裴振坤

( 中廣核工程有限公司，廣東省深圳市518124)

除氧器保壓控制策略在寧德核電站的應(yīng)用

裴振坤

( 中廣核工程有限公司，廣東省深圳市518124)

通過對寧德核電站1號機(jī)組除氧器工作原理、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、運(yùn)行方式的研究，對除氧器保壓控制策略的設(shè)計(jì)目的、適用工況、探測原理及實(shí)現(xiàn)方法等進(jìn)行了深入地分析?？偨Y(jié)了調(diào)試期間出現(xiàn)的問題及解決方案，在機(jī)組進(jìn)行跳機(jī)不跳堆、甩50%負(fù)荷至汽輪機(jī)額定轉(zhuǎn)速等典型瞬態(tài)試驗(yàn)時(shí)，對除氧器保壓控制策略的響應(yīng)首次進(jìn)行了全面驗(yàn)證，結(jié)果顯示除氧器蒸汽壓力控制平穩(wěn)，相關(guān)經(jīng)驗(yàn)具有一定的借鑒意義。

核電站；除氧器；自動(dòng)控制；瞬態(tài)工況

0 引 言

福建寧德核電站一期建設(shè)4臺(tái)百萬kW級壓水堆核電機(jī)組，采用中廣核集團(tuán)具有自主品牌的CPR1000技術(shù)，單機(jī)裝機(jī)容量1 089 MW。工程采用大連日立機(jī)械設(shè)備公司生產(chǎn)的型號為GC-6000/GS-410淋水盤式單體臥式無頭除氧器，除氧器總長48.5 m，內(nèi)徑4.4 m，總?cè)莘e718 m3，最高工作壓力0.86 MPa，最高工作溫度178.1 ℃，最低穩(wěn)定運(yùn)行壓力0.17 MPa，額定出力5 982.5 t/h。機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，除氧器蒸汽流量維持在200 t/h，除氧器采取定壓與滑壓相結(jié)合的運(yùn)行方式。鑒于淋水盤式除氧器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，為防止損壞內(nèi)部淋水盤，除氧器要求內(nèi)部壓降速率小于0.2 MPa/min[1]。除氧器保壓控制策略可以在機(jī)組甩負(fù)荷等瞬態(tài)工況下快速打開主蒸汽至除氧器壓力調(diào)節(jié)閥，保證除氧器壓力控制平穩(wěn)，并降低由于除氧器壓力下降過低造成主給水泵發(fā)生汽蝕的風(fēng)險(xiǎn)[2]。

目前國內(nèi)學(xué)者對大容量發(fā)電機(jī)組的除氧器選型及瞬態(tài)過程進(jìn)行了大量的理論分析及仿真計(jì)算，但對核電機(jī)組除氧器瞬態(tài)工況下壓力控制的實(shí)際應(yīng)用、出現(xiàn)問題及解決方案研究較少。本文采用了除氧器壓力設(shè)定值數(shù)字化的計(jì)算方法，將給定值直接作為除氧器甩負(fù)荷壓力控制器的設(shè)定值輸入，通過設(shè)定值的階躍增加，甩負(fù)荷壓力控制器快速控制主蒸汽至除氧器壓力調(diào)節(jié)閥的開度，甩負(fù)荷壓力控制器與正常壓力控制器的輸出相互跟蹤，實(shí)現(xiàn)無擾切換。通過寧德核電站1號機(jī)組啟動(dòng)試驗(yàn)期間進(jìn)行的典型瞬態(tài)試驗(yàn)，獲得了機(jī)組的實(shí)際瞬態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)，對試驗(yàn)情況進(jìn)行了深入分析，對除氧器保壓控制策略在數(shù)字化控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過程中出現(xiàn)的典型問題進(jìn)行了及時(shí)處理。

