方家山核電廠并網時蒸汽發生器水位運行策略優化

丁言鋒

(中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314303)

1 背景介紹

近年來國內M310型壓水堆核電機組發生多起因蒸汽發生器水位高高或低低導致機組停堆停機的事件。如2014年陽江1號機組因3號蒸汽發生器水位高高疊加P7信號導致停堆[1]。方家山核電廠在運行實踐中也曾發生因蒸汽發生器水位高高導致輔助給水系統啟動運行事件[2]。2018年7月12日，方家山核電廠1號機組在交換機升級過程中因1KCP525AR一對CP(注：控制器)切網時短時離線觸發循泵電機繞組溫度高質量位三取二信號，兩臺循泵同時跳閘，1號機組自動停機停堆[3]。在機組完成小修重新并入華東電網過程中，操縱員將三臺蒸汽發生器給水調節閥恢復自動控制后，三只給水旁路調節閥自動全開導致三臺蒸汽發生器水位大幅波動[4]。本文從方家山核電廠1號機組并網過程中蒸汽發生器主給水旁路閥投自動控制后全開事件的過程分析出發，著重討論方家山核電廠機組在發電機并網過程中蒸汽發生器水位運行控制策略改進及優化分析。

2 方家山核電廠蒸汽發生器水位控制系統原理

蒸汽發生器水位控制是通過調節進入該蒸汽發生器的給水流量來完成的。每臺蒸汽發生器正常給水回路設置兩條并列管線：主管線上的給水主調節閥用于高負荷(≥20%FP)運行工況水位調節，旁路管線上的給水旁路調節閥用于低負荷(<20%FP)及啟、停階段運行工況水位調節。蒸汽發生器水位控制原理圖如圖1所示。

圖1 蒸汽發生器水位控制原理圖

2.1 給水主調節回路

在高負荷運行工況下，給水主調節閥承擔蒸汽發生器水位蒸汽發生器調節功能，此時旁路調節閥處于全開狀態。從圖1可知，給水主調節閥控制回路是三通量(蒸汽發生器液位、蒸汽流量、給水流量)調節回路，包括一個閉環調節通道和一個開環調節通道。

閉環通道中，液位調節器的輸入信號是蒸汽發生器實測液位與程序液位整定值(由二回路總功率信號經函數發生器轉換而來)的偏差經給水溫度增益修正的偏差信號，經過PID液位調節器輸出給水流量整定值信號Q設定。

在開環調節回路中，實測給水流量Q水與經過校正后的蒸汽流量Q汽相比較，輸出汽水失配信號Q失配。該信號與液位調節器的輸出信號Q設定在加法器中求和后，輸入到流量調節器中，在流量調節器中按下式(1)產生流量偏差信號e流：

e流=Q失配-Q設定=(Q汽-Q設定)-Q水

(1)

閉環通道中產生的給水流量信號與開環通道產生的汽水失配信號疊加后作為流量調節器的輸入信號，采用汽水失配信號反映水位變化趨勢比水位誤差信號靈敏，是一種前饋，它的引入增加了給水流量調節的速度。流量調節器輸出對應的主給水調節閥的開度信號，經一自動/手動控制器輸出相應的閥門開度模擬信號，經過電氣轉換器控制調節閥的執行機構以調節閥門開度，從而改變給水流量以控制蒸汽發生器水位。

2.2 給水旁路調節閥調節回路

主給水旁路管線上裝有一個給水旁路調節閥，在低負荷(<20%)時通過旁路調節閥來控制蒸汽發生器水位。此時，仍用液位調節器輸出的信號Q設定進行閉環水位調節。由于在低負荷運行工況下，蒸汽流量測量不準確，調節回路中沒有汽水失配的開環控制。為了改善低負荷運行工況下調節回路的特性，引入總蒸汽流量作為前饋信號，其中代表汽輪機蒸汽流量的信號來自窄量程汽機入口壓力信號，這樣大大提高了其測量精確度。閉環信號與開環信號按相反極性相加，偏差經函數發生器轉換為旁路調節閥開度信號，經電氣轉換器控制其開度。

