蒸汽发生器水位控制系统简介与常见故障及对策分析

李铁英+华雪+黄强

【摘 要】本文以M310型650MW压水堆机组的蒸汽发生器运行为切入点，对立式自然循环式蒸汽发生器水位控制系统分高负荷两种运行模式进行简要介绍，并对模拟控制图中采用的滤波器加以分析，指出各滤波装置对控制系统的影响。同时，根据实际运行经验，针对常见的有关蒸汽发生器水位控制方面常见的故障加以分类说明，并给出控制建议。

【关键词】蒸汽发生器水位；控制系统；故障分析

1 蒸汽发生器水位控制系统的重要性

核电厂蒸汽发生器完成一二回路的能量交换，一方面产生汽轮机做功所需的饱和蒸汽，另一方面带走一回路核燃料所产生的热量冷却堆芯。M310型650MW压水堆机组采用两台立式自然循环方式的蒸汽发生器完成上述功能。

对于蒸汽发生器运行来说水位控制是一项重点，即在机组运行期间要根据功率水平对蒸汽发生器水位进行控制，主要原因为：

1）如果蒸汽发生器的水位过高

水位过高将造成出口蒸汽含水量超标，加剧汽轮机的冲蚀现象，影响机组的寿命甚至使机组损坏；

水位过高还会使得蒸汽发生器内水的质量装量增加，在蒸汽管道破裂的事故工况下，对堆芯产生过大的冷却而导致反应性事故的发生；

如果破裂事故发生在安全壳内，大量的蒸汽将会导致安全壳的压力、温度快速上升，危害安全壳的密封性。

2）如果蒸汽发生器的水位过低

水位过低将会导致U型管顶部裸露，甚至可能导致给水管线出现水锤现象。这样，堆芯余热的导出功能将恶化。

另外，水位过低导致蒸汽了生器产生的蒸汽干度过大，影响传热效率。

2 蒸汽发生器水位控制系统简介

M310型650MW汽轮发电机组蒸汽发生器水位控制系统模拟简图如图1所示，每台蒸汽发生器拥有各自独立的水位调节系统，通过改变调节阀门的开度以改变给水流量从而达到控制水位的目的。

图1 蒸汽发生器水位控制系统模拟简图

如图1，水位控制分两部分进行。

2.1 高负荷时蒸汽发生器水位的调节

主给水大阀在高负荷工况（功率大于18.5%Pn）对水位加以调节，此时小给水阀全开，高负荷工况下系统对蒸汽发生器实际水位、主给水流量和蒸汽实际流量加以测量。以汽机第一级冲动级压力信号换算为汽机功率信号，同时加入汽机旁排系统并考虑其它蒸汽用户的用量综合起来通过GD来产生蒸汽发生器水位整定值，M310型650MW压水堆蒸汽发生器水位整定值函数发生器如图2所示。

图2 水位控制曲线

GD产生的实测水位与蒸汽发生器实测水位进行比较得出水位偏差，考虑水温信号的增益后送入水位调节器401RG（传递函数为K30（1+）），得出给水流调节值。另一方面实测蒸汽流量和给水流量进行比较得出汽水失配信号，汽水失配信号与给水流量调节值比较后经流量调节器后输出给水流量调节阀大阀的开度信号用以对阀门进行调节。之所以加入汽水失配信号的原因是采用汽水失配信号反映水位变化的趋势比水位误差信号灵敏，是一种前馈。它的引入增加了给水流量调节的速度。

2.2 低负荷蒸汽发生器水位的调节

低负荷工况为功率小于18.5%Pn的工况，此时蒸汽发生器水位由小给水流量调节阀完成，而给水大阀因401MS1给出了一个6.5%Qn的流量偏差而保持全关状态。

低负荷工况下与高负荷类似，同样以汽机第一级冲动级的压力信号与汽机旁路排放信号代表蒸汽负荷，经过401RG输出信号校正后送入流量调节器407RG，直接得到小阀开度。

407RG图像如图3所示：

图3 水位控制小阀控制曲线

需要说明的是，在停堆信号与一回路平均温度低信号同时触时，由函数发生器401MS2给出小阀固定开度60%（约相当于10%Qn）信号，即给水系统的极化运行，极化运行的目的是：一方面快速回复蒸汽发生器的水位，避免辅助给水泵的启动；另一方面，限制给水的流量值，防止一回路平均温度进一步下降。

在低负荷工况调节时加入401RG输出信号的目的是在低负荷时，水位的膨胀及收缩现象明显，通过给水温度引入一个变增益环节，使得低负荷时水位调节器的增益系统减少，调节回路运行稳定性增加。

2.3 对调节系统中的各滤波装置加以说明

为了提高整个蒸汽发生器水位调节系统的调节质量，在系统中加入了五个重要的滤波装置。

2.3.1 实测水位滤波器402FI

传递函数为，T30=5s。

对水位变送器的输出引入一个5s的延时滤波环节，目的是剔除水位变化初期的扰动影响，使水位测量值更具真实性。

2.3.2 蒸汽流量滤波器408FI

传递函数为，T32=10s

蒸汽质量流量信号的产生环节也引入一个具有10s延时的滤波环节，目的是在带厂用电运行工况下，初始阶段维持总的蒸汽质量流量不变，避免调节系统的不必要的动作。

2.3.3 程序水位滤波器401FI

传递函数为，T32=30s

为了消除带厂用电运行方式的瞬态影响，引入了一个具有30s延时的滤波环节，从而维持该瞬态初期时水位定值不变。

2.3.4 偏置信号401MS1接入滤波器407FI

传递函数为，T35=100S

当高低负荷切换时，用以延缓偏置信号的接入，从而提高调节系统的稳定性。

2.3.5 低负荷工况下的实际蒸汽负荷信号滤波器413FI

传递函数为，T37=40S

用于减少由于蒸汽流量变化引起的水位膨胀及收缩现像而利于调节系统运行。

3 水位控制系统运行常见故障对策分析

由于蒸汽发生器水装量（约200吨）相对于给水和蒸汽流量（约1900吨/时）较小，造成了一但水位发生异常，往往会使水位变化速度较快，必须在较短的时间内给出干预手段，否则极易引起保护系统动作最终引起停机停堆的瞬态。因此，蒸汽发生器水位控制在核电厂各控制系统运行中显得格外重要，下面根椐常见故障分类加以分析。