1 除氧器介紹

1.1 除氧器工作原理

除氧器的基本功能是加熱給水并去除給水中的氧和其他不凝結(jié)氣體，保證向給水泵連續(xù)提供含氧量合格的給水，以最大限度減少對蒸汽發(fā)生器、汽機(jī)及其熱力系統(tǒng)中輔機(jī)、管道閥門等的腐蝕。除氧器熱力除氧的原理是以亨利定律和道爾頓定律作為理論基礎(chǔ)的，即任何一個(gè)容器內(nèi)混合氣體的總壓力等于各種組成氣體分壓力之和[3]。在一定溫度下，溶于水中的氣體與自水中離析的氣體處于動(dòng)平衡狀態(tài)時(shí)，單位體積水中溶解的氣體量和水面上該氣體的分壓力成正比[4]。當(dāng)給水被定壓加熱時(shí)，隨著水的蒸發(fā)過程不斷加強(qiáng)，水面上蒸汽的分壓力逐漸升高，相應(yīng)水面上其他氣體的分壓力不斷降低。當(dāng)水被加熱到除氧器壓力下的飽和溫度時(shí)，水蒸氣的分壓力就會(huì)接近水面上的全壓力，水面上各種氣體的分壓力將趨近于0，從而溶解于水中的氣體就會(huì)從水中溢出而被除去。

1.2 除氧器正常運(yùn)行方式

控制除氧器內(nèi)的壓力，一方面可以保證除氧器的除氧效果，為機(jī)組連續(xù)提供含氧量合格的給水。另一方面可保證主給水泵入口有足夠的吸入壓頭，以防止主給水泵發(fā)生汽蝕。為提高經(jīng)濟(jì)效益，本機(jī)組除氧器采取定壓和滑壓相結(jié)合的運(yùn)行方式，設(shè)計(jì)了輔助蒸汽至除氧器壓力調(diào)節(jié)閥、主蒸汽至除氧器壓力調(diào)節(jié)閥、除氧器抽汽逆止閥，2個(gè)主蒸汽至除氧器排放閥共同實(shí)現(xiàn)正常工況下除氧器的壓力調(diào)節(jié)和事故工況下接受旁路系統(tǒng)排放的蒸汽，除氧器系統(tǒng)流程如圖1所示[5]。

圖1 除氧器系統(tǒng)流程簡圖

(1)機(jī)組啟動(dòng)初期無負(fù)荷期間，除氧器采用輔助蒸汽作為加熱汽源，控制除氧器壓力在0.143 MPa；

(2)機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行期間，采用主蒸汽經(jīng)調(diào)節(jié)閥減壓后作為除氧器的加熱汽源，壓力控制在0.17 MPa；

(3)機(jī)組高負(fù)荷運(yùn)行期間，機(jī)組功率在270 MW時(shí)除氧器抽汽逆止閥前壓力超過0.17 MPa，主蒸汽至除氧器壓力調(diào)節(jié)閥逐漸關(guān)閉，在機(jī)組功率超過300 MW時(shí)，主蒸汽至除氧器壓力調(diào)節(jié)閥完全關(guān)閉，至此除氧器由定壓運(yùn)行轉(zhuǎn)入滑壓運(yùn)行，除氧器蒸汽壓力隨機(jī)組負(fù)荷在0.17至0.83 MPa之間變動(dòng)。此時(shí)系統(tǒng)能允許發(fā)生最大為10%負(fù)荷的階躍下降而不需利用新蒸汽來保持除氧器的壓力[6]。

1.3 除氧器快開控制及閉鎖

當(dāng)機(jī)組發(fā)生汽機(jī)跳閘等瞬態(tài)工況時(shí)，除氧器保壓控制策略生效，主蒸汽至除氧器壓力調(diào)節(jié)閥迅速開大，有效減小除氧器壓力的下降速率。主蒸汽至除氧器排放閥作為旁路系統(tǒng)的第4組閥門，下列任一條件滿足時(shí)將受旁路系統(tǒng)快開信號的控制：

(1)反應(yīng)堆跳堆且一回路溫度比設(shè)定值高20 ℃；

(2)機(jī)組功率<50%、旁路系統(tǒng)處于溫度控制模式、當(dāng)發(fā)生短電網(wǎng)故障(2 min內(nèi)機(jī)組功率下降超過15%)未跳堆且一回路溫度比設(shè)定值高14.9 ℃；

(3)機(jī)組功率<50%、旁路系統(tǒng)處于溫度控制模式、當(dāng)核功率>40%時(shí)發(fā)生跳機(jī)未跳堆且一回路溫度比設(shè)定值高14.9 ℃。

