核电站蒸汽发生器水位控制主／旁路阀切换改进与优化

陈永伟，付敬强，邱河文，张立国，犹代伦

（中广核核电运营有限公司，广东深圳 518124）

核电站蒸汽发生器水位控制主／旁路阀切换改进与优化

陈永伟，付敬强，邱河文，张立国，犹代伦

（中广核核电运营有限公司，广东深圳 518124）

结合国内多个核电基地CPR1000机组，从工程实际的角度阐述了核电站蒸汽发生器水位控制主／旁路阀切换过程中常见的故障模式，其主要包括主／旁路阀允许切换的阈值欠优、主／旁路阀频繁切换以及主阀开启时间过迟。针对上述常见故障模式给出了解决方案，从切换点优化、扰动量控制和差异化控制3方面实现对蒸汽发生器水位控制系统的优化和改进。此方案在工程中得到了验证，对避免核电站蒸汽发生器水位控制在主／旁路阀切换过程中出现较大水位扰动及保护设备方面取得了良好效果，同时此方案中的具体操作和实现方法也为同类CPR1000核电机组提供参考和借鉴。

CPR1000机组；蒸汽发生器；水位控制；主／旁路阀；PID调节

核电站蒸汽发生器水位控制系统作为核电站CPR1000机组重要控制系统之一，其主要功能为实现蒸汽发生器二次侧水位维持在需求的整定值上［1］。如果水位过高，将会造成出口蒸汽含水量超标，加剧汽轮机的冲蚀现象，影响机组的寿命，甚至造成机组损坏。同时在蒸汽管道破裂的事故工况下，对堆芯产生过大的冷却易导致反应性事故的发生。如果水位过低，则将会导致U型管顶部裸露［2］，可能导致给水管线出现水锤现象，严重时会造成堆芯余热的导出功能恶化。而在蒸汽发生器水位调节过程中最易出现调节扰动的时间点为主／旁路阀的切换过程，如何保证主／旁路阀切换的顺畅和稳定，对于核电机组的安全稳定运行显得尤为重要，针对上述问题本文进行有效地探讨。

1 控制原理

核电站蒸汽发生器水位控制主要包括主给水调节阀（主阀）调节和旁路给水调节阀（旁路阀）调节两个部分，其原理如图1所示。

图1 核电站蒸汽发生器水位控制原理Fig．1 Level control principle of steam generator in nuclear power plant

主给水调节阀的调节是1个三通道调节回路，包括1个闭环调节通道和1个开环调节通道。在开环调节回路中，实测给水流量（MD1、MD2）的小选值（ZI）与经过校正后的蒸汽流量（MD3、MD4）的大选值（ZA）输入到加法器（ZO1）相比较，给出汽水失配信号QPV。采用汽水失配信号反映水位变化趋势较水位误差信号灵敏，是一种前馈。而闭环通道则主要产生水位偏差值，其主要通过由负荷1（KM1）产生的需求蒸汽发生器水位与真实水位（AVG）进行差值运算（ZO2）实现。水位偏差值再经过水位PID调节环节（RG1、RG2）产生给水流量整定值信号与开环通道产生的汽／水失配信号一同送到流量PI调节环节（RG3）中［3］进行处理，输出对应的主给水调节阀的开度信号（ME1）。

在低负荷时，测量流量的节流装置两端压差太小，使流量测量不精确，信噪比也变得较差。因此在电站启动及低负荷期间，蒸汽发生器的水位由旁路调节阀来控制，控制通道为P调节环节（RG4）。同时低负荷情况下，水位的膨胀及收缩现象十分明显，为了提高低负荷时调节回路的稳定性，通过给水温度引入一个变增益环节（MU）［4］，使低负荷时水位调节器的增益系数减小。

2 常见故障模式

2．1 阈值欠优

核电站蒸汽发生器水位主阀控制的流量PI调节环节（RG3）有两路输入信号，一路为实际蒸汽发生器水位（AVG）与二回路负荷1（KM1）表征的水位整定值（GD）进行差值运算产生的流量整定值QSP；另一路为汽水偏差信号QPV。当二回路负荷2（KM2）小于切换定值，切换开关闭合，人为设定的蒸汽流量QMS（定值环节MS）被引入。汽水偏差信号QPV＝QG－QW－QMS。其中：QG为仪表变送器测得的蒸汽流量信号（大选环节ZA）；QW为仪表变送器测得的给水流量信号（小选环节ZI）；QMS＝－8．5%Qn，其中，Qn为核电机组满功率蒸汽额定流量。只有当QPV＞QSP，蒸汽发生器主阀才开始开启，但在真实工况下，实际与需要水位一致，QSP≈0，蒸汽流量与给水流量近似相等QG≈QW，得到QPV＝QG－QW－QMS≈－8．5%Qn，主阀处于可靠关闭的位置。当二回路负荷KM2大于切换定值，切换开关断开，虚拟了一个负的8．5%Qn的蒸汽流量被切除，汽水偏差信号QPV＝QG－QW－0，如果满足QPV＞QSP，主阀就会产生开启信号。

