蒸发器水位控制

陈 亮

（中核核电运行管理有限公司，浙江 海盐314300）

0 引言

蒸发器水位控制的功能是将SG水位维持在程序值上。水位过高淹没汽水分离器时，导致流向汽轮机的蒸汽湿度过大，损坏汽轮机叶片，并且有可能造成阀门带水操作的风险(失灵或损坏)；水位过低露出给水环管时，会引起水锤冲击，水位低到露出传热管时，会引起一回路冷却不充分，导致堆芯过热的危险。

该功能还须由给水泵速度控制系统共同参与完成。

1 原理

SG水位控制是通过控制给水流量来实现。给水流量是通过并联安装的2个调节阀来完成的：在高负荷（20%FP以上）时用主给水流量调节阀（即主阀），在低负荷（20%FP以下）时用旁路给水流量调节阀（即旁阀）。见图1。图1中，ARE031VL是主阀，ARE242VL是旁阀。

图1 SG给水流量控制流程图

为了优化调节阀的运行，需要使阀门两端的压差近似恒定。这种恒定是通过控制主给水泵的速度，将给水母管和蒸汽母管之间的压差维持在程序值上而实现的。该程序值是负荷的函数。如图2所示。

图2 蒸汽发生器水位定值与负荷的关系

2 影响因素

SG水位与给水流量、给水温度、反应堆冷却剂温度和蒸汽流量有关。

SG水位的控制通过主阀和旁阀调节给水流量来实现，主给水流量是阀门开度和阀门两端差压的函数，而差压又由主给水泵控制。以下分析几个变量对SG水位的影响：

——与负荷有关的SG水装量；

——水位对于给水流量阶跃变化的响应；

——水位对于蒸汽流量阶跃变化的响应；

——给水流量对于调节阀开度阶跃变化的响应。

2.1 SG水装量

因为高负荷时气泡份额更高，所以SG的水装量是负荷的减函数。

2.2 水位对于给水流量阶跃变化的响应

在稳态运行时，给水质量流量和蒸汽质量流量是平衡的。如果给水流量阶跃增加，在较长的时间内，水位将按照给水质量流量和蒸汽质量流量之差的积分增加；但在较短的时间内则可以观察到不同的现象：因为给水温度比再循环水温度低，水流首先在下降通道中冷却，然后引起管束中的蒸汽冷凝。汽水混合物的平均比容最终减少（收缩），意味着水集中在管束的底部。因此，流量在下降通道中的增大抵消了水位的增加，有时甚至引起水位下降。由于低负荷时给水温度更低，这一现象更加明显。图3描述了在所有控制回路都不参与调节的情况下，SG水位对于给水流量的阶跃响应曲线。

图3 给水流量阶跃变化-5%的SG水位响应曲线

2.3 水位对于蒸汽流量阶跃变化的响应

如果蒸汽流量阶跃增加，压力下降使SG二次侧汽水混合物膨胀，传递到二回路的热量也增加，这两种现象导致水位升高（膨胀作用）。因此水位对于蒸汽流量阶跃增加的响应，在初始阶段的变化和最终变化相反，由于蒸汽/给水流量失配的积分作用，最终的变化将是水位下降。如果蒸汽流量阶跃减少，SG水位则在增加之前下降（收缩）。在低负荷时将更加明显。水位响应曲线如图4所示。

图4 蒸汽流量阶跃变化-5%的SG水位响应曲线

2.4 给水流量对于调节阀开度阶跃变化的响应

与给水流量和调节阀开度有关的过程主要取决于调节阀的传递函数、给水泵的运行模式和给水母管/蒸汽母管压差控制的动态特性。当两台给水泵都处于自动时，控制作用较快。

3 用于蒸汽发生器水位控制的测量

3.1 水位测量

跟水位相关的的4台窄量程传感器（ARE010MN/052MN/055MN/058MN）。这4台窄量程水位变送器用于蒸汽发生器的保护。其中的三台用于蒸汽发生器的水位控制。一个表决器（VOTER）用于计算三台变送器（ARE010MN/052MN/058MN）测量值的平均值。低水位保护通道采用两个变送器的信号（ARE055MN/058MN）。高高和低低水位保护通道采用四台变送器的信号。

