基于自动修正的蒸汽发生器水位测量技术研究

吴茜 徐涛 朱加良 何鹏 陈学坤 陈静

【摘 要】蒸汽发生器是反应堆一、二回路的换热设备，为了维持反应堆的安全运行，必须对蒸汽发生器的水位进行准确测量，其水位波动会引起蒸发器水位低触发反应堆停堆保护，同时影响蒸发器水位控制性能。传统的蒸汽发生器水位测量是采用差压表在额定工况下校准，利用差压原理进行测量的方法，该方法的局限在于水位测量参数只适用于特定工况，在其他工况下需以人工查表的形式进行修正。本文结合差压表测量蒸发器水位的原理，提出了一种在DCS中自动修正，准确得出不同工况下水位的测量方法。

【关键词】蒸汽发生器;水位测量;自动修正

中图分类号： TU995.3 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）12-0004-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.12.002

【Abstract】The Steam Generator is the heat exchanger between the first and second loop in reactor. To keep the reactors safe operation， it must measure the level of Steam Generator accurately. The level variation will lead to reactor trip and will influence the control of SGs level. In traditional measurement， it use the differential pressure transmitter to measure the level which calibrated in normal condition. The limit of this method is the parameter just apply to the specific condition. In other condition， it should measured by checking table artificially. In this essay， we provide one new measurement method according to the principle of differential pressure. The method could make self-correction in DCS， and could measure level in different condition.

【Key words】Steam Generator; Level measurement; Self-correction

蒸汽发生器是反应堆一、二回路的枢纽，它将反应堆产生的热量传递给蒸汽发生器二次侧，产生蒸汽推动汽轮机做功。同时，蒸汽发生器又是分隔一、二次侧介质的屏障，它对于核电厂的安全运行十分重要。

蒸汽发生器中的循环回路由下降通道、上升通道和连接它们的套筒缺口及汽水分离器等组成。下降通道是套筒和蒸汽发生器筒体之间的环腔;上升通道是套筒内侧和传热管束之间的通道。在循环回路中下降通道内流动的是单相的冷水，上升通道内流动的是温度较高的汽水混合的热水，形成两股温度和密度都不相同的水柱[1]。

蒸汽发生器的水位，是指在蒸汽发生器筒体和管束外套筒之间的环形部分中测得的水位，也就是冷柱的水位。核电厂正常运行时，蒸汽发生器必须保持正常的水位，若水位过低，蒸汽发生器二次侧水量过少，会引起一回路冷却不充分，管束因温度升高有可能破裂。同时，会使蒸汽进入给水环，从而在给水管道中有产生汽锤的危险，蒸汽发生器的管板还将受到热冲击;若水位过高，将导致流向汽轮机的蒸汽湿度过大[1-2]。

由于蒸汽发生器本身内部结构复杂，影响蒸汽发生器液位的参数很多，同时，随着电站的运行工况不同，与蒸汽发生器液位相关的各种参数也在发生变化，蒸汽发生器液位测量具有很强的时变性[2]。为了更好地研究适用于压水堆核电厂的蒸汽发生器水位测量技术，本文分析了传统测量方法的不足之处，提出了一种基于自动修正的蒸汽发生器水位测量技术，该方法能够提高测量准确度和实时性，更好地适用于三代核电机组。

1 传统测量方法

传统测量方法中，采用差压变送器进行水位测量，即将差压变送器的输出在额定工况下进行标定，其他工况下的水位需要操作员通过预先计算得到的水位对应关系求得。以蒸发器宽量程水位测量为例，其测量原理如图1所示。

差压变送器测量得到上下取压口的差压值（LP为低压侧，HP为高压侧），同时根据理论计算公式得到蒸发器零水位和满水位下的压差对应关系：

其中：

实际运行中，差压变送器在热态0%功率（15.5MPa，344℃），仪表管温度40℃的工况下标定，测量范圍为-12.78m～3.13m。在偏离此工况后，差压变送器的输出值并不能真实反映实际水位，需要采用人为修正的方式进行计算。即在不同功率平台下（20%FP，40%FP，60%FP，80%FP，100%FP），利用公式计算得到零点和满点的差压值，与标定工况下的差压值对比找出修正系数。操作员根据修正系数的对应关系就可以得出对应工况下的实际水位值，修正系数的对应关系如图2所示。

从上述方法中可以看出，测量仪表只能准确得出特定工况下的水位值，对于其他工况下的水位值必须依据修正系数人为进行计算得出。此外实际运行中只针对几个典型的工况给出了修正系数，并没有覆盖全部工况。

2 自动修正测量方法

为了解决传统测量方法的不足，在目前核电厂全面使用数字化平台的前提下，本文提出了一种基于自动修正的测量方法。该方法的核心在于将影响测量值的各项因素进行梳理，利用DCS的数字处理能力，将各项影响因素在DCS中一一进行修正计算，从而准确得出最终的水位值。

根據差压法水位测量原理，蒸发器水位计算公式如下所示：

式中：H为实际水位;

ΔP为测量得到的压差。

从上述关系式中可以看出，ΔP可由差压表直接测量得到，dr，C，g均为常数量，变化参量为下降流温度TD和密度ρD，仪表管水的密度ρr，蒸汽密度ρv。

为得到上述变化参量，需引入主蒸汽压力和仪表管温度测量参量，同时根据水和水蒸气热力性质国际标准IAPWS-IF97给出的计算公式进行拟合求解，该过程在DCS中进行修正计算，计算流程如图3所示。

其中：

从上述自动修正测量方法中可以看出，该方法将复杂的影响因素通过修正公式的形式引入DCS计算模型中，通过自动计算可实时得出不同工况下的水和水蒸气状态特性，从而求得水位测量值，减少了人为查表的过程，提高了自动化程度。

3 对比分析

对比上述两种测量方法，可以看出基于自动修正的水位测量技术明显优于传统的测量技 术，主要表现在以下两个方面：

提高了测量精度

自动修正方法中引入了仪表管温度测量参数，通过DCS自动进行仪表管内水的密度计算，假设仪表管内水温变化30℃，对水位测量的影响为1.2%。因此，通过实时监测仪表管水温，将该参量引入水位测量计算中，可提高蒸发器水位测量精度。仪表管温度对水位测量的影响如图4所示。

实现了输出显示的实时性和全面性

采用数字化的测量方法，其计算和修正过程在DCS平台中完成，不需人工干预，能够实时得到水位测量值。同时消除了传统方法中针对典型工况的对应计算，能够满足全工况的测量要求。

4 结束语

蒸发器水位测量对于核电厂的安全可靠运行至关重要，为准确测量该参数，本文提出了基于自动修正的新型水位测量方法，该方法可以对不同测量工况下的蒸汽发生器中水、水蒸气、仪表管水的密度等参数实时计算，使测量系统可以确保在任何工况下都可以直接测量到实际水位，提高了测量的精度，减轻了运行人员负担。

【参考文献】

[1]朱继洲主编.压水堆核电厂的运行[M].北京：原子能出版社，2008.

[2]董子龙.基于PID和H_∞控制方法的蒸汽发生器水位控制[D].哈尔滨工程大学，2011.

[3]邓天勇.蒸汽发生器电接点水位测量技术研究，船电技术[J].2005.

[4]何正熙等.基于数字化技术的反应堆测量系统修正方法研究，核动力工程[J].2014.