當負荷低于20%時，閾值繼電器420XU1動作，將偏置模塊-8.5%的信號按與給水流量相同的極性加到加法器中，其作用相當于給水流量增加，所以主給水調節閥更加可靠地關閉，不會產生又關又沒關嚴的現象。

在低負荷工況，計算二回路蒸汽負荷的432 KM值取決于以下4個參數：GRE044GD(GRE044MP汽機窄量程沖動級壓力)、GCT-C旁排控制信號、ADG除氧器壓力信號計算出的開度信號401ZI、偏置量504MS(2%)。如圖2所示。

圖2 低負荷工況下二回路總負荷生成圖

2.3 無擾切換與復制回路

無擾切換是調節系統設計時要考慮的主要問題之一。調節閥由自動切向手動后，在施加手動作用前，閥位保持在切換前自動信號決定的位置，不存在擾動問題；但由手動切向自動時，原決定于手動作用的閥位一般與自動裝置計算出的閥位不一致，如果在電路上又未采取適當措施，就有可能產生擾動問題。一般采用復制信號方法來保證手動切向自動時不產生擾動。

當給水流量調節閥處于手動控制時，若要切換到自動控制，為了保證調節功能和連續性，需用手動轉自動的無擾動切換復制系統，如圖3所示。

圖3 給水流量調節閥的復制系統[6]

液位調節器復制信號的產生與閥門的運行狀態和負荷水平有關。圖中開關信號代表負荷水平和相應調節閥的自動/手動狀態，當負荷大于20%FP且給水主調節閥處于手動時，主調節閥的復制開關閉合，液位調節器接通其復制信號；當負荷小于20%FP且旁路閥處于手動時，旁路閥的復制開關閉合，液位調節器接通其復制信號。

2.3.1 高負荷時(負荷大于20%Pn)主給水閥手動控制轉為自動的無擾動切換

在高負荷下，主閥的復制系統示于圖3上半部。圖中流量調節器402RG直接復制手動信號X，為了無擾動地切換到自動控制，液位調節器401RG提供的信號S必須使流量調節器輸入端的誤差信號保持為零，即：

QSWB-S=0

(2)

式中，QSWB——汽水流量失配信號；

S——液位調節器的輸出信號。

因此，液位調節器401RG必須復制的信號為：

S=QSWB

(3)

2.3.2 低負荷時(負荷小于20%Pn)旁路給水閥手動轉自動的無擾動切換

在低負荷下，旁路閥的復制系統示于圖3下半部。為了使旁路閥無擾動地從手動切換到自動控制，液位調節器401RG提供的信號S必須使函數發生器407RG的輸出信號等于手動信號y，即：

(4)

式中，QV——蒸汽總流量；

S——液位調節器的輸出信號；

由上面這些關系式可以得出液位調節器必須復制的信號為：

S=QV-qY

(5)

2.4 主給水負偏置環節

蒸汽發生器水位調節從主給水閥切換到旁路給水閥是在負荷從20%Pn向低于該負荷過渡時進行的。如圖1所示，閥門切換信號來自經過濾波后的總蒸汽負荷信號。它經過一個可調的閾值繼電器420XU1，當負荷低于閾值(20%Pn)時，該繼電器便使它的開關閉合，使401MS與回路接通。401MS發出一個-8.5%FP偏置信號，與給水流量信號相加，并與蒸汽流量信號相比較后輸入到流量調節器，由于給水流量的信號大于蒸汽流量的信號，從而使主給水閥關閉。偏置信號的作用是為了避免兩個調節系統同時工作[5]。

當負荷增加到高于20%時，偏置信號從流量調節器402RG上消失，從而使主調節閥恢復流量控制，此時旁路閥處于全開狀態。為了保證主給水閥和旁路給水閥切換時的連續性，偏置信號的建立和消失應該是逐漸的，而不應是突變的。這一目的是通過一階濾波器來達到。

當給水主調節閥置于手動，401MS的-8.5%的偏置信號將接入汽水偏差環節，當負荷增加到高于閾值20%時，若主閥仍處于手動，水位主調節器接入401MS產生的偏置信號，使液位調節器有一個階躍輸出，旁路閥將立即全開，目的是當主閥在手動無法及時響應，讓旁閥全開以滿足較高負荷下的給水需求。