水位测量校准为0%～100%，0%对应管板二次侧内表面之上11.271 m处，即略低于给水环管。水位测量的范围为0 m～3.6 m。

3.2 蒸汽流量

蒸汽流量Qv是通过测量SG上封头和位于限流器下游蒸汽管道两测点之间的压差ΔP确定的。同时，因为密度影响质量流量的测量，而密度是压力的线性函数，所以，在蒸汽流量测量通道中需要引入压力信号做密度补偿。

3.3 给水流量

每条给水管路上都有一台文丘里管，通过测量文丘里管嘴和上游流体之间的压差确定给水流量。每台文丘里管配有三台流量变送器，它们分别有差压变送器和开方器组成（流量测量不需要密度校正）。其中两台变送器用于保护，并通过一个选择器（VOTER）选择较低的一个信号用于蒸汽发生器水位控制。在额定功率运行时，给水流量测量的精度高于2%。第三台变送器用于低负荷保护（ATWT系统）。

3.4 汽机负荷

汽机负荷由汽机进气压力来表征。

为了计算程序水位，蒸汽发生器水位控制系统使用宽量程汽机进气压力信号。压力由GRE 022MP/023MP/024 MP测量后送到GCT系统的选择器（VOTER），测量取平均值后金国函数发生器GCT 420GD修正汽机负荷与汽机进汽压力的非线性关系后，送到ARE系统用于蒸汽发生器水位控制。

在低负荷时，由于蒸汽流量测量信号不可用，蒸汽发生器水位控制还使用窄量程汽机进汽压力变送器GRE044MP的测量信号。

3.5 蒸汽总量

“高负荷蒸汽总量”由下述两项之和计算得到：

——宽量程汽机进汽压力；

——表征去冷凝器的汽机旁路蒸汽流量和去除氧器的蒸汽流量。

“低负荷蒸汽总量”由下述两项之和计算得到：

——窄量程汽机进汽压力；

——表征去冷凝器的汽机旁路蒸汽流量和去除氧器的蒸汽流量。

表征去冷凝器的蒸汽排放信号须由来自第一组前2个阀门的开始行程信号加以确认（由限位开关输出）。

去除氧器的蒸汽流量信号须由ADG主调节阀的开始行程信号加以确认（由限位开关输出）。

3.6 给水母管和蒸汽母管差压

差压变送器ARE001/002/003MP提供主给水泵速度控制系统所需的输入信号。

3.7 给水温度

每台SG都有一支测量给水温度的传感器，高选单元选择三个温度中最高的一个用于水位控制。

4 蒸汽发生器水位控制的执行机构

4.1 调节阀

（1）每台SG配有两台调节阀：

旁阀（ARE242VL/243VL/244VL），用于调节约20%的名义流量。（注意：该阀的实际容量约为25%名义流量）该阀用于启动和低负荷水位控制，高负荷时保持全开；

（2）主 阀（ARE031VL/032VL/033VL），用 于 调 节约90%的名义流量。该阀用于高负荷水位控制（高于20%FP）。

这两台调节阀配合可以在任何功率水平下自动控制给水流量。

每台主阀和旁阀的上游和下游均配有隔离阀（上游隔离阀只能就地操作；下游隔离阀可以在就地和控制室操作）。

调节阀设计成在反应堆保护系统产生快速关闭信号之后1～5 s内关闭（可调）。调节阀的流量特性是线性的，全行程时间小于20 s。

4.2 主给水泵

给水系统装备了并行布置的三台电动主给水泵，每台泵提供大约50%的名义流量。

给水泵从除氧器（ADG）抽水送到高压给水加热器系统。最小流量管线的出口在除氧器。

在高负荷时（约50%FP），两台给水泵正常运行，第三台给水泵备用。

调节给水泵速度以维持主给水调节阀两端压降尽可能的为常数。

5 蒸汽发生器水位控制原理

蒸发器水位控制原理图见图5。

图5 蒸汽发生器水位调节原理图

每台SG有一个水位控制回路，水位控制回路包括：

——PID水位调节器，滤波后的蒸汽流量信号减去调节器输出，得到给水流量需求信号；

——流量调节器，它利用给水流量需求信号和给水流量测量信号，调整主阀的开度；

——旁阀控制通道（低负荷控制），主阀和旁阀的切换系统也包括在此；

——与反应堆紧急停堆有关的逻辑；

——“跟踪”系统。

5.1 SG水位控制回路

（1）SG程序水位

SG水位整定值是负荷的函数，所选的负荷信号必须能代表SG总的输出。故选取宽量程汽机压力信号与到冷凝器（GCT）的蒸汽流量与到除氧器（ADG）的蒸汽流量的总和作为SG的总的输出。

