方家山核电厂并网时蒸汽发生器水位运行策略优化

丁言锋

(中核核电运行管理有限公司，浙江 海盐 314303)

1 背景介绍

近年来国内M310型压水堆核电机组发生多起因蒸汽发生器水位高高或低低导致机组停堆停机的事件。如2014年阳江1号机组因3号蒸汽发生器水位高高叠加P7信号导致停堆[1]。方家山核电厂在运行实践中也曾发生因蒸汽发生器水位高高导致辅助给水系统启动运行事件[2]。2018年7月12日，方家山核电厂1号机组在交换机升级过程中因1KCP525AR一对CP(注：控制器)切网时短时离线触发循泵电机绕组温度高质量位三取二信号，两台循泵同时跳闸，1号机组自动停机停堆[3]。在机组完成小修重新并入华东电网过程中，操纵员将三台蒸汽发生器给水调节阀恢复自动控制后，三只给水旁路调节阀自动全开导致三台蒸汽发生器水位大幅波动[4]。本文从方家山核电厂1号机组并网过程中蒸汽发生器主给水旁路阀投自动控制后全开事件的过程分析出发，着重讨论方家山核电厂机组在发电机并网过程中蒸汽发生器水位运行控制策略改进及优化分析。

2 方家山核电厂蒸汽发生器水位控制系统原理

蒸汽发生器水位控制是通过调节进入该蒸汽发生器的给水流量来完成的。每台蒸汽发生器正常给水回路设置两条并列管线：主管线上的给水主调节阀用于高负荷(≥20%FP)运行工况水位调节，旁路管线上的给水旁路调节阀用于低负荷(<20%FP)及启、停阶段运行工况水位调节。蒸汽发生器水位控制原理图如图1所示。

图1 蒸汽发生器水位控制原理图

2.1 给水主调节回路

在高负荷运行工况下，给水主调节阀承担蒸汽发生器水位蒸汽发生器调节功能，此时旁路调节阀处于全开状态。从图1可知，给水主调节阀控制回路是三通量(蒸汽发生器液位、蒸汽流量、给水流量)调节回路，包括一个闭环调节通道和一个开环调节通道。

闭环通道中，液位调节器的输入信号是蒸汽发生器实测液位与程序液位整定值(由二回路总功率信号经函数发生器转换而来)的偏差经给水温度增益修正的偏差信号，经过PID液位调节器输出给水流量整定值信号Q设定。

在开环调节回路中，实测给水流量Q水与经过校正后的蒸汽流量Q汽相比较，输出汽水失配信号Q失配。该信号与液位调节器的输出信号Q设定在加法器中求和后，输入到流量调节器中，在流量调节器中按下式(1)产生流量偏差信号e流：

e流=Q失配-Q设定=(Q汽-Q设定)-Q水

(1)

闭环通道中产生的给水流量信号与开环通道产生的汽水失配信号叠加后作为流量调节器的输入信号，采用汽水失配信号反映水位变化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。流量调节器输出对应的主给水调节阀的开度信号，经一自动/手动控制器输出相应的阀门开度模拟信号，经过电气转换器控制调节阀的执行机构以调节阀门开度，从而改变给水流量以控制蒸汽发生器水位。

2.2 给水旁路调节阀调节回路

主给水旁路管线上装有一个给水旁路调节阀，在低负荷(<20%)时通过旁路调节阀来控制蒸汽发生器水位。此时，仍用液位调节器输出的信号Q设定进行闭环水位调节。由于在低负荷运行工况下，蒸汽流量测量不准确，调节回路中没有汽水失配的开环控制。为了改善低负荷运行工况下调节回路的特性，引入总蒸汽流量作为前馈信号，其中代表汽轮机蒸汽流量的信号来自窄量程汽机入口压力信号，这样大大提高了其测量精确度。闭环信号与开环信号按相反极性相加，偏差经函数发生器转换为旁路调节阀开度信号，经电气转换器控制其开度。

当负荷低于20%时，阈值继电器420XU1动作，将偏置模块-8.5%的信号按与给水流量相同的极性加到加法器中，其作用相当于给水流量增加，所以主给水调节阀更加可靠地关闭，不会产生又关又没关严的现象。

在低负荷工况，计算二回路蒸汽负荷的432 KM值取决于以下4个参数：GRE044GD(GRE044MP汽机窄量程冲动级压力)、GCT-C旁排控制信号、ADG除氧器压力信号计算出的开度信号401ZI、偏置量504MS(2%)。如图2所示。