3 并網過程給水旁路調節閥開度突變分析

機組并網過程中，由于機組并網后將帶上初始負荷，隨著蒸汽負荷的增加，蒸汽發生器的蒸汽壓力快速下降，在上升通道將產生更多的氣泡，使循環流動阻力增大，循環流量GT減小，給水將積聚在下降通道的上部空間，使水位上升。另外，蒸汽發生器蒸汽流量的突然增加，會使被分離出來的再循環流量Gr增加，從而也使下降通道環形空間水位上升。因而在過渡過程的第一階段，我們將觀察到水位迅速上升。通常把這一現象稱作“水位膨脹”，它在液位調節器作用之前出現。過渡過程之后，由于蒸汽流量大于給水流量，水位將下降。

為了避免此種虛假水位對蒸汽發生器水位控制系統的影響，運行規程中常采用的做法是在發電機并網前一瞬間，將給水主調節閥和旁路調節閥同時置為手動控制，待機組并網后虛假水位效應消失后重新將給水調節閥恢復自動控制。

然而，由于受并網初始核功率高低的影響，且由于并網后機組帶上初始負荷，表征汽機功率的窄量程進汽壓力GRE044MP會突跳至汽機初始負荷對應數值，同時由于旁排閥關閉速度較慢，導致機組并網后一段時間內表征二回路總負荷的ARE432KM會逐漸上漲至主旁閥切換定值點。因復制回路的存在，將導致給水調節閥由手動切向自動的過程中，閥門開度出現大的波動。從方家山核電廠歷史庫中調取了5次大小修汽機并網過程中相關參數，分析在這些并網過程中給水調節閥開度波動情況。如表1所示。

表1 方家山歷次汽機并網過程給水調節閥波動相關參數表[4]

從表1可以看出，102大修及713小修并網過程中，給水旁路調節閥均出現了波動。對比旁路閥突開過程，可以發現：

1)并網后二回路功率ARE432KM將有一個明顯的升高過程，升高范圍從1.3%至7%不等；

2)旁路閥從手動切回自動時的功率點ARE432KM小于20%時，旁路閥都沒有突開；旁路閥兩次突開時，旁路閥從手動切回自動時的二回路功率點ARE432KM都大于20%；

3)103大修并網時，雖然并網后的二回路熱功率大于20%，但是旁路閥從手動切回自動時的功率點小于20%，沒有發生突開現象。

3.1 主給水通道和旁路給水通道的自動切換

3.1.1 負荷增大時的切換

以3號蒸汽發生器為例，在低負荷時(<20%)，蒸汽發生器水位為液位單沖量控制，低負荷閾值信號420XU1、420XU2觸發，使偏置信號407MS(-8.5%)流入汽水偏差控制器(403ZO)，使得主閥流量調節器(406RG)一直輸出負值，從而使得給水主調節閥一直處于關閉狀態，旁路閥起到水位調節作用；當功率達到20%時，該偏置信號逐漸消失，蒸汽發生器水位切為蒸汽發生器水位、蒸汽流量和給水流量三沖量控制，主調閥逐漸開啟，旁路調節閥逐漸全開。

3.1.2 偏置信號接入旁路閥控制回路分析

在低負荷時(<20%)，407MS偏置信號進入汽水偏差控制器(403ZO)，使主調閥關閉，同時旁閥起到調節作用。此時，1)如果主調閥處于自動狀態下，偏置信號不會進入液位調節控制器；2)如果主調閥處于手動狀態下，偏置信號會進入液位調節選擇器。

在負荷繼續升高至高于低負荷時(>20%)，407MS偏置信號逐漸消失，因為偏置控制信號經過一個一階過濾器產生(411FI)，濾波時間為100 s；此時，1)如果主調閥處于自動狀態下，偏置信號不會進入液位調節控制；2)如果主調閥處于手動狀態下，之前存在選擇器中的-8.5%偏置信號會進入液位調節控制器，如圖4所示。

圖4 偏置信號生效過程圖

查閱給水控制系統控制功能圖，如圖5所示，可以得出跟蹤信號的變化如下：

圖5 跟蹤信號生效功能圖

1)低于20%功率時，旁路閥手動，主閥手動，滿足“旁路閥手動、<20%”的條件，允許跟蹤信號生效，旁路閥液位控制器405RG允許跟蹤；此時功率低于20%，旁路閥液位控制器405RG的跟蹤信號來源選擇為INP1，旁路閥液位控制器的實際輸出信號33；

