三门1#机组硼酸配比回路优化

田继栋

（三门核电有限公司，浙江台州 317112）

0 引言

三门1#机组采用非能动三代压水堆技术，相比二代压水堆，系统、设备数量明显减少。与二代压水堆比较，三门1#机组的硼酸配比回路简化明显，取消了容控箱等设备，使用三通阀将硼酸和除盐水混合配出目标硼浓度的硼酸溶液。实际运行中经常出现硼酸偏差报警，即配出的硼酸溶液浓度偏离目标硼浓度超过87.5×10-6。通过分析硼酸偏差报警产生的原因，在保留原设计优点的基础上对硼酸配比回路进行适当优化，消除硼偏差报警。

1 三门1#机组硼酸配比回路原设计

三门1#机组硼酸配比回路主要由三通阀、除盐水减压阀、硼酸流量表、除盐水流量表等沟通（图1）。通过该回路配制浓度自0～4500×10-6的硼酸溶液，满足一回路、非能动系统、乏池等系统、设备的需求。

硼酸储存箱位于地面层，箱内储存有4375×10-6（2.5%）的浓硼酸，靠重力提供硼酸驱动力，将硼酸补至三通阀的入口；除盐水母管压力约为0.8 MPa（g），通过除盐水减压阀降低至0.11～0.12 MPa（g），将除盐水补至三通阀入口。硼酸和除盐水在三通阀内混合成一定浓度的硼酸溶液，通过补水泵补至一回路、乏池和非能动系统等处。

图1 硼酸配比回路原设计

2 硼酸偏差报警及其原因

根据设计，三通阀连接的硼酸管线压力由硼酸储存箱液位重力提供，除盐水管线经过减压阀减压后压力与硼酸管线压力大致相同，因此调节三通阀开向硼酸和除盐水的开度，即可获取目标浓度的硼酸溶液。

因为目标硼浓度=（硼酸流量×硼酸储存箱硼浓度）/（硼酸流量+除盐水流量），所以目标硼浓度/硼酸储存箱硼浓度=硼酸流量/（硼酸流量+除盐水流量）。这样，SP=目标硼浓度/硼酸储存箱硼浓度，目标硼浓度确定后，SP 值是固定的；PV=硼酸流量/（硼酸流量+除盐水流量），补水总流量（即“硼酸流量+除盐水流量”）确定后，PV随着硼酸流量变化；目标硼浓度和补水总流量确定后，控制系统通过调节三通阀开度，调节硼酸流量，使PV等于SP，即可配制出目标硼浓度的硼酸溶液。

为了防止配出的硼酸浓度偏离目标硼浓度，控制系统设置了硼偏差保护：当PV-SP＞0.02 持续1 min，会产生硼偏差报警，硼偏差报警持续1 min，补水自动停止。理论上，控制系统通过调节硼酸流量使PV等于SP。但实际运行发现，PV值围绕SP 波动，（PV-SP）经常超过0.02（图2）。

经过分析发现，造成PV值频繁波动的原因主要有3 个。

（1）根据原设计，补水期间，除盐水减压阀后压力稳定，调节三通阀即可获得稳定的除盐水流量和硼酸流量。实际运行发现，除盐水减压阀后压力无法达到要求的稳定程度，除盐水流量变化，减压阀后压力随之变化；尤其当除盐水母管压力波动时，减压阀后压力波动更加剧烈，因此除盐水流量和硼酸流量波动较大，PV-SP 经常大于0.02，产生硼偏差报警。

（2）除盐水减压阀定值根据设计规范是固定的，运行一段时间后发现除盐水减压阀定值自动偏离了原设定值，由于减压阀定值的偏离导致系统的固有特性发生变化，补水期间三通阀的开度、除盐水减压阀后压力等参数亦随之变化。

图2 硼酸配比参数趋势

（3）硼酸储存箱液位变化时，硼酸管线压力随之变化，与原设计中硼酸管线压力与除盐水减压阀后压力大致相同的理念相左，系统的固有特性也随之改变。

3 设计优化

原有硼酸配比回路设计对设备特别是除盐水减压阀和三通阀的要求较高，当前工业水平满足不了该设计需求。而且该设计对控制系统算法提出了很高的要求，需要响应速度和系统稳定性有很好的平衡，否则容易因系统震荡导致补水操作停止。为了解决硼酸配比回路存在的诸多问题，提出了如下解决方案。

（1）取消除盐水减压阀，以除盐水流量控制阀代替，根据目标硼浓度和补水总流量即可计算出所需要的除盐水流量，除盐水流量表控制除盐水流量控制阀以获取目标除盐水流量；

（2）在硼酸管线上增加硼酸流量控制阀，根据目标硼浓度和补水总流量即可计算出所需要的硼酸流量，硼酸流量表控制硼酸流量控制阀以获取目标硼酸流量；

（3）取消三通阀，以管道混合器代替，硼酸和除盐水在管道混合器中混合获得均匀硼浓度的硼酸溶液（图3）。

图3 优化后的硼酸配比回路设计

相比于原设计，通过流量控制的优点主要有3 个。

（1）参数容易控制。原设计中，需要保证除盐水减压阀后压力恒定、硼酸储存箱液位恒定，通过调节三通阀获得目标硼浓度。实际运行发现：受工业水平限制，除盐水减压阀后压力难以保持恒定；而且随着硼酸消耗，硼酸储存箱液位会下降，如果维持硼酸储存箱液位尽量恒定，需要经常向硼酸储存箱补充硼酸。

（2）控制变量单一。补水总流量、目标硼浓度已知的情况下，所需硼酸流量和除盐水流量可计算得出，硼酸流量由硼酸流量控制阀调节，除盐水流量由除盐水流量控制阀调节，除盐水和硼酸相互不干涉。

（3）参数波动影响小。除盐水压力和硼酸储存箱液位波动时，控制阀自动调节硼酸和除盐水流量，可保证硼酸和除盐水流量恒定。

4 结束语

一回路硼浓度与反应堆反应性控制密切相关，如果硼酸配比回路无法获取稳定和准确浓度的硼酸溶液，则反应堆反应性将与反应性计划偏离，造成一回路平均温度、反应堆功率等参数波动，影响反应堆安全和核电机组的稳定。

三门1#机组的硼酸配比回路设计具有超前的设计理念，但现有工业水平无法满足该理念的要求，造成硼酸配比回路经常出现报警。本研究提供的优化方式，既保留了原有硼酸配比回路的优秀设计，又降低了系统控制的难度，可以有效解决硼酸配比回路报警的问题。