在实际过程中，由于二回路用汽量表征的二回路负荷KM2不准确或切换定值设置的不合理，常会导致允许主／旁路阀切换的时间点不合理。如果允许切换点过早，可能由于需求信号QPV＞QSP，导致主阀提前开启。因主阀的供水能力强，进而导致蒸汽发生器水位波动。如果允许切换点过迟，由于旁路阀在大开度情况下调节能力差，亦会导致蒸汽发生器水位波动。允许切换点的设置常以旁路阀的开度信号作为参考，理想的切换区间为旁路阀开度信号的70%～80%，如图2中国内某CPR1000核电机组二回路负荷在增长过程中对应三环路旁路阀开度指示。

图2 二回路负荷曲线对应环路旁路阀开度Fig．2 The second loop load curve corresponding bypass valve opening

2．2 频繁切换

对国内多台CPR1000核电机组统计发现，蒸汽发生器水位控制过程中发生概率较高的一种故障模式为主／旁路阀的频繁切换。其主要原因为给水流量变送器和蒸汽流量变送器量程标定参数设置的不合理或校验参数调整的不准确，进而导致主阀经过频繁的开启关闭之后才能保持稳定的开度。图3为国内某CPR1000核电机组主／旁路阀频繁切换故障模式的信号曲线。随蒸汽发生器水位的降低，被调量小于水位整定值，经控制系统的调节作用使蒸汽发生器给水主阀开始开启，由于给水需求值较大，瞬间开度达到10%左右。主阀开大后，给水流量增加，蒸汽发生器水位也明显增加，当被调量大于水位整定值时，控制系统反相调节，随着水位升高主阀又开始关闭。此过程循环多次，造成主／旁路阀频繁切换，进而导致蒸汽发生器水位波动剧烈（波动幅度达0．3m），如果严重可能触发蒸汽发生器水位保护逻辑。

图3 主／旁路阀频繁切换故障模式Fig．3 Failure mode of master／bypass valve frequent switch

同时主给水调节阀在较小的开度下频繁开启、关闭运行也会引起阀座过度磨损，对设备存在损坏的风险。

2．3 切换过迟

常见的又一类故障模式为主／旁路阀切换过迟，图4为国内某CPR1000核电机组主／旁路阀切换过迟故障模式的信号曲线，从曲线上可看出，当旁路阀达到90%开度信号时，主阀还未开启，而此时旁路阀的流量调节特性已明显变差，造成给水流量不足，蒸汽发生器水位缓慢降低。在旁路阀接近100%开度信号时，控制主阀的流量调节器RG3（PI调节器）仍无需开度信号，蒸汽发生器水位持续降低，造成实际蒸汽发生器水位与整定值偏差大。而流量整定值QSP是由实际蒸汽发生器水位和与二回路负荷表征的水位整定值偏差产生的，随蒸汽发生器水位的降低，QSP向负值方向变化，且其绝对值增大，当QPV＞QSP时，主阀开始开启。此故障模式为降低蒸汽发生器实际水位值来谋求主阀的开启信号，这种方式对蒸汽发生器水位的扰动剧烈，从图4的曲线上可看出，在蒸汽发生器水位降低到约－0．2m时（水位整定值为0 m），主阀才有开启信号。而随后由于主阀瞬间的开大，开度达10%左右，又导致蒸汽发生器水位出现了明显的超调现象。

图4 主／旁路阀切换过迟故障模式Fig．4 Late failure mode of master／bypass valve switch

3 改进与优化

3．1 切换点优化

为了保证主／旁路阀在切换过程中的顺畅和稳定，首先需对允许切换点进行优化，其主要包括两个方面。

1）保证KM2表征的二回路负荷的准确性

二回路负荷KM2是用二回路的用汽量表征的，主要分为3部分：汽机用汽量、排冷凝器用汽量和排除氧器用汽量［5］。通常采用的标定方式为假设加法器的每个输入的增益系数和加法器偏置作为4个未知变量，通过变化功率，获得4组方程等式。通过联立4个四元一次方程求解出变量，求解公式为：