图2 低负荷工况下二回路总负荷生成图

2.3 无扰切换与复制回路

无扰切换是调节系统设计时要考虑的主要问题之一。调节阀由自动切向手动后，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，如果在电路上又未采取适当措施，就有可能产生扰动问题。一般采用复制信号方法来保证手动切向自动时不产生扰动。

当给水流量调节阀处于手动控制时，若要切换到自动控制，为了保证调节功能和连续性，需用手动转自动的无扰动切换复制系统，如图3所示。

图3 给水流量调节阀的复制系统[6]

液位调节器复制信号的产生与阀门的运行状态和负荷水平有关。图中开关信号代表负荷水平和相应调节阀的自动/手动状态，当负荷大于20%FP且给水主调节阀处于手动时，主调节阀的复制开关闭合，液位调节器接通其复制信号；当负荷小于20%FP且旁路阀处于手动时，旁路阀的复制开关闭合，液位调节器接通其复制信号。

2.3.1 高负荷时(负荷大于20%Pn)主给水阀手动控制转为自动的无扰动切换

在高负荷下，主阀的复制系统示于图3上半部。图中流量调节器402RG直接复制手动信号X，为了无扰动地切换到自动控制，液位调节器401RG提供的信号S必须使流量调节器输入端的误差信号保持为零，即：

QSWB-S=0

(2)

式中，QSWB——汽水流量失配信号；

S——液位调节器的输出信号。

因此，液位调节器401RG必须复制的信号为：

S=QSWB

(3)

2.3.2 低负荷时(负荷小于20%Pn)旁路给水阀手动转自动的无扰动切换

在低负荷下，旁路阀的复制系统示于图3下半部。为了使旁路阀无扰动地从手动切换到自动控制，液位调节器401RG提供的信号S必须使函数发生器407RG的输出信号等于手动信号y，即：

(4)

式中，QV——蒸汽总流量；

S——液位调节器的输出信号；

由上面这些关系式可以得出液位调节器必须复制的信号为：

S=QV-qY

(5)

2.4 主给水负偏置环节

蒸汽发生器水位调节从主给水阀切换到旁路给水阀是在负荷从20%Pn向低于该负荷过渡时进行的。如图1所示，阀门切换信号来自经过滤波后的总蒸汽负荷信号。它经过一个可调的阈值继电器420XU1，当负荷低于阈值(20%Pn)时，该继电器便使它的开关闭合，使401MS与回路接通。401MS发出一个-8.5%FP偏置信号，与给水流量信号相加，并与蒸汽流量信号相比较后输入到流量调节器，由于给水流量的信号大于蒸汽流量的信号，从而使主给水阀关闭。偏置信号的作用是为了避免两个调节系统同时工作[5]。

当负荷增加到高于20%时，偏置信号从流量调节器402RG上消失，从而使主调节阀恢复流量控制，此时旁路阀处于全开状态。为了保证主给水阀和旁路给水阀切换时的连续性，偏置信号的建立和消失应该是逐渐的，而不应是突变的。这一目的是通过一阶滤波器来达到。

当给水主调节阀置于手动，401MS的-8.5%的偏置信号将接入汽水偏差环节，当负荷增加到高于阈值20%时，若主阀仍处于手动，水位主调节器接入401MS产生的偏置信号，使液位调节器有一个阶跃输出，旁路阀将立即全开，目的是当主阀在手动无法及时响应，让旁阀全开以满足较高负荷下的给水需求。

3 并网过程给水旁路调节阀开度突变分析

机组并网过程中，由于机组并网后将带上初始负荷，随着蒸汽负荷的增加，蒸汽发生器的蒸汽压力快速下降，在上升通道将产生更多的气泡，使循环流动阻力增大，循环流量GT减小，给水将积聚在下降通道的上部空间，使水位上升。另外，蒸汽发生器蒸汽流量的突然增加，会使被分离出来的再循环流量Gr增加，从而也使下降通道环形空间水位上升。因而在过渡过程的第一阶段，我们将观察到水位迅速上升。通常把这一现象称作“水位膨胀”，它在液位调节器作用之前出现。过渡过程之后，由于蒸汽流量大于给水流量，水位将下降。

为了避免此种虚假水位对蒸汽发生器水位控制系统的影响，运行规程中常采用的做法是在发电机并网前一瞬间，将给水主调节阀和旁路调节阀同时置为手动控制，待机组并网后虚假水位效应消失后重新将给水调节阀恢复自动控制。