為防止反應(yīng)堆一回路過冷或排放蒸汽時(shí)高溫導(dǎo)致除氧器損壞，當(dāng)下列任一條件觸發(fā)時(shí)，主蒸汽至除氧器壓力調(diào)節(jié)閥及主蒸汽至除氧器排放閥將被閉鎖打開，主蒸汽至除氧器閥門的閉鎖指令優(yōu)先于閥門快開指令及正常調(diào)節(jié)指令[7]：

(1)反應(yīng)堆跳堆延時(shí)50 s后；

(2)一回路溫度<284 ℃；

(3)除氧器水位≥0.8 m；

(4)凝汽器到除氧器的給水喪失。

2 除氧器保壓控制策略實(shí)現(xiàn)

2.1 保壓控制策略的意義及原理

機(jī)組在300 MW以上高負(fù)荷運(yùn)行期間，除氧器處于滑壓運(yùn)行狀態(tài)，除氧器壓力跟隨機(jī)組負(fù)荷的變化而變動(dòng)。除氧器滑壓運(yùn)行帶來的主要問題是：機(jī)組負(fù)荷變動(dòng)時(shí)除氧器內(nèi)水溫的變化滯后于除氧器壓力的變化。在負(fù)荷驟升時(shí)，除氧器壓力較溫度上升速度更快，導(dǎo)致除氧效果惡化。在負(fù)荷驟降時(shí)，高壓缸排汽壓力迅速下降，除氧器壓力較溫度下降速度更快，有損壞除氧器淋水盤的風(fēng)險(xiǎn)，并容易導(dǎo)致主給水泵汽蝕[8]。在除氧器選型、安裝高度、主給水泵選型均已確定情況下，解決上述問題行之有效的辦法就是快速投入新汽源，阻止除氧器壓力持續(xù)下降。但僅靠主蒸汽至除氧器壓力調(diào)節(jié)閥正常的PID調(diào)節(jié)已不能迅速將閥門開大維持除氧器壓力在0.17 MPa，除氧器壓力將發(fā)生較大下降。通過檢測除氧器抽汽逆止閥前壓力下降速率的大小可準(zhǔn)確判斷機(jī)組是否處于甩負(fù)荷工況, 邏輯如圖2所示。

圖2 除氧器保壓邏輯簡圖

2.2 除氧器壓力設(shè)定值的形成

當(dāng)控制系統(tǒng)檢測到除氧器抽汽逆止閥前壓力下降速率大于0.003 MPa/s時(shí)，機(jī)組處于甩負(fù)荷工況，觸發(fā)除氧器保壓模式生效。此時(shí)記憶除氧器壓力，延時(shí)45 s后，在此基礎(chǔ)上增加0.36 MPa的偏置作為初始設(shè)定值。除氧器壓力設(shè)定值在偏置生效后即以0.1 MPa/min的速率下降，當(dāng)設(shè)定值下降為0或除氧器抽汽逆止閥前壓力比除氧器壓力高0.016 MPa時(shí)復(fù)位除氧器保壓模式。除氧器壓力設(shè)定值形成邏輯見圖3。除氧器壓力設(shè)定值的時(shí)間函數(shù)是根據(jù)機(jī)組熱平衡圖并通過瞬態(tài)仿真計(jì)算所得，見圖4。通過對除氧器壓力設(shè)定值的定量計(jì)算，計(jì)算結(jié)果直接作為甩負(fù)荷時(shí)除氧器壓力控制器的設(shè)定值輸入，可快速控制主蒸汽至除氧器壓力調(diào)節(jié)閥打開一定開度，使新蒸汽快速進(jìn)入除氧器，在滿足現(xiàn)有除氧器壓力控制系統(tǒng)基本性能要求的基礎(chǔ)上，提高了除氧器壓力控制的響應(yīng)速度及控制精度。

圖3 除氧器壓力定值形成回路

圖4 除氧器壓力設(shè)定值的時(shí)間函數(shù)