E＝K1A＋K2B＋K3C＋D

式中：E为热功率；A为蒸汽旁路控制信号；B为蒸汽排除氧器调制信号；C为汽机进汽压力；K1、K2、K3为加法器的增益系数；D为加法器的偏置。

根据上述标定方式，求解K1、K2、K3、D，得到二回路负荷KM2的计算公式：

EKM2＝K1A＋K2B＋K3C＋D

但标定完成后可能由于多种原因导致每次机组在启动过程中KM2表征的二回路负荷出现稍许偏差，则需根据实际情况进行一定的微调和修正。其修正方法为在核功率约17%FP时（主／旁路阀切换前），比较二回路负荷KM2与一回路功率信号的匹配性，若偏差数值大并超过一定阈值，即｜EKM2－EAM｜＞ΔE（偏差阈值），则可能危及水位调节控制，需对加法器增益系数和偏置进行微调和修正，保证其一致性。

2）保证允许切换点阈值的合理性

允许切换点阈值的设置主要参考旁路阀的调节特性，常用的方法为：如果EKM2＝20%FP，给水流量仍可通过旁路阀调节，即给水流量非保持不变，说明旁路阀的给水调节能力较强，则可适当提高允许切换的阈值。同时参考旁路阀开度信号，一般理想的切换区间为旁路阀开度约为70%～80%，结合3个环路的一致性，确定允许切换的阈值。

3．2 扰动量控制

蒸汽流量与给水流量之间的差异是系统的主要扰动［6］，主／旁路阀的频繁切换的主要原因为蒸汽流量与给水流量之间的差异导致流量PI调节环节RG3输出主阀开启信号时有时无。消除这一故障主要实现方式为在允许切换后RG3保持缓慢增长、稳定的输出信号，即扰动量控制，扰动量控制主要包括以下两个方面。

1）保证给水流量标定的准确性

在100%FP平台变送器测得的给水流量实际值为QW，变送器的初始量程为R01，给水流量理论值为QFWO（由热平衡测得），如果给水流量实际值与理论值存在偏差且｜QFWO－QW｜＞ε0＋ε′FW，则需重新校正变送器的量程，计算变送器新的量程值为：

2）增加蒸汽流量修正值并保证蒸汽流量标定的准确性

由于QSP≈0，保证QG＞QW，则RG3输出稳定的开启信号。所以在蒸汽流量变送器标定时，适当增加一流量修正值QM，则可消除主／旁路阀的频繁切换，主要的实现过程如下。

在100%FP平台变送器测得的蒸汽流量实际值为QG，变送器的初始量程为R02，蒸汽流量理论值为QG－S，其值为：

QG－S＝QRef＋QM

式中：QRef＝QFWO－Qbd，为蒸汽流量参考值，Qbd为排污流量；QM为流量修正值，QM≈10t／h。

3．3 差异化控制

CPR1000机组安装有3台蒸汽发生器，即存在3个蒸汽发生器水位的控制环路，如果3个环路的水位控制参数偏差较大，不可避免对蒸汽发生器水位的控制带来困难。二回路负荷KM2允许切换阈值动作信号对3个环路的蒸汽发生器控制都生效。如果在允许切换信号动作时刻，3个环路旁路阀的调节特性存在较大差别，会给部分蒸汽发生器的水位控制带来扰动。

差异化控制主要保证3个蒸汽发生器水位控制环路的一致性，影响差异化的因素较多，有工艺系统的原因［7］、安装和设计的差别及设置参数的不合理等。但从仪控的角度主要考虑两个方面：1）保证主／旁路阀前后压差的一致性，此通过给水母管和蒸汽母管压差控制通道实现［8］；2）保证主／旁路阀特性的一致性，即在相同的压差和控制信号下，阀门的给水能力具有较好的一致性，此主要通过阀门功能校验控制。

4 结论

结合国内多个核电基地CPR1000机组的统计和分析，本文列举了核电站蒸汽发生器水位控制主／旁路阀切换过程中常见的故障模式，其中包括主／旁路阀允许切换的阈值欠优、主／旁路阀频繁切换以及主阀开启时间过迟。而上述故障模式的出现无疑给蒸汽发生器水位的控制带来困难，严重时可能触发保护动作，对机组的安全和稳定运行埋下隐患。针对上述故障模式，本文从切换点优化、扰动量控制以及差异化控制3方面，提出了对蒸汽发生器水位控制主／旁路阀切换过程的优化和改进，此优化和改进方案对同类CPR1000核电机组具有较大的借鉴和参考意义。