然而，由于受并网初始核功率高低的影响，且由于并网后机组带上初始负荷，表征汽机功率的窄量程进汽压力GRE044MP会突跳至汽机初始负荷对应数值，同时由于旁排阀关闭速度较慢，导致机组并网后一段时间内表征二回路总负荷的ARE432KM会逐渐上涨至主旁阀切换定值点。因复制回路的存在，将导致给水调节阀由手动切向自动的过程中，阀门开度出现大的波动。从方家山核电厂历史库中调取了5次大小修汽机并网过程中相关参数，分析在这些并网过程中给水调节阀开度波动情况。如表1所示。

表1 方家山历次汽机并网过程给水调节阀波动相关参数表[4]

从表1可以看出，102大修及713小修并网过程中，给水旁路调节阀均出现了波动。对比旁路阀突开过程，可以发现：

1)并网后二回路功率ARE432KM将有一个明显的升高过程，升高范围从1.3%至7%不等；

2)旁路阀从手动切回自动时的功率点ARE432KM小于20%时，旁路阀都没有突开；旁路阀两次突开时，旁路阀从手动切回自动时的二回路功率点ARE432KM都大于20%；

3)103大修并网时，虽然并网后的二回路热功率大于20%，但是旁路阀从手动切回自动时的功率点小于20%，没有发生突开现象。

3.1 主给水通道和旁路给水通道的自动切换

3.1.1 负荷增大时的切换

以3号蒸汽发生器为例，在低负荷时(<20%)，蒸汽发生器水位为液位单冲量控制，低负荷阈值信号420XU1、420XU2触发，使偏置信号407MS(-8.5%)流入汽水偏差控制器(403ZO)，使得主阀流量调节器(406RG)一直输出负值，从而使得给水主调节阀一直处于关闭状态，旁路阀起到水位调节作用；当功率达到20%时，该偏置信号逐渐消失，蒸汽发生器水位切为蒸汽发生器水位、蒸汽流量和给水流量三冲量控制，主调阀逐渐开启，旁路调节阀逐渐全开。

3.1.2 偏置信号接入旁路阀控制回路分析

在低负荷时(<20%)，407MS偏置信号进入汽水偏差控制器(403ZO)，使主调阀关闭，同时旁阀起到调节作用。此时，1)如果主调阀处于自动状态下，偏置信号不会进入液位调节控制器；2)如果主调阀处于手动状态下，偏置信号会进入液位调节选择器。

在负荷继续升高至高于低负荷时(>20%)，407MS偏置信号逐渐消失，因为偏置控制信号经过一个一阶过滤器产生(411FI)，滤波时间为100 s；此时，1)如果主调阀处于自动状态下，偏置信号不会进入液位调节控制；2)如果主调阀处于手动状态下，之前存在选择器中的-8.5%偏置信号会进入液位调节控制器，如图4所示。

图4 偏置信号生效过程图

查阅给水控制系统控制功能图，如图5所示，可以得出跟踪信号的变化如下：

图5 跟踪信号生效功能图

1)低于20%功率时，旁路阀手动，主阀手动，满足“旁路阀手动、<20%”的条件，允许跟踪信号生效，旁路阀液位控制器405RG允许跟踪；此时功率低于20%，旁路阀液位控制器405RG的跟踪信号来源选择为INP1，旁路阀液位控制器的实际输出信号33；

2)高于20%功率时，旁路阀手动，主阀手动，满足“主阀手动、>20%”的条件，旁路阀液位控制器405RG允许跟踪；此时功率大于20%，旁路阀液位控制器405RG的32的信号来源选择为INP2，主阀液位控制器406RG的实际输出信号45，即包含了-8.5以及主蒸汽流量和主给水流量的计算结果；

3)高于20%功率时，旁路阀切回自动时，信号45(即包含了-8.5以及主蒸汽流量和主给水流量的计算结果)被输出至液位控制器中参与旁路阀门控制，造成旁路阀突开；

4)如果等待功率低于20%时，旁路阀再切回自动；在功率低于20%，旁路阀切回自动之前，31首先变为真，33被输入到旁路阀液位控制器405RG的32中；然后旁路阀再切回自动时，由于阀位跟踪器实现了无扰切换，所以不会造成扰动。

3.2 阀门开度突变过程数据验证

从系统模拟图中可以看到，偏差值产生于流量调节器(403ZO)与旁阀信号跟踪器(413ZO)，根据第2.3节复制回路原理图及计算公式，可以反向计算给水旁路调节阀由手动切向自动瞬间，阀门跟踪信号的变化情况。以下调取7·13机组小修并网过程中的具体数据进行计算验证，趋势图如图6所示。

