基于CPR1000与华龙一号核电机组蒸汽发生器水位控制差异性的培训策略浅析

广西防城港核电有限公司 刘 杰

蒸汽发生器是压水堆核电厂中将一回路热量传递到二回路产生做功用蒸汽的重要设备，尤其对于立式自然循环的蒸汽发生器，保持蒸汽发生器水位在正常范围内对核电厂的安全运行至关重要。

在核电机组运行实践中，由于蒸汽发生器自身容量小、水位干扰因素多、控制回路相对较复杂等原因，国内核电机组曾多次出现因蒸汽发生器水位异常导致停机停堆的情况。CPR1000和华龙一号两种技术路线对应的蒸汽发生器水位控制系统存在较大差异，而首批华龙一号生产技术人员尤其是运行人员大部分都具有丰富的CPR1000机组工作经验和知识储备，因此对比分析这两种技术路线的蒸汽发生器水位控制系统并改进培训策略，对提升核电厂工作人员业务水平、减少蒸汽发生器水位异常影响核电厂的安全性和可用性具有重要意义。

1 CPR1000核电机组蒸汽发生器水位控制系统

1.1 系统配置

如图1，每台蒸汽发生器水位控制系统配置一个主调节阀（大阀）和一个旁路调节阀（小阀），从而根据蒸汽发生器相关参数变化实现机组高、低负荷水平下的给水流量的自动控制。小阀设计容量为满负荷额定给水流量的20%，用于机组启动和低负荷运行时控制给水流量，在机组高负荷运行时保持全开。大阀用于机组高负荷运行时调节给水流量，在机组启动和低负荷时保持关闭。

图1 CPR1000给水系统流程简图

1.2 控制策略

CPR1000机组蒸汽发生器水位整定值随负荷而变：在0%负荷时水位整定值为34%NR；从0%负荷变化到20%负荷水位整定值线性增加；在负荷20%变化到100%时，水位设定值恒定为50%NR。对每台蒸汽发生器而言，其水位的调节是通过控制进入该蒸汽发生器的给水流量来完成的。

高负荷(＞20%FP)运行工况下，蒸汽发生器水位的控制主要由大阀完成。大阀的调节是一个三通道（蒸汽发生器水位、给水流量、蒸汽流量）调节回路。二回路的总的蒸汽负荷通过GD函数发生器转变为蒸汽发生器水位整定值，与蒸汽发生器水位整定值信号共同作为PID水位调节器的输入信号。给水流量测量值与经过校正后的蒸汽流量测量值分别送入ZO加法器中相比较，得到汽水失配信号，该信号与来自PID水位调节器输出的给水流量信号在加法器中求和后，被传送到PI流量调节器，输出对应的大阀的开度信号，控制大阀的开度，从而改变给水流量以控制蒸汽发生器的水位。

在机组启停及低负荷（＜20%FP）期间，蒸汽发生器的水位由小阀来控制。因为小阀的开度与流经它的给水流量是线度的关系，因此，以总蒸汽流量信号作为参考负荷，经过GD函数发生器后给出小阀的开度信号，以改善调节回路的特性。

1.3 高、低负荷下控制的切换

无扰切换是控制系统设计时要考虑的主要问题之一。触发高、低负荷下控制切换的信号是上述蒸汽发生器总蒸汽流量表征的负荷信号。当负荷低于20%FP时偏置信号被引入，一个负的虚拟偏置信号被引入到流量调节器的输入端，从而使大阀可靠关闭。偏置信号的作用是为了避免大阀调和小阀同时发挥调节功能。当负荷提升到高于20%时偏置信号被切除，从而使大阀恢复正常的流量控制，而此时小阀为全开状态。

