5 压水堆核电站蒸汽发生器水位控制
欧阳毅
摘 要：核能将是我国21世纪的主要能源，压水堆核电站中蒸汽发生器的水位控制是主控室操纵员的核心工作。本文重点分析主控室操纵员手动干预蒸汽发生器水位控制的方法。
关键词：蒸汽发生器；手动干预；水位控制
DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.11.076
0 引言
蒸汽发生器是压水堆核电站主控室操纵员在生产活动中重点关注的设备。蒸汽发生器既是一回路的组成部分，又属于二回路组成部分[1]。鉴于蒸汽发生器的重要性，主控室操纵员必须时刻关注蒸汽发生器的运行情况。本文的分析主要针对M310核电机组立式U型管蒸汽发生器。
在蒸汽发生器运行过程中，如果水位过低，堆芯余热导出功能将恶化，会导致U型管顶部裸露，引起管束传热恶化，造成管板热冲击，甚至引起蒸汽进入给水环管，在给水管道中产生危险的汽锤现象；如果水位过高，会导致饱和蒸汽含水量过高，对汽轮机内设备产生冲蚀，影响设备使用寿命甚至损坏设备，同时水位过高会使得蒸汽发生器水装量增加，如果发生蒸汽管道破裂事故，会对堆芯产生过大的冷却而导致发生反应性事故，如果破口发生在安全壳内，产生的蒸汽将危害安全壳作为第三道屏障的安全性[2]。
1 水位自动控制系统
1.1 蒸汽发生器水位测量
蒸汽发生器通常由外壳、U型传热管、管板、隔板、管束围板、管束支撑板、旋叶式汽水分离器、蒸汽干燥器等部件组成，一回路冷却剂在U型管内流动，二回路水经倒J型管进入蒸汽发生器，与旋叶式汽水分离器分离出的饱和水混合，经U型管传热区的管束围板与蒸汽发生器筒体所形成的环形下降通道向下流动，然后在U型管传热区的上升通道中向上流动，同时吸收一回路冷却剂经U型管传递的热量，过冷水吸收热量后变为饱和水和饱和蒸汽的混合物，经旋叶式汽水分离器和蒸汽干燥器分离后，饱和蒸汽进入汽轮机，饱和水与二回路给水混合后又沿环形下降通道开始自然循环，自然循环流动的驱动压头是二回路水在下降通道和上升通道中因密度差而产生的压差，驱动压头同时能够克服蒸汽发生器内汽水混合物在流道中摩擦阻力[3]。
蒸汽发生器水位测量通常通过测量压差的原理来实现，设置在下降通道环形空间，水位控制系统所用的水位计0%水位设置在管板上表面以上的11.27m处，全量程为3.6m。
1.2 蒸汽发生器水位控制系统
蒸汽发生器水位串级控制系统分为主回路和副回路。选取水位作为主被控参数，因为维持水位在整定值是系统的控制目标。选取给水流量作为副被控参数，因为控制系统的执行机构直接调节给水流量。蒸汽发生器水位串级控制系统主回路的输出作为副回路的输入。M310核电机组蒸汽发生器水位串级控制系统的主调节器通常采用PID控制，副调节器通常采用PI控制。
2 手动干预水位控制
根据大修期间蒸汽发生器充水时的实测数据可知，蒸汽发生器水位测量装置所对应的蒸汽发生器内部自由空间截面积约12 m2，蒸汽发生器水位控制系统的整定水位为0m，所用的水位计0%水位对应-1.8m，100%水位对应1.8m，整定水位至量程上下限分别对应的水装量约21.6 m3。可以看出蒸汽发生器蒸汽流量和给水流量的偏差过大很容易导致蒸汽发生器水位波动，甚至触发水位保护信号动作，水位高于0.9m（整定水位至0.9m对应的水装量约10.8 m3）会导致汽轮机跳闸，水位低于-1.26m（整定水位至-1.26m对应的水装量约15.12 m3）会导致反应堆跳闸。
正常情况下，主控室操纵员不需手动干预蒸汽发生器水位控制系统，但出现相关故障或事故时，需要主控室操縱员手动控制蒸汽发生器水位。水位异常的根本原因是蒸汽流量和给水流量不平衡，主控室操纵员在手动控制蒸汽发生器水位时，首先调节给水流量趋近蒸汽流量（同时用蒸汽发生器的排污流量计算进出平衡），最重要的是防止蒸汽发生器水位继续恶化，而不是尽快将蒸汽发生器水位调节至整定水位。直到水位变化幅度减小并趋于稳定后，控制蒸汽流量和给水流量的偏差在100 m3/h之内，才能通过缓慢调节使蒸汽发生器水位趋近整定水位。
当给水温度130℃，水的密度0.935t/m3时，将蒸汽流量和给水流量的偏差控制在100m3/h，那么蒸汽发生器水位变化1m对应的时间约6.7min；当给水温度226℃，水的密度0.839t/m3时，将蒸汽流量和给水流量的偏差控制在100m3/h，那么蒸汽发生器水位变化1m对应的时间约5.5min。如果蒸汽流量和给水流量的偏差大于100m3/h，蒸汽发生器水位变化1m对应的时间会小于5.5min，为了避免人因导致蒸汽发生器水位保护系统触发，留给主控室操纵员手动调节蒸汽发生器水位的时间会相当紧迫。
总之，主控室操纵员手动控制蒸汽发生器水位期间，需尽量维持机组功率稳定，即保持蒸汽流量稳定，通常情况下只通过改变给水流量来调节蒸汽流量和给水流量的偏差，以避免同时引入多种影响水位的干扰因素。
3 总结
蒸汽发生器是压水堆核电站主控室操纵员在生产活动中重点关注的设备。蒸汽发生器的水位控制是主控室操纵员的核心工作。蒸汽发生器水位控制系统能自动将水位维持在整定值。当出现相关故障或事故时，主控室操纵员需要将蒸汽发生器水位控制系统置于手动状态，首先调节给水流量趋近蒸汽流量（同时用蒸汽发生器的排污流量计算进出平衡），防止蒸汽发生器水位继续恶化，待水位稳定后，再缓慢调节使蒸汽发生器水位趋近整定水位，待处理好故障或事故，最后将蒸汽发生器水位控制系统置于自动状态。
参考文献：
[1]蒸汽发生器编写组.蒸汽发生器[M].北京：原子能出版社，1982：112-114.
[2]张建民.压水堆核电站控制[M].西安：西安交通大学出版社，1998：156-165.
[3]濮继龙.大亚湾核电站运行教程[M].北京：原子能出版社，1999：88-112.
