核電水位控制系統(tǒng)介紹

田秘

摘 要：壓水堆核電廠由一、二次回路構(gòu)成，蒸汽發(fā)生器在其中起到樞紐的作用。蒸汽發(fā)生器的水位控制在核電站的安全運(yùn)行中占有重要的地位。穩(wěn)壓器水位控制系統(tǒng)是核電站另一個(gè)重要的控制系統(tǒng)，與核電站的安全、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行有直接關(guān)系。

關(guān)鍵詞：壓水堆；核電廠；核能

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.24.143

1 核島組成和運(yùn)行原理

核電廠是利用核能生產(chǎn)電能的電廠。壓水堆核電廠是由一回路（包括壓水反應(yīng)堆系統(tǒng)和反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)）、二回路（包括動(dòng)力轉(zhuǎn)換和蒸汽系統(tǒng)）、發(fā)電機(jī)系統(tǒng)、輸配電系統(tǒng)、循環(huán)水及其他輔助配套系統(tǒng)。流程圖如下圖1所示。

產(chǎn)生蒸汽的原理是核反應(yīng)堆裂變釋放的熱能通過(guò)反應(yīng)堆冷卻劑傳遞給二回路。壓水堆核電廠反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)的構(gòu)成如下圖2，每一條壓力壓力容器上的封閉環(huán)路包括至少一臺(tái)冷卻劑泵、一臺(tái)蒸汽發(fā)生器及其相應(yīng)的管道。

蒸汽發(fā)生器將傳遞熱量給水使之變成高溫高壓蒸汽，驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)組發(fā)電，在冷凝器內(nèi)作功后的乏汽冷凝成水，凝結(jié)水泵將凝結(jié)水先輸送至低壓加熱器經(jīng)加熱后進(jìn)入除氧器，給水泵將除氧水送入高壓加熱器加熱后再返回蒸汽發(fā)生器，形成水的循環(huán)利用。

2 穩(wěn)壓器水位控制系統(tǒng)

2.1 穩(wěn)壓器水位控制系統(tǒng)的功能

一回路壓力的穩(wěn)定由穩(wěn)壓器控制，冷卻劑的變化由堆芯擾動(dòng)和負(fù)荷的變化引起，導(dǎo)致載熱劑體積的變化，一回路壓力也將產(chǎn)生變化。一回路壓力太大將會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重后果，可能使整個(gè)回路處于危險(xiǎn)的工況下，易管道爆管、設(shè)備因應(yīng)力作用疲勞等事故。水汽化，堆芯局部沸騰等是由于壓力過(guò)低導(dǎo)致的，冷卻劑和燃料元件的傳熱惡化，將會(huì)出現(xiàn)的危險(xiǎn)是燃料元件融化。所以一回路壓力的穩(wěn)定，維持在整定目標(biāo)值的范圍內(nèi)直接影響核電廠的安全穩(wěn)定運(yùn)行，可見(jiàn)對(duì)穩(wěn)壓器壓力控制的重要性。

通過(guò)穩(wěn)壓器水位的控制，使穩(wěn)壓器維持在一個(gè)適宜的水位定值上。水位過(guò)高有失去壓力控制作用的危險(xiǎn)，也有可能出現(xiàn)安全閥進(jìn)水的危險(xiǎn)；水位過(guò)低有可能暴露加熱元件而燒毀的危險(xiǎn)。

電廠正常運(yùn)行時(shí)，反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)除穩(wěn)壓器上部汽空間外，其余部分充滿了水。因此穩(wěn)壓器水位就代表了一回路的水裝量。電廠在冷卻降溫和升溫過(guò)程中，反應(yīng)堆冷卻劑溫度Tav也將隨之發(fā)生變化，將會(huì)使反應(yīng)堆冷卻劑產(chǎn)生體積膨脹或壓縮；在負(fù)荷瞬變過(guò)程中，由于Tav隨負(fù)荷的變化而變化，因此一回路冷卻劑的體積也隨負(fù)荷的變化而改變，此外，一回路的任何泄露也將引起冷卻劑量的減少。所有這些，都會(huì)引起穩(wěn)壓器水位的變化。通過(guò)控制穩(wěn)壓器的水位，來(lái)保持一回路冷卻劑的適當(dāng)裝量，穩(wěn)壓器水位控制系統(tǒng)將完成這些任務(wù)。