2 华龙一号核电机组蒸汽发生器水位控制系统

2.1 系统配置

如图2，每台蒸汽发生器水位控制系统配置三个调节阀，分别为低低负荷调节阀（VLLCV，简称极小阀）、低负荷调节阀（LLCV，简称小阀）和满负荷调节阀（FLCV，简称大阀）。极小阀用于在启动和停堆阶段AAD给蒸汽发生器供水时，控制蒸汽发生器水位。当机组负荷大于2%满负荷时极小阀处于关闭状态，给水流量通过低负荷和满负荷调节阀控制；小阀用于2%～20%满负荷工况，APA给蒸汽发生器供水时控制蒸汽发生器水位。此时大阀全关；大阀用于20%～100%满负荷工况，APA给蒸汽发生器供水时控制蒸汽发生器水位。此时小阀全开。

图2 华龙一号给水系统流程简图

2.2 控制策略

华龙一号机组蒸汽发生器水位整定值在负荷0%变化到100%时，水位设定值恒定为50%NR；如果发生反应堆停堆，会记忆停堆前的堆功率，根据此功率生成一个定值，蒸汽发生器水位整定值50%NR减去此定值生成一个新的水位整定值，满功率停堆后定值最多减少24%NR。在停堆信号消失后，水位定值会以恒定速率恢复至正常值50%NR。

类似于CPR1000，华龙一号蒸汽发生器水位控制也通过改变进入该蒸汽发生器的给水流量来完成，仍然分为高、低负荷控制模式：高负荷模式用大阀调节；低负荷模式用小阀调节。大阀和小阀控制策略相同，但控制过程使用的仪表不同。蒸汽发生器水位测量值与整定值相比较，水位偏差经过PID水位调节器计算后得出所需的给水流量需求值（差值）。

所需的给水流量需求值与汽机参考负荷或蒸汽流量测量值相加后得到给水流量整定值。其中蒸汽流量切换整定值相当于20%FP负荷时的蒸汽流量。当负荷小于20%FP时，汽机参考负荷（代表实际的蒸汽流量）会小于蒸汽流量切换整定值，则ZO加法器左端的输入即为汽机参考负荷，而右端输入为0，因为实测的蒸汽流量此时也应小于蒸汽流量切换整定值，所以功率小于20%FP时ZO加法器的输出即为汽机参考负荷。

当负荷大于20%FP时，汽机参考负荷会大于蒸汽流量切换整定值，则ZO加法器右端的输入为蒸汽流量切换整定值，而左端输入为：实测的蒸汽流量－蒸汽流量切换整定值。因为实测的蒸汽流量此时也应大于蒸汽流量切换整定值。所以，负荷大于20%FP时ZO加法器的输出即为经过蒸汽压力修正的蒸汽流量测量值。

给水流量测量值在低负荷时使用低负荷管线流量测量值作为输入，在高负荷时使用满负荷管线流量测量值作为输入。高、低负荷给水流量的切换通过给水流量切换整定值实现，流量计的切换是自动进行的，类似于汽机参考负荷和蒸汽流量的切换原理；给水流量整定值与给水流量测量值相比较得到给水需求流量偏差，再经过PI流量调节器进行运算以保证调节精度，经过两个GD函数发生器得到阀门开度信号，分别控制小阀和大阀开度[1]。

2.3 高、低负荷下控制的切换

PI流量控制器的输出信号分别通过两个GD函数发生器送给小阀和大阀，保证阀门开度为线性：小于20%FP时大阀关闭，由小阀调节蒸汽发生器水位；大于20%FP后小阀全开，由大阀调节蒸汽发生器水位。此无扰切换过程的实现，是通过在大阀的GD函数发生器前设定一个高/低负荷阀门切换值，用以保证大阀仅在小阀几乎接近全开的时候才开始逐渐线性开启。

3 差异性对比

作为三代核电技术的华龙一号蒸汽发生器水位控制系统，其总体设计思路与二代改进型CPR1000相似：采用相似的高、低负荷分别控制的策略；采用相似的高负荷下的水位控制策略。但华龙一号在具体的控制策略上也具有与CPR1000间的差异性。

