蒸發(fā)器水位控制

陳 亮

（中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 海鹽314300）

0 引言

蒸發(fā)器水位控制的功能是將SG水位維持在程序值上。水位過高淹沒汽水分離器時(shí)，導(dǎo)致流向汽輪機(jī)的蒸汽濕度過大，損壞汽輪機(jī)葉片，并且有可能造成閥門帶水操作的風(fēng)險(xiǎn)(失靈或損壞)；水位過低露出給水環(huán)管時(shí)，會(huì)引起水錘沖擊，水位低到露出傳熱管時(shí)，會(huì)引起一回路冷卻不充分，導(dǎo)致堆芯過熱的危險(xiǎn)。

該功能還須由給水泵速度控制系統(tǒng)共同參與完成。

1 原理

SG水位控制是通過控制給水流量來實(shí)現(xiàn)。給水流量是通過并聯(lián)安裝的2個(gè)調(diào)節(jié)閥來完成的：在高負(fù)荷（20%FP以上）時(shí)用主給水流量調(diào)節(jié)閥（即主閥），在低負(fù)荷（20%FP以下）時(shí)用旁路給水流量調(diào)節(jié)閥（即旁閥）。見圖1。圖1中，ARE031VL是主閥，ARE242VL是旁閥。

圖1 SG給水流量控制流程圖

為了優(yōu)化調(diào)節(jié)閥的運(yùn)行，需要使閥門兩端的壓差近似恒定。這種恒定是通過控制主給水泵的速度，將給水母管和蒸汽母管之間的壓差維持在程序值上而實(shí)現(xiàn)的。該程序值是負(fù)荷的函數(shù)。如圖2所示。

圖2 蒸汽發(fā)生器水位定值與負(fù)荷的關(guān)系

2 影響因素

SG水位與給水流量、給水溫度、反應(yīng)堆冷卻劑溫度和蒸汽流量有關(guān)。

SG水位的控制通過主閥和旁閥調(diào)節(jié)給水流量來實(shí)現(xiàn)，主給水流量是閥門開度和閥門兩端差壓的函數(shù)，而差壓又由主給水泵控制。以下分析幾個(gè)變量對(duì)SG水位的影響：

——與負(fù)荷有關(guān)的SG水裝量；

——水位對(duì)于給水流量階躍變化的響應(yīng)；

——水位對(duì)于蒸汽流量階躍變化的響應(yīng)；

——給水流量對(duì)于調(diào)節(jié)閥開度階躍變化的響應(yīng)。

2.1 SG水裝量

因?yàn)楦哓?fù)荷時(shí)氣泡份額更高，所以SG的水裝量是負(fù)荷的減函數(shù)。

2.2 水位對(duì)于給水流量階躍變化的響應(yīng)

在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，給水質(zhì)量流量和蒸汽質(zhì)量流量是平衡的。如果給水流量階躍增加，在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，水位將按照給水質(zhì)量流量和蒸汽質(zhì)量流量之差的積分增加；但在較短的時(shí)間內(nèi)則可以觀察到不同的現(xiàn)象：因?yàn)榻o水溫度比再循環(huán)水溫度低，水流首先在下降通道中冷卻，然后引起管束中的蒸汽冷凝。汽水混合物的平均比容最終減少（收縮），意味著水集中在管束的底部。因此，流量在下降通道中的增大抵消了水位的增加，有時(shí)甚至引起水位下降。由于低負(fù)荷時(shí)給水溫度更低，這一現(xiàn)象更加明顯。圖3描述了在所有控制回路都不參與調(diào)節(jié)的情況下，SG水位對(duì)于給水流量的階躍響應(yīng)曲線。

圖3 給水流量階躍變化-5%的SG水位響應(yīng)曲線

2.3 水位對(duì)于蒸汽流量階躍變化的響應(yīng)

如果蒸汽流量階躍增加，壓力下降使SG二次側(cè)汽水混合物膨脹，傳遞到二回路的熱量也增加，這兩種現(xiàn)象導(dǎo)致水位升高（膨脹作用）。因此水位對(duì)于蒸汽流量階躍增加的響應(yīng)，在初始階段的變化和最終變化相反，由于蒸汽/給水流量失配的積分作用，最終的變化將是水位下降。如果蒸汽流量階躍減少，SG水位則在增加之前下降（收縮）。在低負(fù)荷時(shí)將更加明顯。水位響應(yīng)曲線如圖4所示。

圖4 蒸汽流量階躍變化-5%的SG水位響應(yīng)曲線

2.4 給水流量對(duì)于調(diào)節(jié)閥開度階躍變化的響應(yīng)

與給水流量和調(diào)節(jié)閥開度有關(guān)的過程主要取決于調(diào)節(jié)閥的傳遞函數(shù)、給水泵的運(yùn)行模式和給水母管/蒸汽母管壓差控制的動(dòng)態(tài)特性。當(dāng)兩臺(tái)給水泵都處于自動(dòng)時(shí)，控制作用較快。