2)高于20%功率時，旁路閥手動，主閥手動，滿足“主閥手動、>20%”的條件，旁路閥液位控制器405RG允許跟蹤；此時功率大于20%，旁路閥液位控制器405RG的32的信號來源選擇為INP2，主閥液位控制器406RG的實際輸出信號45，即包含了-8.5以及主蒸汽流量和主給水流量的計算結果；

3)高于20%功率時，旁路閥切回自動時，信號45(即包含了-8.5以及主蒸汽流量和主給水流量的計算結果)被輸出至液位控制器中參與旁路閥門控制，造成旁路閥突開；

4)如果等待功率低于20%時，旁路閥再切回自動；在功率低于20%，旁路閥切回自動之前，31首先變為真，33被輸入到旁路閥液位控制器405RG的32中；然后旁路閥再切回自動時，由于閥位跟蹤器實現了無擾切換，所以不會造成擾動。

3.2 閥門開度突變過程數據驗證

從系統模擬圖中可以看到，偏差值產生于流量調節器(403ZO)與旁閥信號跟蹤器(413ZO)，根據第2.3節復制回路原理圖及計算公式，可以反向計算給水旁路調節閥由手動切向自動瞬間，閥門跟蹤信號的變化情況。以下調取7·13機組小修并網過程中的具體數據進行計算驗證，趨勢圖如圖6所示。

圖6 7·13小修并網參數趨勢圖

在切換臨界點時(20%)，液位控制跟蹤器輸出：

3號給水旁路調節閥開度：ARE431KM=62.63%

二回路總負荷：ARE432KM=20.01%

3號蒸汽發生器水位調節器405RG跟蹤值：

y=-ARE431KM/4+ARE432KM

=-(62.63%÷4)%+20.01%=4.35%

汽水流量偏差跟蹤器：

ARE403KM=387.5 t/h

VVP003KM=282.1 t/h

汽水偏差值QSWB=-(ARE403KM-VVP003KM)÷2442 t/h=-(387.5-282.1)÷2442=-4.32%

當3號給水旁路閥由手動切向自動切換臨界點后，3號蒸汽發生器水位調節器405RG跟蹤值=偏置值+汽水偏差值=-8.5%-4.32%=-12.82%

因此在切換時405RG的跟蹤值由4.3%變為-12.82%，即產生了約17.12%[(4.3+12.82)%]的偏差量，根據3號旁路調節閥開度流量對應函數409RG，y=4x計算得到閥門開度將變化為：

ARE431KM′=62.63%+17.12%×4=130%

經過以上計算驗證了偏置信號引入導致旁閥的突然全開。

如果在汽輪機并網成功后，保持給水調節閥手動控制，等待一段時間(一般需至少等待大于300 s)直至偏置信號隨濾波器的作用逐漸消失，此時再將給水調節閥由手動切向自動控制，固然減小了偏置信號導致的擾動。但是汽水偏差中的-4.32%的信號仍在，在旁路閥切自動時，水位調節器405RG的跟蹤值由4.3%變為-4.32%，即產生了約8.6%的偏差量，根據閥位與流量對應函數409RG，y=4x，計算得到閥門切至自動后將達到的開度：

ARE431KM′=62.62%+8.6%×4=97%

由上式計算結果可知，流量調節閥門仍將接近全開。

3.3 模擬機驗證

為了驗證3.2節計算推理過程是否與給水調節系統特性是否一致，在模擬機上對汽機并網過程中給水調節閥的不同組態進行驗證。

(1)并網前ARE432KM超過20%前，主旁閥均置手動，達到切換閾值20%時，將給水主調節閥先切回自動，再將給水旁路調節閥切回自動。結果旁路調節閥全開，復現了713小修并網時給水旁路閥突開情景。如圖7所示。