图6 7·13小修并网参数趋势图

在切换临界点时(20%)，液位控制跟踪器输出：

3号给水旁路调节阀开度：ARE431KM=62.63%

二回路总负荷：ARE432KM=20.01%

3号蒸汽发生器水位调节器405RG跟踪值：

y=-ARE431KM/4+ARE432KM

=-(62.63%÷4)%+20.01%=4.35%

汽水流量偏差跟踪器：

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%

当3号给水旁路阀由手动切向自动切换临界点后，3号蒸汽发生器水位调节器405RG跟踪值=偏置值+汽水偏差值=-8.5%-4.32%=-12.82%

因此在切换时405RG的跟踪值由4.3%变为-12.82%，即产生了约17.12%[(4.3+12.82)%]的偏差量，根据3号旁路调节阀开度流量对应函数409RG，y=4x计算得到阀门开度将变化为：

ARE431KM′=62.63%+17.12%×4=130%

经过以上计算验证了偏置信号引入导致旁阀的突然全开。

如果在汽轮机并网成功后，保持给水调节阀手动控制，等待一段时间(一般需至少等待大于300 s)直至偏置信号随滤波器的作用逐渐消失，此时再将给水调节阀由手动切向自动控制，固然减小了偏置信号导致的扰动。但是汽水偏差中的-4.32%的信号仍在，在旁路阀切自动时，水位调节器405RG的跟踪值由4.3%变为-4.32%，即产生了约8.6%的偏差量，根据阀位与流量对应函数409RG，y=4x，计算得到阀门切至自动后将达到的开度：

ARE431KM′=62.62%+8.6%×4=97%

由上式计算结果可知，流量调节阀门仍将接近全开。

3.3 模拟机验证

为了验证3.2节计算推理过程是否与给水调节系统特性是否一致，在模拟机上对汽机并网过程中给水调节阀的不同组态进行验证。

(1)并网前ARE432KM超过20%前，主旁阀均置手动，达到切换阈值20%时，将给水主调节阀先切回自动，再将给水旁路调节阀切回自动。结果旁路调节阀全开，复现了713小修并网时给水旁路阀突开情景。如图7所示。

图7 模拟机验证图

(2)模拟低负荷时主调阀置于自动状态、旁路阀置于手动状态：

1)低负荷时，432KM约在17%，将主阀门置于自动状态，旁路阀门置于手动状态，同时观察蒸汽流量、主给水流量、程序水位、蒸汽发生器水位不产生大的偏差；

2)高于低负荷时，432KM达到20%，401KS/402KS灯灭，同时观察蒸汽流量、主给水流量、程序水位、蒸汽发生器水位不产生大的偏差，将旁路阀门切回自动状态，旁路阀门开度线性开大至全开，未产生突开现象。

(3)模拟主调阀一直置于手动、旁阀一直置于自动状态：

1)低负荷时，432KM约在17%，将主阀门置于手动状态，旁路阀门置于自动状态，同时观察蒸汽流量、主给水流量、程序水位、蒸汽发生器水位不产生大的偏差；

2)高于低负荷时，432KM达到20%，401KS、402KS灯灭，同时观察蒸汽流量、主给水流量、程序水位、蒸汽发生器水位不产生大的偏差，观察旁路阀，阀门突然全开。

(4)模拟主调阀和旁路阀一直置于自动状态：

1)低负荷时，432KM约在17%，将主阀门置于自动状态，旁路阀门置于自动状态，同时观察蒸汽流量、主给水流量、程序水位、蒸汽发生器水位不产生大的偏差；

2)高于低负荷时，432KM达到20%，401KS、402KS灯灭，同时观察蒸汽流量、主给水流量、程序水位、蒸汽发生器水位不产生大的偏差，旁路阀门开度线性开大至全开。

根据以上事件过程分析、数据计算、模拟机验证发现，在并网前主调阀处于手动状态，在低负荷时，偏置信号进入汽水偏差控制器，当二回路蒸汽负荷升至20%后(即ARE432KM达到20%，低负荷控制灯ARE401KS、ARE402KS灭)，在低负荷下的偏置信号未消失，并且被接入液位调节器，使液位调节器有一个较大偏差值输出(具体数值详见第3.2节)，此时旁路阀切自动状态，该偏差值导致旁路阀突然全开。

问题的真正原因是主阀手动状态下，旁路阀的单、三冲量控制切换引起的。在主阀置于手动状态下，二回路功率低于20%时，旁路阀是单冲量控制，控制信号由功率前馈项和水位PID两项组成；高于20%时，旁路阀自动切为三冲量控制，这时会把蒸汽流量、给水流量和偏置值同时引入，因此从单冲量切为三冲量会产生一个大的瞬态(主要由偏置信号引起)。在小于20%功率下把旁路阀置为手动，在大于20%功率之上切为自动，只不过把瞬态的产生时间延迟了。7·13并网过程中由于在主阀切自动前偏置信号已引入水位主调节器，此时将主阀和旁阀依次切自动时，偏置信号依然作用于旁阀上，以保证高于20%负荷时，旁路阀处于全开状态。