2.2 穩(wěn)壓器水位控制的策略

穩(wěn)壓器水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)是一個(gè)串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，由兩個(gè)調(diào)節(jié)器組成。主調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)水位，水位誤差信號(hào)加上下泄流量決定給水補(bǔ)充流量的設(shè)定值。副調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)流量，它處理上充流量誤差信號(hào)，去調(diào)節(jié)上充流量調(diào)節(jié)閥來(lái)改變上充流量，以調(diào)節(jié)穩(wěn)壓器水位。

函數(shù)發(fā)生器GF1通過(guò)一回路平均溫度最大值Tav，max的輸入計(jì)算出水位定值。此外，函數(shù)發(fā)生器GF2的輸入是一回路平均溫度Tav，max與根據(jù)二回路負(fù)荷而定的平均溫度參考值Tref進(jìn)行比較的差值，（Tav，max-Tref）的值作為前饋信號(hào)對(duì)水位整定值進(jìn)行修正，以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。

操作員也可以認(rèn)為給定一個(gè)水位定制，這主要在自動(dòng)給整定值元件故障時(shí)使用，水位整定值受到最低值限制。這是為了防止因水位過(guò)低加熱器裸露在汽空間而燒毀。用高選單元實(shí)現(xiàn)這一要求。高選單元的輸出即為水位調(diào)節(jié)器設(shè)定值。

函數(shù)發(fā)生器GF3處理的信號(hào)是水位設(shè)定值與水位測(cè)量值在加法器中進(jìn)行比較誤差信號(hào)。GF3的另一作用是非線性增益環(huán)節(jié)，可以保證調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性和增大調(diào)節(jié)器的響應(yīng)速度。當(dāng)有小的誤差信號(hào)時(shí)他能減小增益，減少流量調(diào)節(jié)閥頻繁動(dòng)作以提高調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性；有大的誤差信號(hào)時(shí)增大增益，可以加快調(diào)節(jié)系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

函數(shù)發(fā)生器GF3的輸出作為水位調(diào)節(jié)器（PI）的輸入，水位調(diào)節(jié)器的輸出與實(shí)測(cè)的下泄流量相加后作為上充流量的整定值輸入給函數(shù)發(fā)生器GF4。GF4的作用是對(duì)上充流量整定值進(jìn)行上限、下限的限制。上限是為了保證上充泵提供給主泵的軸封水有足夠的注入壓頭，下限是為了防止下泄流因在再生熱交換器中得不到充分冷卻在下泄孔板處汽化。上充流量調(diào)節(jié)的整定值是經(jīng)GF4限制后的輸出。

上充流量調(diào)節(jié)整定值與上充流量實(shí)測(cè)值的誤差信號(hào)作為流量調(diào)節(jié)器（PI）的輸入，計(jì)算出流量調(diào)節(jié)閥的指令信號(hào)。

3 蒸汽發(fā)生器水位控制

3.1 蒸汽發(fā)生器水位控制系統(tǒng)的作用

蒸汽發(fā)生器是壓水堆核電站主要設(shè)備之一。三臺(tái)蒸汽發(fā)生器分別裝在三條熱工回路上。反應(yīng)堆芯產(chǎn)生的熱量傳遞給一回路的載熱劑再經(jīng)蒸汽發(fā)生器傳遞給二回路的水，產(chǎn)生高溫高壓蒸汽帶動(dòng)汽輪機(jī)做功。另外，由于一回路的水流經(jīng)堆芯具有放射性，蒸汽發(fā)生器防止二回路被污染起到隔離屏障作用。

蒸汽發(fā)生器二次側(cè)水面的垂直高度即為蒸汽發(fā)生器的水位。水位有寬量程水位和窄量程水位兩種。寬量程水位在水位大范圍內(nèi)變化時(shí)使用，用于測(cè)量向蒸汽發(fā)生器充水、放水操作和濕保養(yǎng)階段。窄量程水位的量程范圍小，刻度細(xì)，用于保護(hù)和控制。