3.1 低负荷下的水位控制策略的差异

CPR1000蒸汽发生器水位控制没有为低负荷工况下的控制配置专用的测量参数，在低负荷下通过采用计算得出的总蒸汽流量作为给水流量控制的前馈，同时引入水位调节器的输出，再经过GD函数发生器输出阀门开度信号；华龙一号蒸汽发生器水位控制系统中，低负荷下与高负荷下控制策略相同，区别仅在于所使用不一样的测量参数来实现控制逻辑。配置低负荷下专门的测量管线流量的仪表，使得低负荷下的形成闭环流量控制，从而大大提高了华龙一号蒸汽发生器水位控制系统的控制性能。

3.2 高、低负荷控制的切换策略的差异

CPR1000蒸汽发生器水位控制使用总蒸汽流量（汽机+ADG+GCT）对应的负荷信号作为切换依据，切换点为20%FP。但华龙一号蒸汽发生器水位控制系统中，区别仅在于所使用不一样的测量参数来实现控制逻辑，因此通过设定高/低负荷阀门切换定值，经巧妙的逻辑设计实现华龙一号高、低负荷控制的切换。

4 培训策略

根据差异性对比的结论，在工作和培训中应有效区分CPR1000和华龙一号蒸汽发生器水位控制异同点，根据培训对象的工作经历及时调整培训策略，尤其是根据对差异性中操作较为频繁的高、低负荷手/自控制的切换需重点讲解，以减少工作失误，提升人因绩效。

4.1 CPR1000蒸汽发生器水位控制切换的培训策略

CPR1000低负荷调节以小阀自身为主，大于20%FP负荷时以大阀调节为主。大小阀跟踪逻辑设置了不同条件及不同跟踪值，实现了小阀如果进入跟踪模式，需要是低负荷及自身切手动。如果正常负荷时需要负荷大于20%且大阀自身切到手动。

培训过程中应针对ARE高、低负荷调节阀复制电路的跟踪逻辑，举例分析在高负荷和低负荷下，ARE调节阀手自/动状态相同和不同时，阀门开度指令之间是否存在相互干扰。根据核电机组的人因失效表现及相关理论分析，在培训及工作中涉及到ARE调节阀手/自动切换操作时，应注意手动干预SG水位时遵循“高小低大”或“亮大灭小”的先后顺序，分别将大阀和小阀及时放手动。注意，为避免混淆歧义，切忌长时间将一个阀门处于手动而另一个放自动。

4.2 华龙一号蒸汽发生器水位控制切换的培训策略

华龙一号ARE阀门跟踪逻辑的目的是实现ARE大小阀手自/动无扰切换，避免阀门突然动作。自动切为手动后，在施加手动作用前，阀位保持在切换前自动信号决定的位置，不存在扰动问题；但由手动切向自动时，原决定于手动作用的阀位一般与自动装置计算出的阀位不一致，就有可能产生扰动问题。一般采用跟踪信号方法来保证手动切向自动时不产生扰动。DCS采用PID调节器自身功能实现跟踪及无扰切换。

根据核电机组的人因失效表现及相关理论分析，在培训及工作中涉及到ARE调节阀手/自动切换操作时应注意：在低功率情况下，如放小阀手动、建议将大阀也切换到手动控制（大阀在自动、小阀放手动，如功率偏低，一旦大阀自动调节过程中关闭，大阀会始终保持关闭状态，不能够重新开启）；在高功率下，如将小阀放手动、建议保持大阀在自动位置，此时大阀能够响应蒸汽发生器水位的变化，减少手动干预中的风险。

5 结语

核电机组运行实践中曾多次出现因蒸汽发生器水位异常导致非计划停机停堆事件，而核电厂生产技术人员在蒸汽发生器水位控制系统相关工作中的人因失效导致了其中多起事件的发生。本文对CPR1000和华龙一号核电机组蒸汽发生器水位控制系统进行对比分析，以便在培训中根据培训对象的工作经历及时调整培训策略，以提升培训质量。亦可作为培训及工作中的参考，有助于理解CPR1000和华龙一号蒸汽发生器水位调节原理和差异性，对夯实生产技术人员理论基础、减少人因导致的蒸汽发生器水位异常事件从而提升核电厂的安全性和可用性具有重要意义。