3/h）；再循環閥關閉后，蒸汽發生器流量需求的增加由相應增加泵流量來滿足。

隨著負荷下降，泵的運行流量隨之下降，再循環閥的控制如下：

再循環閥在泵流量接近27%設計流量前保持關閉；泵流量達到27%泵額定流量時，再循環閥開啟，泵流量增加到54%泵額定流量（1 240 m3/h）；再循環閥開啟后，蒸汽發生器需求的任何減少由泵流量相應的減少來滿足。 當泵運行流量達到27%泵額定流量時，全部給水流量都通過再循環閥輸送至除氧器。

3 二廠1、2 號機組給水泵小流量再循環閥的不足

由于二廠1、2 號機組給水泵小流量再循環閥采用開關式控制，設計要求再循環閥關閉時間＜3 s，由于關閉時間短，調節系統無法及時響應，導致擾動。

3.1 滿負荷下小流量閥的突然動作產生的影響（模擬機試驗）

初始參數：電功率650 MW，APA 的A、B 泵運行。A 泵轉速5 275 r/min，出口壓力8.65 MPa，給水流量1 923 m3/h，ARE031VL 開 度35%，ARE242VL 開 度100%，A 泵小流量循環閥APA106VL 關閉。 B 泵轉速5 307 r/min，出口壓力8.63 MPa，給水流量1 935 m3/h，ARE032VL 開度32%，ARE243VL 開度100%，B 泵小流量循環閥APA206VL 關閉。

在滿負荷下，如果開啟APA106VL，兩臺泵流量都漲到2 200 m3/h， 轉速上升到5 600 r/min 左右，出口壓力略有下降，降為8.5 MPa 左右，ARE031/032VL開度上升10%。 2 臺SG 水位波動很小， 自動控制穩定。 由此可見，滿負荷下APA106VL 由關閉位置突然全開， 雖然會造成兩臺泵轉速上升到極限， 但是ARE031、032VL 開度還有余量，所以可以自動完成調節功能。 但是，在這種情況下如果把APA106VL 突然關閉，對SG 水位影響較大，SG 水位最高到0.32 m 左右， 雖然距離0.84 m 還有一定裕量， 但是要引起重視，如果調節不過來可以手動干預。

3.2 實際機組中小流量循環閥異常動作產生的影響

3.2.1 209 大修中APA 小流量閥門的異常動作

在209 大修后機組升負荷過程中APA 小流量閥門動作異常， 當小流量閥門關閉時，APA 泵出口壓力增加，汽水母管壓差增加，給水流量增加，SG 水位上漲，隨后ARE401RC 輸出減小，保持汽水母管壓差穩定，ARE 給水閥門也會動作。隨著APA 小流量閥門的關閉，APA 泵的流量由67.4%下降為40.4%， 實際機組上由于APA 泵流量計的沖水排氣不充分或是定值的偏移，小流量閥門關閉之后很快就重新開啟，甚至在小流量閥門未全關之前就已經重新開啟了，對APA泵的電流、 出口壓力、ARE 給水流量和SG 水位都會產生一點的影響，同時，APA 泵的振動也波動較大，與小流量閥門的頻繁動作有一定的關系。以上現象在機組升至滿功率之后依然存在， 聯系儀控對APA A 泵的流量計進行沖水排氣后APA 106VL 完全關閉，不再頻繁開關。

3.2.2 2004 年再循環閥開關造成系統擾動的事件

2004 年3 月19 日20:30,機組剛并網后升負荷并穩定在90MWe，發現兩臺SG 水位在周期性的波動，同時發現主蒸汽壓力，控制棒上下波動，控制棒振幅在正負5～7 步， 一回路熱功率波動范圍在430～500MWt 左右。 為了分析原因，控制棒放手動，給水泵壓差控制投手動、轉速控制放手動，關閉大閥隔離閥，小閥放手動，發現波動依舊，決定汽機升功率，升功率到100MWe 后，情況也未有改善，然后降功率到60MWe，給水流量振幅減少，一回路控制棒也趨于穩定。

后經技術分析， 為2APA102PO 再循環閥106VL恰好在動作流量范圍，106VL 關閉后主給水泵流量降低， 到達106VL 開啟定值，106VL 開啟后主給水泵流量上升， 導致106VL 開啟，106VL 頻繁開關導致主給水泵出口壓力波動、影響給水流量，給水流量波動大在低負荷下給水溫度低導致主系統平均溫度波動，導致控制棒動作，影響反應堆熱功率。

4 結論

（1）在滿負荷下，一個再循環閥的突然開啟對機組穩定性影響較小，水位控制系統的自動動作能保證兩臺SG 的穩定。 但是汽水壓差達不到整定值，APA的高速滿負荷運行可能也會對泵產生一定的影響。而滿負荷情況下小流量閥從全開至全關影響較大，SG水位波動明顯。

（2）由于核電廠不參與調峰，所以一般不在低負荷下運行。 但是如果有需要，最好不要在小流量閥動作的功率平臺停留， 以免小流量閥頻繁動作對SG 水位產生影響。 特別是在升降負荷期間，對小流量閥的動作也要加強關注，確保其動作正常。

（3）APA 泵的流量計出現充水排氣不充分的現象會對小流量閥門的控制造成影響，遇到此情況應該立即聯系儀控對表計進行充水排氣。從流程圖上可以看出，參與小流量閥門控制的流量計在外側，可能由于管線較長或者彎頭較多沖水排氣不充分，可以考慮將該流量改造到盡量靠近管道。 另外，也可以參考3、4號機組增加小流量閥的控制儀表，增加穩定性，減小漂表風險。

總之，小流量閥開關式控制的擾動較大，不利于系統的穩定運行。 可以將再循環閥更改為調節閥，在給水泵總流量上升后，逐步關閉，以達到無擾控制的目的。 但是當出現大幅度甩負荷工況時，主給水流量大幅度下降。 為避免再循環閥調節響應的滯后性，可以設置低流量超馳開啟功能，這樣可以避免主給水泵在零流量工況下運行。