2.3 除氧器給水控制策略

結(jié)合機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行特性，機(jī)組在大于50%功率平臺(tái)發(fā)生甩負(fù)荷或跳機(jī)不跳堆等工況50 s后機(jī)組的給水溫度將大幅下降，除氧器水位采用單回路控制的響應(yīng)較慢將導(dǎo)致大量低溫給水進(jìn)入除氧器，使除氧器內(nèi)壓力迅速下降，大幅降低主給水泵的汽蝕余量。為配合除氧器保壓控制策略的成功應(yīng)用，保證主給水泵的安全運(yùn)行[9]，除氧器給水控制設(shè)計(jì)了除氧器水位控制與給水流量控制雙模式控制策略，除氧器保壓模式生效時(shí)處于流量控制模式，可快速實(shí)現(xiàn)對除氧器供水的限制。正常運(yùn)行時(shí)處于水位控制模式，可保證除氧器水位穩(wěn)定，2種控制策略可以自動(dòng)實(shí)現(xiàn)無擾切換。除氧器給水調(diào)節(jié)采取雙閥控制，可由操縱員通過開關(guān)來選擇參與控制的閥門，給水流量控制模式的邏輯見圖5。在符合設(shè)計(jì)的瞬態(tài)工況發(fā)生時(shí)，除氧器給水調(diào)節(jié)自動(dòng)切換為流量控制模式，被調(diào)量為低加出口流量。

由機(jī)組熱平衡圖和除氧器動(dòng)態(tài)模型的仿真計(jì)算結(jié)果可知，流量設(shè)定值為流量模式觸發(fā)時(shí)間的函數(shù)[10]，流量模式觸發(fā)350 s后，即流量設(shè)定值從3 924 t/h逐步減小為2 520 t/h時(shí)，自動(dòng)切換為水位控制模式，給水流量設(shè)定值時(shí)序見圖6。機(jī)組發(fā)生甩負(fù)荷等工況55 s后，給水溫度大幅降低時(shí)通過迅速減少除氧器給水流量設(shè)定值保持除氧器壓力穩(wěn)定，為主給水泵提供足夠的安全汽蝕余量[11]。

圖5 除氧器給水流量控制模式邏輯簡圖

圖6 給水流量設(shè)定值時(shí)序圖

3 問題分析及解決方案

(1)二次保壓失敗。模擬除氧器保壓試驗(yàn)過程中，在進(jìn)行第2次保壓試驗(yàn)時(shí)保壓模式被提前復(fù)位，導(dǎo)致保壓控制失敗。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，在第1次保壓試驗(yàn)成功后，除氧器壓力設(shè)定值的時(shí)間函數(shù)輸出保持為負(fù)值，除氧器保壓模式壓力設(shè)定值≤0。當(dāng)再次啟動(dòng)保壓控制時(shí)，由于DCS信號采集、邏輯運(yùn)算需一定周期[12]，保壓模式生效第1個(gè)運(yùn)算周期內(nèi)除氧器壓力設(shè)定值的偏置尚未計(jì)算為0.36 MPa，除氧器保壓模式的壓力設(shè)定值仍≤0，導(dǎo)致保壓模式被提前復(fù)位，保壓控制失敗。因此，在除氧器保壓模式壓力設(shè)定值≤0復(fù)位保壓模式的邏輯中增加了1 s的延時(shí)模塊，有效規(guī)避了DCS運(yùn)算周期帶來的時(shí)間差[13]，確保了除氧器保壓控制的正確動(dòng)作。

(2)除氧器壓力變送器、除氧器抽汽逆止閥前壓力變化率的量程設(shè)置不滿足現(xiàn)場需求。機(jī)組在滿功率運(yùn)行時(shí)除氧器抽汽逆止閥前壓力為0.83 MPa，該平臺(tái)發(fā)生甩負(fù)荷工況，根據(jù)保壓邏輯在45 s后設(shè)定值將在原基礎(chǔ)上自動(dòng)增加0.36 MPa，設(shè)定值瞬間可以達(dá)到1.19 MPa，而除氧器壓力變送器量程設(shè)置為0～1 MPa，不滿足現(xiàn)場需求，后將量程變更為0～1.2 MPa。除氧器抽汽逆止閥前壓力變化率的量程原設(shè)置為0～1.2 MPa/s，實(shí)際發(fā)生甩負(fù)荷工況時(shí)除氧器抽汽逆止閥前壓力將迅速下降，變化率為負(fù)值，原量程無法滿足控制需求。將除氧器抽汽逆止閥前壓力變化率量程修改為-0.05～0.05 MPa/s，經(jīng)驗(yàn)證可滿足現(xiàn)場需求。