3 用于蒸汽發(fā)生器水位控制的測(cè)量

3.1 水位測(cè)量

跟水位相關(guān)的的4臺(tái)窄量程傳感器（ARE010MN/052MN/055MN/058MN）。這4臺(tái)窄量程水位變送器用于蒸汽發(fā)生器的保護(hù)。其中的三臺(tái)用于蒸汽發(fā)生器的水位控制。一個(gè)表決器（VOTER）用于計(jì)算三臺(tái)變送器（ARE010MN/052MN/058MN）測(cè)量值的平均值。低水位保護(hù)通道采用兩個(gè)變送器的信號(hào)（ARE055MN/058MN）。高高和低低水位保護(hù)通道采用四臺(tái)變送器的信號(hào)。

水位測(cè)量校準(zhǔn)為0%～100%，0%對(duì)應(yīng)管板二次側(cè)內(nèi)表面之上11.271 m處，即略低于給水環(huán)管。水位測(cè)量的范圍為0 m～3.6 m。

3.2 蒸汽流量

蒸汽流量Qv是通過測(cè)量SG上封頭和位于限流器下游蒸汽管道兩測(cè)點(diǎn)之間的壓差ΔP確定的。同時(shí)，因?yàn)槊芏扔绊戀|(zhì)量流量的測(cè)量，而密度是壓力的線性函數(shù)，所以，在蒸汽流量測(cè)量通道中需要引入壓力信號(hào)做密度補(bǔ)償。

3.3 給水流量

每條給水管路上都有一臺(tái)文丘里管，通過測(cè)量文丘里管嘴和上游流體之間的壓差確定給水流量。每臺(tái)文丘里管配有三臺(tái)流量變送器，它們分別有差壓變送器和開方器組成（流量測(cè)量不需要密度校正）。其中兩臺(tái)變送器用于保護(hù)，并通過一個(gè)選擇器（VOTER）選擇較低的一個(gè)信號(hào)用于蒸汽發(fā)生器水位控制。在額定功率運(yùn)行時(shí)，給水流量測(cè)量的精度高于2%。第三臺(tái)變送器用于低負(fù)荷保護(hù)（ATWT系統(tǒng)）。

3.4 汽機(jī)負(fù)荷

汽機(jī)負(fù)荷由汽機(jī)進(jìn)氣壓力來表征。

為了計(jì)算程序水位，蒸汽發(fā)生器水位控制系統(tǒng)使用寬量程汽機(jī)進(jìn)氣壓力信號(hào)。壓力由GRE 022MP/023MP/024 MP測(cè)量后送到GCT系統(tǒng)的選擇器（VOTER），測(cè)量取平均值后金國(guó)函數(shù)發(fā)生器GCT 420GD修正汽機(jī)負(fù)荷與汽機(jī)進(jìn)汽壓力的非線性關(guān)系后，送到ARE系統(tǒng)用于蒸汽發(fā)生器水位控制。

在低負(fù)荷時(shí)，由于蒸汽流量測(cè)量信號(hào)不可用，蒸汽發(fā)生器水位控制還使用窄量程汽機(jī)進(jìn)汽壓力變送器GRE044MP的測(cè)量信號(hào)。

3.5 蒸汽總量

“高負(fù)荷蒸汽總量”由下述兩項(xiàng)之和計(jì)算得到：

——寬量程汽機(jī)進(jìn)汽壓力；

——表征去冷凝器的汽機(jī)旁路蒸汽流量和去除氧器的蒸汽流量。

“低負(fù)荷蒸汽總量”由下述兩項(xiàng)之和計(jì)算得到：

——窄量程汽機(jī)進(jìn)汽壓力；

——表征去冷凝器的汽機(jī)旁路蒸汽流量和去除氧器的蒸汽流量。

表征去冷凝器的蒸汽排放信號(hào)須由來自第一組前2個(gè)閥門的開始行程信號(hào)加以確認(rèn)（由限位開關(guān)輸出）。

去除氧器的蒸汽流量信號(hào)須由ADG主調(diào)節(jié)閥的開始行程信號(hào)加以確認(rèn)（由限位開關(guān)輸出）。

3.6 給水母管和蒸汽母管差壓

差壓變送器ARE001/002/003MP提供主給水泵速度控制系統(tǒng)所需的輸入信號(hào)。

3.7 給水溫度

每臺(tái)SG都有一支測(cè)量給水溫度的傳感器，高選單元選擇三個(gè)溫度中最高的一個(gè)用于水位控制。

4 蒸汽發(fā)生器水位控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)