［1］ 钱虹，叶建华，钱非．蒸汽发生器水位全程控制系统数字化及仿真实现［J］．核动力工程，2010，31（2）：58－62．

QIAN Hong，YE Jianhua，QIAN Fei．Digitization and simulation realization of full range control system for steam generator water level［J］．Nuclear Power Engineering，2010，31（2）：58－62（in Chinese）．

［2］ 黄兴华，王启杰，王如竹．基于分布参数模型的满液式蒸发器性能模拟［J］．上海交通大学学报，2004，38（7）：1 164－1 169．

HUANG Xinghua，WANG Qijie，WANG Ruzhu．Prediction of the performance of flooded refrigerant evaporators based on a distributed parameter model［J］．Journal of Shanghai Jiaotong University，2004，38（7）：1 164－1 169（in Chinese）．

［3］ 张宇声，郭立峰，蔡猛．基于模糊自适应参数整定的直流蒸汽发生器PID控制系统研究［J］．核动力工程，2008，29（4）：93－96．

ZHANG Yusheng，GUO Lifeng，CAI Meng．Study on PID control system based on fuzzy selfadaptive parameter－adjustive technique of oncethrough steam generator［J］．Nuclear Power Engineering，2008，29（4）：93－96（in Chinese）．

［4］ 付明玉，施小成，陈德娟．直流蒸汽发生器控制系统研究［J］．核科学与工程，2002，22（2）：108－112．

FU Mingyu，SHI Xiaocheng，CHEN Dejuan．Study on the control system of a once－through steam generator［J］．Chinese Journal of Nuclear Science and Engineering，2002，22（2）：108－112（in Chinese）．

［5］ 马蜀．压水堆蒸发器水位调节失控跳堆分析及在线诊断调整［J］．核科学与工程，2009，29（4）：328－340．

MA Shu．Trip analysis and online diagnosis regulation for loosing water level control of the PWR steam generator［J］．Chinese Journal of Nuclear Science and Engineering，2009，29（4）：328－340（in Chinese）．

［6］ 李凤宇，张大发，王少明．基于遗传算法的蒸发器水位PID控制研究［J］．原子能科学技术，2008，42（1）：137－141．

LI Fengyu，ZHANG Dafa，WANG Shaoming．PID control for nuclear generator water level based on genetic algorithm［J］．Atomic Energy Science and Technology，2008，42（1）：137－141（in Chinese）．

［7］ 甘建衡．改进型蒸汽发生器的研究［J］．核科学与工程，1995，15（3）：193－198．

GAN Jianheng．Study on the improvement of steam generator［J］．Chinese Journal of Nuclear Science and Engineering，1995，15（3）：193－198（in Chinese）．

［8］ 柏立战，林贵平，张红星．环路热管稳态建模及运行特性分析［J］．北京航空航天大学学报，2006，32（8）：894－898．

BAI Lizhan，LIN Guiping，ZHANG Hongxing．Steady state modeling of loop heat pipes and operating characteristics analysis［J］．Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics，2006，32（8）：894－898（in Chinese）．

Improvement and Optimization of Master／Bypass Valve Switching Process for Steam Generator Level Control of Nuclear Power Plant

CHEN Yong－wei，FU Jing－qiang，QIU He－wen，ZHANG Li－guo，YOU Dai－lun
（China Nuclear Power Co．，Ltd．，Shenzhen518124，China）

According to the statistics of domestic nuclear power plant CPR1000units，the common failure modes in the steam generator level control about the master／bypass valve switching process were described．The main modes include that the master／bypass valve switching threshold owes excellent，the master／bypass valve frequently switches and the master valve opens too late．And then a solution was raised about how to improve the master／bypass valve switching process，including switching point optimization，disturbance value control and difference control．This solution is performed in the project site and is verified feasible and effective．

CPR1000units；steam generator；water level control；master／bypass valve；PID regulator

TH165．3

：A

：1000－6931（2015）03－0523－06

10．7538／yzk．2015．49．03．0523

2013－11－28；

2014－01－20

陈永伟（1986—），男，浙江海宁人，工程师，自动化专业