(3)保壓模式被頻繁觸發(fā)。汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)期間由于除氧器抽汽逆止閥前壓力波動(dòng)導(dǎo)致除氧器保壓模式被頻繁觸發(fā)，主蒸汽至除氧器壓力調(diào)節(jié)閥不斷開大，致使除氧器壓力、溫度持續(xù)升高，間接提高了備用主給水泵機(jī)械密封水的出口溫度，有造成主給水泵失去備用的風(fēng)險(xiǎn)，也不利于除氧器的安全運(yùn)行。為防止變送器波動(dòng)導(dǎo)致除氧器保壓邏輯誤觸發(fā)，對除氧器抽汽逆止閥前壓力增加了1 s的一節(jié)慣性環(huán)節(jié)再進(jìn)行變化率判斷。由于機(jī)組在270 MW及以下負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，除氧器抽汽逆止閥前壓力<0.17 MPa，除氧器蒸汽尚未由高壓缸排汽供應(yīng)。此時(shí)保壓模式的生效對除氧器壓力控制無益，建議后續(xù)可在除氧器保壓模式生效邏輯中增加機(jī)組低負(fù)荷時(shí)的閉鎖條件。

(4)存在模式切換失敗的風(fēng)險(xiǎn)。除氧器給水控制由水位控制模式切換為流量控制模式的判斷條件之一為瞬態(tài)工況發(fā)生前機(jī)組功率>50%，該條件未設(shè)置后延時(shí)功能，在控制系統(tǒng)采集到汽機(jī)跳閘或甩負(fù)荷信號時(shí)機(jī)組功率可能已降低至50%以下，存在模式切換失敗的風(fēng)險(xiǎn)。因此，在機(jī)組功率>50%條件后增加了3 s的后延時(shí)模塊，及時(shí)記憶了機(jī)組跳閘前的功率水平，確保了除氧器給水控制模式切換的動(dòng)作準(zhǔn)確。

(5)除氧器給水控制由水位控制模式切換為流量控制模式時(shí)，給水流量的初始設(shè)定值為定值(3 924 t/h)，將導(dǎo)致機(jī)組低功率甩負(fù)荷時(shí)除氧器水位波動(dòng)較大。因此，可考慮將給水流量的設(shè)定值優(yōu)化為瞬態(tài)工況發(fā)生前機(jī)組負(fù)荷的函數(shù)，這樣有利于降低除氧器水位波動(dòng)，使除氧器給水流量控制模式更好地適應(yīng)多功率平臺(tái)下的瞬態(tài)工況。

4 瞬態(tài)工況下除氧器保壓控制策略的響應(yīng)

(1)甩負(fù)荷擾動(dòng)試驗(yàn)。機(jī)組在50%—15%—50%功率平臺(tái)進(jìn)行5%/min負(fù)荷線性變化試驗(yàn)時(shí)，除氧器抽汽逆止閥前壓力變化率為±0.001 MPa/s；機(jī)組在30%功率平臺(tái)進(jìn)行10%負(fù)荷階躍變化試驗(yàn)時(shí)，除氧器抽汽逆止閥前壓力變化率為±0.001 MPa/s；機(jī)組進(jìn)行負(fù)荷線性變化試驗(yàn)及負(fù)荷階躍變化試驗(yàn)時(shí)，除氧器抽汽逆止閥前壓力的下降速率均小于0.003 MPa/s，除氧器保壓模式未觸發(fā)，主蒸汽至除氧器壓力調(diào)節(jié)閥未開啟，除氧器蒸汽壓力控制平穩(wěn)，滿足設(shè)計(jì)要求。

(2)跳機(jī)不跳堆及反應(yīng)堆跳堆試驗(yàn)。機(jī)組在50%功率平臺(tái)進(jìn)行跳機(jī)不跳堆試驗(yàn)時(shí)，除氧器抽汽逆止閥前壓力變化率為±0.002 MPa/s。50%功率平臺(tái)進(jìn)行反應(yīng)堆跳堆試驗(yàn)時(shí)，除氧器抽汽逆止閥前壓力變化率為-0.002～0.003 MPa/s，下降速率均未超過0.003 MPa/s，除氧器保壓模式未觸發(fā)。