4.1 調(diào)節(jié)閥

（1）每臺(tái)SG配有兩臺(tái)調(diào)節(jié)閥：

旁閥（ARE242VL/243VL/244VL），用于調(diào)節(jié)約20%的名義流量。（注意：該閥的實(shí)際容量約為25%名義流量）該閥用于啟動(dòng)和低負(fù)荷水位控制，高負(fù)荷時(shí)保持全開；

（2）主 閥（ARE031VL/032VL/033VL），用 于 調(diào) 節(jié)約90%的名義流量。該閥用于高負(fù)荷水位控制（高于20%FP）。

這兩臺(tái)調(diào)節(jié)閥配合可以在任何功率水平下自動(dòng)控制給水流量。

每臺(tái)主閥和旁閥的上游和下游均配有隔離閥（上游隔離閥只能就地操作；下游隔離閥可以在就地和控制室操作）。

調(diào)節(jié)閥設(shè)計(jì)成在反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)產(chǎn)生快速關(guān)閉信號(hào)之后1～5 s內(nèi)關(guān)閉（可調(diào)）。調(diào)節(jié)閥的流量特性是線性的，全行程時(shí)間小于20 s。

4.2 主給水泵

給水系統(tǒng)裝備了并行布置的三臺(tái)電動(dòng)主給水泵，每臺(tái)泵提供大約50%的名義流量。

給水泵從除氧器（ADG）抽水送到高壓給水加熱器系統(tǒng)。最小流量管線的出口在除氧器。

在高負(fù)荷時(shí)（約50%FP），兩臺(tái)給水泵正常運(yùn)行，第三臺(tái)給水泵備用。

調(diào)節(jié)給水泵速度以維持主給水調(diào)節(jié)閥兩端壓降盡可能的為常數(shù)。

5 蒸汽發(fā)生器水位控制原理

蒸發(fā)器水位控制原理圖見圖5。

圖5 蒸汽發(fā)生器水位調(diào)節(jié)原理圖

每臺(tái)SG有一個(gè)水位控制回路，水位控制回路包括：

——PID水位調(diào)節(jié)器，濾波后的蒸汽流量信號(hào)減去調(diào)節(jié)器輸出，得到給水流量需求信號(hào)；

——流量調(diào)節(jié)器，它利用給水流量需求信號(hào)和給水流量測(cè)量信號(hào)，調(diào)整主閥的開度；

——旁閥控制通道（低負(fù)荷控制），主閥和旁閥的切換系統(tǒng)也包括在此；

——與反應(yīng)堆緊急停堆有關(guān)的邏輯；

——“跟蹤”系統(tǒng)。

5.1 SG水位控制回路

（1）SG程序水位

SG水位整定值是負(fù)荷的函數(shù)，所選的負(fù)荷信號(hào)必須能代表SG總的輸出。故選取寬量程汽機(jī)壓力信號(hào)與到冷凝器（GCT）的蒸汽流量與到除氧器（ADG）的蒸汽流量的總和作為SG的總的輸出。

對(duì)于0%FP-20%FP，水位從窄量程水位34%線性增加到50%，在20%FP以上，恒定在50%。即如圖2所示。

（2）水位調(diào)節(jié)器

由2個(gè)模塊組成，一個(gè)比例積分（PI）模塊和一個(gè)與之串聯(lián)的微分（D）模塊。由于工藝過程本身為積分作用，所以PI環(huán)節(jié)中的積分作用不應(yīng)太強(qiáng)。

在低負(fù)荷時(shí)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性較差，所以控制系統(tǒng)的增益是負(fù)荷的增函數(shù)，如圖6所示，用一個(gè)隨給水溫度升高而增加的系數(shù)乘以水位誤差信號(hào)實(shí)現(xiàn)這一要求。

圖6 變?cè)鲆姝h(huán)節(jié)

所用的給水溫度是三個(gè)溫度信號(hào)（每臺(tái)SG一個(gè)）的高選值。由此可見，即使一臺(tái)蒸汽發(fā)生器被隔離，對(duì)于所有三臺(tái)蒸汽發(fā)生器，其乘數(shù)也是一樣的，而且信號(hào)是有效的。

5.2 給水流量控制

（1）高負(fù)荷下的給水流量控制

濾波后的蒸汽流量信號(hào)減去水位調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)，得到給水流量需求信號(hào)。同時(shí)配備手動(dòng)/自動(dòng)操作站，允許運(yùn)行人員手動(dòng)控制主閥。

（2）低負(fù)荷下的給水流量控制

因?yàn)樵诘拓?fù)荷時(shí)利用手動(dòng)控制水位十分困難，所以控制系統(tǒng)必須從0%FP-100%FP都能自動(dòng)控制。

低負(fù)荷控制是根據(jù)水位調(diào)節(jié)器的輸出控制旁閥，該調(diào)節(jié)閥安裝在與主閥并聯(lián)的旁路給水管上。低負(fù)荷控制時(shí)不再有給水流量的閉環(huán)控制，水位調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為閥門的開度信號(hào)。在高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)保持旁閥全開。