圖7 模擬機驗證圖

(2)模擬低負荷時主調閥置于自動狀態、旁路閥置于手動狀態：

1)低負荷時，432KM約在17%，將主閥門置于自動狀態，旁路閥門置于手動狀態，同時觀察蒸汽流量、主給水流量、程序水位、蒸汽發生器水位不產生大的偏差；

2)高于低負荷時，432KM達到20%，401KS/402KS燈滅，同時觀察蒸汽流量、主給水流量、程序水位、蒸汽發生器水位不產生大的偏差，將旁路閥門切回自動狀態，旁路閥門開度線性開大至全開，未產生突開現象。

(3)模擬主調閥一直置于手動、旁閥一直置于自動狀態：

1)低負荷時，432KM約在17%，將主閥門置于手動狀態，旁路閥門置于自動狀態，同時觀察蒸汽流量、主給水流量、程序水位、蒸汽發生器水位不產生大的偏差；

2)高于低負荷時，432KM達到20%，401KS、402KS燈滅，同時觀察蒸汽流量、主給水流量、程序水位、蒸汽發生器水位不產生大的偏差，觀察旁路閥，閥門突然全開。

(4)模擬主調閥和旁路閥一直置于自動狀態：

1)低負荷時，432KM約在17%，將主閥門置于自動狀態，旁路閥門置于自動狀態，同時觀察蒸汽流量、主給水流量、程序水位、蒸汽發生器水位不產生大的偏差；

2)高于低負荷時，432KM達到20%，401KS、402KS燈滅，同時觀察蒸汽流量、主給水流量、程序水位、蒸汽發生器水位不產生大的偏差，旁路閥門開度線性開大至全開。

根據以上事件過程分析、數據計算、模擬機驗證發現，在并網前主調閥處于手動狀態，在低負荷時，偏置信號進入汽水偏差控制器，當二回路蒸汽負荷升至20%后(即ARE432KM達到20%，低負荷控制燈ARE401KS、ARE402KS滅)，在低負荷下的偏置信號未消失，并且被接入液位調節器，使液位調節器有一個較大偏差值輸出(具體數值詳見第3.2節)，此時旁路閥切自動狀態，該偏差值導致旁路閥突然全開。

問題的真正原因是主閥手動狀態下，旁路閥的單、三沖量控制切換引起的。在主閥置于手動狀態下，二回路功率低于20%時，旁路閥是單沖量控制，控制信號由功率前饋項和水位PID兩項組成；高于20%時，旁路閥自動切為三沖量控制，這時會把蒸汽流量、給水流量和偏置值同時引入，因此從單沖量切為三沖量會產生一個大的瞬態(主要由偏置信號引起)。在小于20%功率下把旁路閥置為手動，在大于20%功率之上切為自動，只不過把瞬態的產生時間延遲了。7·13并網過程中由于在主閥切自動前偏置信號已引入水位主調節器，此時將主閥和旁閥依次切自動時，偏置信號依然作用于旁閥上，以保證高于20%負荷時，旁路閥處于全開狀態。

3.4 解決方案

并網時由于汽輪機調門開啟的速度和旁排閥GCT-C關閉速度之間的匹配不完全一致，會導致蒸汽發生器壓力降低，二回路的熱功率上漲。2號機組未出現并網后的二回路的熱功率超過20%的問題，是因為并網后的發電機初始負荷+并網前的功率小于1號機組。在并網之后，如果不提升汽輪機功率，二回路的熱功率會自動恢復到并網前的數值，即小于20%。蒸汽發生器水位在并網后會首先小幅上升，然后會小幅下降，如果不把旁路閥恢復到自動，可能會降低到比并網前略低的水平。在等待功率降回到20%之下的期間，操縱員可以繼續通過手動控制旁路閥開度，控制蒸汽發生器水位，待到二回路熱功率降到20%之后，再將旁路閥恢復到自動。

根據上文的分析，有效解決并網過程給水調節閥突開的措施可以從兩個方面考慮，一方面需要降低并網后二回路負荷不至于達到切換點，另一方面，需要采取措施使得并網前后給水偏置信號不會加入到旁路閥的復制回路。針對以上兩方面，提出以下解決方案：

1)避免旁路閥的控制模式在單、三沖量之間切換。方法是在20%之前，把主閥置于自動狀態。主閥在并網前后保持在自動位置，由于-8.5%的偏置存在，主閥并不會有開度。即使有小的開度，后面的隔離閥保持在關閉狀態，也不會導致主給水流量意外上漲而使蒸汽發生器水位上升。