正常運(yùn)行時(shí)能維持水位在整定值的誤差范圍內(nèi)；特殊情況下，通過(guò)自動(dòng)或手動(dòng)調(diào)整汽水流量使水位恢復(fù)到整定值誤差范圍；即為蒸汽發(fā)生器水位控制的作用。

3.2 蒸汽發(fā)生器水位控制的一般要求

（1）在穩(wěn)定運(yùn)行情況下，穩(wěn)態(tài)偏差要小，維持蒸汽發(fā)生器的水位在整定值誤差范圍內(nèi)；

（2）在升負(fù)荷工況下，當(dāng)負(fù)荷以5%FP/min變化，通過(guò)自動(dòng)跟蹤負(fù)荷的變化情況，維持水位在整定值誤差范圍之內(nèi)；

（3）當(dāng)給水流量有+10%擾動(dòng)，蒸汽流量成階躍變化、冷卻劑溫度有+3℃的階躍變化時(shí)，維持水位在整定值誤差范圍之內(nèi)；

壓水堆核電站中蒸汽發(fā)生器水位控制系統(tǒng)的構(gòu)成一是蒸汽發(fā)生器給水流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其二是主給水泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)。前者是對(duì)每個(gè)蒸汽發(fā)生器分別調(diào)節(jié)，流量變化比較緩慢，后者的調(diào)節(jié)對(duì)三個(gè)蒸汽發(fā)生器的給水流量都有影響，流量變化比較快，兩者相輔相成。

3.3 蒸汽發(fā)生器水位控制的功能和原理

蒸汽發(fā)生器水位控制系統(tǒng)的主要功能是將蒸汽發(fā)生器水位維持在整定值誤差范圍內(nèi)。水位過(guò)高將會(huì)產(chǎn)生蒸汽帶水現(xiàn)象，損壞汽輪機(jī)葉片。水位過(guò)低將會(huì)出現(xiàn)蒸汽發(fā)生器干鍋，影響系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行。

蒸汽發(fā)生器的給水流量決定了每臺(tái)蒸汽發(fā)生器的水位。給水流量的調(diào)節(jié)包括主調(diào)節(jié)閥、旁路調(diào)節(jié)閥和兩臺(tái)汽動(dòng)給水泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。

3.4 蒸汽發(fā)生器水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)的構(gòu)成

每臺(tái)蒸汽發(fā)生器都有水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)，調(diào)節(jié)水位的原理是采用通過(guò)調(diào)節(jié)安裝在每條給水管路上的兩個(gè)調(diào)節(jié)閥控制給水流量。一個(gè)是主調(diào)節(jié)閥（結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4），是“高流量閥”，用于15%以上功率時(shí)的水位調(diào)節(jié)。一個(gè)是旁路調(diào)節(jié)閥，用于起動(dòng)和低負(fù)荷時(shí)的水位調(diào)節(jié)，在高負(fù)荷時(shí)，保持全開(kāi)。

每個(gè)水位控制回路組成為：

（1）給水流量需求信號(hào)由PID調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)與蒸汽流量測(cè)量信號(hào)相加而來(lái)；

（2）流量調(diào)節(jié)器，它利用給水流量需求變化和給水流量測(cè)量信號(hào)，以調(diào)整主調(diào)節(jié)閥的閥位；

（3）旁路調(diào)節(jié)閥控制通道，它附有主閥和旁路閥之間的切換系統(tǒng)；

（4）與反應(yīng)堆緊急停堆相關(guān)聯(lián)的邏輯；

（5）“跟蹤”系統(tǒng)。

4 結(jié)論

本文概述了核島的基本構(gòu)成，同時(shí)對(duì)穩(wěn)壓器水位控制系統(tǒng)和蒸汽發(fā)生器水位控制系統(tǒng)進(jìn)行了介紹，分別介紹了系統(tǒng)的組成、功能、大體結(jié)構(gòu)，并對(duì)控制策略進(jìn)行了深度解析，為核電廠水位控制提供了參考。endprint