因?yàn)椤案哓?fù)荷蒸汽總量”此時(shí)不再可用，所以此處選用“低負(fù)荷蒸汽總量”信號(hào)，該信號(hào)是以下兩項(xiàng)之和：

——窄量程汽機(jī)進(jìn)汽壓力；

——蒸汽向冷凝器（GCT）的排放和去除氧器的蒸汽（ADG）。

低負(fù)荷控制回路配有手動(dòng)/自動(dòng)操作站，允許運(yùn)行人員手動(dòng)控制旁閥。

（3）低負(fù)荷/高負(fù)荷切換

當(dāng)“低負(fù)荷蒸汽總量”低于整定值時(shí)，一個(gè)負(fù)偏置加到流量調(diào)節(jié)器上，從而關(guān)閉主閥，此偏置可調(diào)（目前定為8.5%FP）。一旦主閥關(guān)閉，水位控制由旁路流量調(diào)節(jié)器完成。引入偏置的作用是為了避免兩個(gè)調(diào)節(jié)閥同時(shí)工作。

當(dāng)“低負(fù)荷蒸汽總量”高于整定值時(shí)，偏置逐步地消失，主閥重新投入，此時(shí)旁閥全開。

6 S G水位控制的建議

6.1 將蒸汽發(fā)生器水位看作一/二回路熱工水力狀態(tài)的反映

不要把蒸汽發(fā)生器水位看作孤立的現(xiàn)象，一回路功率、蒸汽負(fù)荷變化、給水系統(tǒng)狀態(tài)變化等都要影響蒸汽發(fā)生器水位。因此，在汽機(jī)沖轉(zhuǎn)等一/二回路大的操作或瞬態(tài)之前要保證蒸汽發(fā)生器水位穩(wěn)定。如果蒸汽發(fā)生器水位異常，要及時(shí)穩(wěn)定一/二回路，判斷當(dāng)時(shí)的水位變化是瞬態(tài)過程還是水裝量的真正變化，根據(jù)一/二回路的情況做總體分析。

6.2 正確判斷手動(dòng)干預(yù)時(shí)機(jī)

何時(shí)采用手動(dòng)干預(yù)？是否水位一出現(xiàn)異常就要手動(dòng)干預(yù)？最好在此之前有個(gè)基本的判斷，確認(rèn)自動(dòng)調(diào)節(jié)是否有效。例如當(dāng)蒸汽發(fā)生器水位下降時(shí)，要觀察是否給水流量大于或?qū)⒋笥谡羝髁炕虻拓?fù)荷下寬量程是否上升，如果是這樣的，根據(jù)蒸汽發(fā)生器的熱工特性，窄量程水位會(huì)在瞬態(tài)之后上升，而這個(gè)瞬態(tài)長(zhǎng)短則取決于當(dāng)時(shí)的功率水平。否則，表明自動(dòng)調(diào)節(jié)回路無法調(diào)節(jié)，必須及時(shí)手動(dòng)干預(yù)。

6.3 掌握好干預(yù)的方式

根據(jù)前面分析的調(diào)節(jié)系統(tǒng)的特點(diǎn)，在手動(dòng)干預(yù)時(shí)一定要將主調(diào)節(jié)閥/旁路調(diào)節(jié)閥同時(shí)放手動(dòng)，干預(yù)后切回自動(dòng)時(shí)先將主調(diào)節(jié)閥置自動(dòng)，然后才置旁路調(diào)節(jié)閥自動(dòng)。最好不要將給水泵轉(zhuǎn)速放手動(dòng)，如果確實(shí)需要，在調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)速時(shí)要緩慢，觀察汽水壓差、給水流量的變化。在調(diào)節(jié)一臺(tái)蒸汽發(fā)生器水位時(shí)，要同時(shí)關(guān)注另外兩臺(tái)的走勢(shì)，尤其是在給水泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)手動(dòng)的情況下更為重要。

6.4 控制干預(yù)的幅度

干預(yù)的幅度一定要加以控制，過猶不及，避免看到水位異常就把給水閥開很大或關(guān)很小的做法。如果在水位下降時(shí)給水很大，超出蒸汽流量很多，則會(huì)由于冷水效應(yīng)加速窄量程水位的下降，而且還可能導(dǎo)致給水母管壓力波動(dòng)，影響另外兩臺(tái)蒸汽發(fā)生器的給水。干預(yù)時(shí)最好使給水流量超過蒸汽流量幾十噸或在低負(fù)荷時(shí)寬量程水位略有上升，這樣可以保證冷水效應(yīng)的影響較小，同時(shí)避免對(duì)另外兩臺(tái)蒸汽發(fā)生器水位的影響。