3.1 仪表故障

根据蒸汽发生器水位控制简图可知，与水位相关的仪表故障包括：

3.1.1 实测水位仪表故障（以高漂为例）

故障现像：因实测水位高漂导致控制系统给出虚假控制信号，给水流量调节阀关小，实际水位下降并可能触发水位低报警以提醒操纵员。

故障分析：由于实测水位虚假，使控制系统中实测水位与水位给定值产生偏差，经水位调节器401RG（PID）后给水阀门动作信号，由于401RG的积分环节使得输出的偏差越来越大，致使最终调节阀的开度偏离也越来越大，因此必须尽快干预。

控制方法：确认故障后将调节阀切手动控制（因大小阀之间存在干扰，所以大小阀必须同时切手动控制），参照水位给定值将蒸汽发生器水位调节到给定位置，切换故障仪表后重新投入自动控制。

3.1.2 给水流量实测仪表故障（以高漂为例）

故障现像及分析：根据模拟简图给水实测流量高漂导致流量偏差给出负信号，经流量调节器402RG后控制系统关小给水调节阀，给水减小，水位下降。

控制方法：与水位仪表类似，切手动调节，稳定后切换到正常仪表控制并切回自动运行。

3.1.3 蒸汽流量实测仪表故障

与给水流量基本相同，干预手段也类似。不同的是，因为蒸汽流量信号中引入了压力信号做为校正，所以当压力校正仪表故障也会引起蒸汽流量的变化，运行时需要注意区分。

3.1.4 温度仪表

由模拟图可知，给水温度的变化同样会引起系统的响应，因温度信号只是一个增益，引起的系统扰动相对较小，另处由于系统闭环的控制作用，最终水位还会趋于稳定。

3.1.5 汽机冲动级压力信号故障

故障现像及分析，以压力信号高漂为例，汽机冲动级压力信号在蒸汽发生器水位控制系统中用于生成程序水位定值（如图2所示），当压力升高后表征汽机功率上升，导致程序水位增加，由模拟图可知当高负荷时此故障不会造成大的影响，但如果在低负荷情况下，因此时大调节阀已经关闭，在错误的信号控制下大阀将开启，蒸汽发生器供水大量增加，导致水位大幅波动。这种情况会同时影响到两台蒸汽发生器水位。

干预策略：立即将两台蒸汽发生器的四个控制阀（每台对应一大一小两个控制阀）切手动控制，将两个大阀关闭，并以小阀来稳定水位。

实际运行中涉及的仪表类故障表现还有很多，诸如卡件故障、仪表接线故障等等，都与上述分析类似，要根据实际情况再分析处理。

3.2 其它故障

实际运行中，除了仪表信号类故障外的其它故障也有很多，则其典型加以说明。

3.2.1 机械故障如调阀卡涩

故障现像及分析：因机械原因导致的阀门卡涩，在功率变动的情况下会动蒸汽发生器水位造成影响，而稳态时理论上无影响。以升功率为例，当功率上升时也即为蒸汽的实际流量上升，由模拟图可知流量偏差给出正值，调节阀开大，但如果卡涩则给水流量与蒸汽流量不能平衡，导致水位下降，并且伴随差功率的进一步增加水位下降速度加快。

运行措施：确认故障原因后必须尽快停止功率变化，如果升负荷时可手动调节增加给水泵转速以通过提高给水压力而增加给水量，但有两点要说明：①降负荷时不建议改减小给水泵出力，因为一但维持不住汽水压差极易产生给水中断发生，故障扩大。②在改变给水泵出力时同时要注意运行正常的蒸汽发生器水位，因为改变压力对其它蒸汽发生器的水位会有影响。

如果降负荷，可通过手动减少给水小阀的开度以平衡汽水，同样，在切手动时应大小阀同时切换。

3.2.2 手操器故障：主给水调阀RC故障。

故障现象及分析：RC故障分几种：卡在原位动不了、输出不断增大、输出不断减小等，如果影响的水位变化较大可能会触发水位报警。

初步处理建议：如果能调节则放手动调节，卡死不能调节则应调节主给水泵转速同时关注2#SG水位。

4 结束语

蒸汽发生器水位控制系统较为复杂，在研究时难度偏大并且运行中涉及的问题种类繁多情况复杂，同时水位控制系统还要与为了实防止两台水位调节时发生耦合故障而引入的主给水转速调节系统相配合共同完成控制任务（本文未对转速控制系统进行讨论），使得可能发生的故障点进一步增多，因此，为了更好的实现现场运行控制，出现问题还是要具体分析，集中思路将工况稳定为先。

【参考文献】

[1]吴军轶.主给水流量调节系统手册FC-10-ARE-01，2006.5：6.1-6.3[Z].

[2]杨兰和，戚屯锋.CNP600压水堆核电厂运行（高级）[M].原子能出版社.

[3]秦山第二核电厂1.2号机控制系统模拟图[Z].

[4]自动控制原理5版[M].科学出版社，2007.6.

[责任编辑：王楠]