对于0%FP-20%FP，水位从窄量程水位34%线性增加到50%，在20%FP以上，恒定在50%。即如图2所示。

（2）水位调节器

由2个模块组成，一个比例积分（PI）模块和一个与之串联的微分（D）模块。由于工艺过程本身为积分作用，所以PI环节中的积分作用不应太强。

在低负荷时控制系统的稳定性较差，所以控制系统的增益是负荷的增函数，如图6所示，用一个随给水温度升高而增加的系数乘以水位误差信号实现这一要求。

图6 变增益环节

所用的给水温度是三个温度信号（每台SG一个）的高选值。由此可见，即使一台蒸汽发生器被隔离，对于所有三台蒸汽发生器，其乘数也是一样的，而且信号是有效的。

5.2 给水流量控制

（1）高负荷下的给水流量控制

滤波后的蒸汽流量信号减去水位调节器的输出信号，得到给水流量需求信号。同时配备手动/自动操作站，允许运行人员手动控制主阀。

（2）低负荷下的给水流量控制

因为在低负荷时利用手动控制水位十分困难，所以控制系统必须从0%FP-100%FP都能自动控制。

低负荷控制是根据水位调节器的输出控制旁阀，该调节阀安装在与主阀并联的旁路给水管上。低负荷控制时不再有给水流量的闭环控制，水位调节器的输出信号转换为阀门的开度信号。在高负荷运行时保持旁阀全开。

因为“高负荷蒸汽总量”此时不再可用，所以此处选用“低负荷蒸汽总量”信号，该信号是以下两项之和：

——窄量程汽机进汽压力；

——蒸汽向冷凝器（GCT）的排放和去除氧器的蒸汽（ADG）。

低负荷控制回路配有手动/自动操作站，允许运行人员手动控制旁阀。

（3）低负荷/高负荷切换

当“低负荷蒸汽总量”低于整定值时，一个负偏置加到流量调节器上，从而关闭主阀，此偏置可调（目前定为8.5%FP）。一旦主阀关闭，水位控制由旁路流量调节器完成。引入偏置的作用是为了避免两个调节阀同时工作。

当“低负荷蒸汽总量”高于整定值时，偏置逐步地消失，主阀重新投入，此时旁阀全开。

6 S G水位控制的建议

6.1 将蒸汽发生器水位看作一/二回路热工水力状态的反映

不要把蒸汽发生器水位看作孤立的现象，一回路功率、蒸汽负荷变化、给水系统状态变化等都要影响蒸汽发生器水位。因此，在汽机冲转等一/二回路大的操作或瞬态之前要保证蒸汽发生器水位稳定。如果蒸汽发生器水位异常，要及时稳定一/二回路，判断当时的水位变化是瞬态过程还是水装量的真正变化，根据一/二回路的情况做总体分析。

6.2 正确判断手动干预时机

何时采用手动干预？是否水位一出现异常就要手动干预？最好在此之前有个基本的判断，确认自动调节是否有效。例如当蒸汽发生器水位下降时，要观察是否给水流量大于或将大于蒸汽流量或低负荷下宽量程是否上升，如果是这样的，根据蒸汽发生器的热工特性，窄量程水位会在瞬态之后上升，而这个瞬态长短则取决于当时的功率水平。否则，表明自动调节回路无法调节，必须及时手动干预。

6.3 掌握好干预的方式

根据前面分析的调节系统的特点，在手动干预时一定要将主调节阀/旁路调节阀同时放手动，干预后切回自动时先将主调节阀置自动，然后才置旁路调节阀自动。最好不要将给水泵转速放手动，如果确实需要，在调节其转速时要缓慢，观察汽水压差、给水流量的变化。在调节一台蒸汽发生器水位时，要同时关注另外两台的走势，尤其是在给水泵转速调节手动的情况下更为重要。

6.4 控制干预的幅度

干预的幅度一定要加以控制，过犹不及，避免看到水位异常就把给水阀开很大或关很小的做法。如果在水位下降时给水很大，超出蒸汽流量很多，则会由于冷水效应加速窄量程水位的下降，而且还可能导致给水母管压力波动，影响另外两台蒸汽发生器的给水。干预时最好使给水流量超过蒸汽流量几十吨或在低负荷时宽量程水位略有上升，这样可以保证冷水效应的影响较小，同时避免对另外两台蒸汽发生器水位的影响。