(3)甩負(fù)荷試驗(yàn)。機(jī)組在50%功率平臺(tái)進(jìn)行甩負(fù)荷至汽輪機(jī)額定轉(zhuǎn)速試驗(yàn)，除氧器抽汽逆止閥前壓力變化率為-0.015～0.002 MPa/s，小于-0.003 MPa/s，延時(shí)45 s后除氧器保壓模式自動(dòng)觸發(fā)，除氧器蒸汽壓力設(shè)定值由試驗(yàn)前的0.339 MPa自動(dòng)增加到0.699 MPa，主蒸汽至除氧器壓力調(diào)節(jié)閥迅速響應(yīng)開大至35%。隨后設(shè)定值按0.1 MPa/min的速率自動(dòng)下降，除氧器壓力由除氧器壓力保壓控制器自動(dòng)調(diào)節(jié)，機(jī)組甩負(fù)荷7min 19 s后，除氧器壓力調(diào)節(jié)由保壓控制器自動(dòng)切換為正常壓力控制器。除氧器保壓模式觸發(fā)期間，除氧器壓力最高為0.368 MPa，最低為0.207 MPa，下降速率為0.025 MPa/min，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于除氧器不高于0.2 MPa/min的要求，有效保證了除氧器和主給水泵的安全運(yùn)行，具體趨勢見圖7。

1—機(jī)組負(fù)荷；2—汽機(jī)轉(zhuǎn)速；3—除氧器壓力；4—除氧器抽汽逆止閥前壓力；5—除氧器抽汽逆止閥前壓力變化率；6—除氧器保壓模式設(shè)定值；7—主蒸汽至除氧器壓力調(diào)節(jié)閥開度；8—除氧器保壓模式。

圖7機(jī)組甩50%負(fù)荷至汽輪機(jī)額定轉(zhuǎn)速

Fig.7Rejecting50%loadtoratedspeed

5 結(jié) 語

通過對除氧器保壓控制策略及除氧器給水控制策略的不斷調(diào)整，除氧器保壓模式觸發(fā)正常，除氧器給水控制模式切換準(zhǔn)確。在機(jī)組30%、50%功率平臺(tái)期間進(jìn)行了負(fù)荷擾動(dòng)、跳機(jī)不跳堆、甩負(fù)荷至空載、甩負(fù)荷至廠用電、反應(yīng)堆跳堆等多種典型瞬態(tài)試驗(yàn)，除氧器壓力、水位控制平穩(wěn)，除氧器壓力下降速率為0.025MPa/min，滿足除氧器結(jié)構(gòu)的要求，保障了除氧器及主給水泵的穩(wěn)定運(yùn)行，為機(jī)組的安全運(yùn)行創(chuàng)造了有利條件。寧德核電站除氧器保壓控制策略的成功應(yīng)用可為后續(xù)核電機(jī)組的調(diào)試起到一定的借鑒作用。

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(編輯：張小飛)

ApplicationofDeaeratorPressureControlStrategyinNingdeNuclearPowerStation

PEI Zhenkun

(China Nuclear Power Engineering Co., Ltd., Shenzhen 518124,Guangdong Province, China)

Through the research on the working principle, internal structure, and operation mode of deaerator in unit 1 in Ningde nuclear power station, this paper deeply analyzed the design purpose, suitable operating mode, detection principle and implementation method of deaerator pressure control strategy, and summarized the problems that appeared in commissioning stage and their solutions. Then, this paper verified the response of deaerator pressure control strategy in typical transient tests, such as turbine trip and rejecting 50% load to rated speed. The results show that the steam pressure of deaerator can be controlled smoothly. The relevant experience has a certain reference value for other nuclear power station.

nuclear power station; deaerator; automatic control; transient condition

TM 623

： A

： 1000-7229(2014)06-0142-05

10.3969/j.issn.1000-7229.2014.06.027

2013-12-24

：2014-02-17

裴振坤(1981)，男，大學(xué)本科，工程師，現(xiàn)主要從事核電站儀控調(diào)試工作，E-mail:pzk_cn@163.com。