2)修改運行規程中關于并網前給水調節閥組態策略，在并網前，將給水主調節閥置于自動，下游隔離閥保持全關，給水旁路調節閥置于手動控制以避開虛假水位的影響；在并網后，確認給水主調節閥無開度，且確認低負荷控制燈保持亮起狀態將給水旁路調節閥恢復自動控制。若并網過程中低負荷控制燈因二回路計算負荷上漲導致燈滅，必須待低負荷控制燈重新亮起后，再將給水旁路調節閥恢復自動控制。

3)將并網核功率點由核功率16.5%改為在14.5%進行并網。既能保證堆芯偏熱，旁排閥有足夠開度，機組并網后堆芯平均溫度不發生過冷，也能保證機組并網瞬態過程中二回路計算總負荷不達到切換點，從而避免蒸汽發生器給水調節閥的復制回路及切換，有力地減少水位波動。

4)實施變更，在并網過程中通過軟件為GCT-C旁排閥總開度增加一個關閉偏置，使得旁排閥能夠較快地關閉一定開度，以抵消汽輪機負荷增加導致的蒸汽流量增加，使并網前后二回路計算總負荷不會增加至主旁閥切換定值點，同樣能對蒸汽發生器水位控制產生有利作用。具體變更介紹見第4節。

4 汽輪機并網時同步增加短時關閉GCT旁排閥偏置變更

在汽輪機并網瞬間，因為汽輪機沖動級壓力(GRE044MP)的正常突跳，使得二回路計算總負荷ARE432KM波動引起蒸汽發生器水位波動。ARE432KM是由GCT-C旁排有效控制信號、GRE044MP代表的汽輪機負荷、ADG調制信號以及ARE504MS(定值2%)相加計算出的低負荷控制閾值，其中并網后GRE044MP會突跳至汽輪機最低負荷對應的值，此時旁排閥開度信號也較大，通過短時增加關閉GCT旁排閥的偏置，可有效避免ARE432KM波動至高低負荷切換點，使并網時蒸汽發生器水位平穩過渡，不發生大的波動。變更原則是只在機組并網時，且汽輪機旁排GCT_C處于壓力控制模式下增加汽輪機旁排閥短時關閉的偏置信號。該偏置只增加在GCT_C處于壓力控制模式下，GCT-C閥門總開度指令端(GCT404XR位置2增加偏置)。

根據不同狀態進入不同階段的情況下增加偏置，1號機組設定為第一組閥其中一個閥的30%，即閥門總開度的2.13%，2號機組設定為第一組閥其中一個閥的60%，即閥門總開度的4.26%。經方家山核電廠105、205大修并網驗證變更效果良好。105大修并網趨勢圖如圖8所示。

通過105及205大修啟機并網過程可以看出，汽輪機并網瞬間，汽輪機初始負荷上漲的同時，通過變更使旁路排放閥在偏置環節的作用下，快速關小開度，使得并網前后總的蒸汽流量未發生大的波動，二回路計算總負荷未達到切換點，蒸汽發生器水位經過一個短暫的虛假水位峰值后，調節趨于平穩。

5 總結

通過對方家山核電廠1號機組并網過程中給水調節閥的開度突變過程進行分析，根據計算和模擬機驗證，確定運行規程中對于并網前后給水調節閥的運行配置不合理是導致并網時旁路調節閥切回自動時突開的原因，并提出了優化給水調節閥的組態配置運行策略以及將并網前初始核功率適當降低至14.5%的解決思路，能夠有效地達到并網后二回路計算負荷不漲至切換點，又滿足并網前后堆芯狀態平穩不會過冷的平衡要求，且能保證旁路調節閥由手動切向自動的時機不會發生開度突變。并且通過此次事件過程的分析，從技術上實施技改變更，機組上實施了汽輪機并網時同步增加短時關閉GCT旁排閥偏置的變更。經大修后機組并網過程驗證，變更后蒸汽發生器水位在并網過程中平穩可控，保證了機組并網過程中的安全穩定運行，對于同屬M310型的反應堆機組有較大的借鑒意義。