3.4 解决方案

并网时由于汽轮机调门开启的速度和旁排阀GCT-C关闭速度之间的匹配不完全一致，会导致蒸汽发生器压力降低，二回路的热功率上涨。2号机组未出现并网后的二回路的热功率超过20%的问题，是因为并网后的发电机初始负荷+并网前的功率小于1号机组。在并网之后，如果不提升汽轮机功率，二回路的热功率会自动恢复到并网前的数值，即小于20%。蒸汽发生器水位在并网后会首先小幅上升，然后会小幅下降，如果不把旁路阀恢复到自动，可能会降低到比并网前略低的水平。在等待功率降回到20%之下的期间，操纵员可以继续通过手动控制旁路阀开度，控制蒸汽发生器水位，待到二回路热功率降到20%之后，再将旁路阀恢复到自动。

根据上文的分析，有效解决并网过程给水调节阀突开的措施可以从两个方面考虑，一方面需要降低并网后二回路负荷不至于达到切换点，另一方面，需要采取措施使得并网前后给水偏置信号不会加入到旁路阀的复制回路。针对以上两方面，提出以下解决方案：

1)避免旁路阀的控制模式在单、三冲量之间切换。方法是在20%之前，把主阀置于自动状态。主阀在并网前后保持在自动位置，由于-8.5%的偏置存在，主阀并不会有开度。即使有小的开度，后面的隔离阀保持在关闭状态，也不会导致主给水流量意外上涨而使蒸汽发生器水位上升。

2)修改运行规程中关于并网前给水调节阀组态策略，在并网前，将给水主调节阀置于自动，下游隔离阀保持全关，给水旁路调节阀置于手动控制以避开虚假水位的影响；在并网后，确认给水主调节阀无开度，且确认低负荷控制灯保持亮起状态将给水旁路调节阀恢复自动控制。若并网过程中低负荷控制灯因二回路计算负荷上涨导致灯灭，必须待低负荷控制灯重新亮起后，再将给水旁路调节阀恢复自动控制。

3)将并网核功率点由核功率16.5%改为在14.5%进行并网。既能保证堆芯偏热，旁排阀有足够开度，机组并网后堆芯平均温度不发生过冷，也能保证机组并网瞬态过程中二回路计算总负荷不达到切换点，从而避免蒸汽发生器给水调节阀的复制回路及切换，有力地减少水位波动。

4)实施变更，在并网过程中通过软件为GCT-C旁排阀总开度增加一个关闭偏置，使得旁排阀能够较快地关闭一定开度，以抵消汽轮机负荷增加导致的蒸汽流量增加，使并网前后二回路计算总负荷不会增加至主旁阀切换定值点，同样能对蒸汽发生器水位控制产生有利作用。具体变更介绍见第4节。

4 汽轮机并网时同步增加短时关闭GCT旁排阀偏置变更

在汽轮机并网瞬间，因为汽轮机冲动级压力(GRE044MP)的正常突跳，使得二回路计算总负荷ARE432KM波动引起蒸汽发生器水位波动。ARE432KM是由GCT-C旁排有效控制信号、GRE044MP代表的汽轮机负荷、ADG调制信号以及ARE504MS(定值2%)相加计算出的低负荷控制阈值，其中并网后GRE044MP会突跳至汽轮机最低负荷对应的值，此时旁排阀开度信号也较大，通过短时增加关闭GCT旁排阀的偏置，可有效避免ARE432KM波动至高低负荷切换点，使并网时蒸汽发生器水位平稳过渡，不发生大的波动。变更原则是只在机组并网时，且汽轮机旁排GCT_C处于压力控制模式下增加汽轮机旁排阀短时关闭的偏置信号。该偏置只增加在GCT_C处于压力控制模式下，GCT-C阀门总开度指令端(GCT404XR位置2增加偏置)。

根据不同状态进入不同阶段的情况下增加偏置，1号机组设定为第一组阀其中一个阀的30%，即阀门总开度的2.13%，2号机组设定为第一组阀其中一个阀的60%，即阀门总开度的4.26%。经方家山核电厂105、205大修并网验证变更效果良好。105大修并网趋势图如图8所示。

通过105及205大修启机并网过程可以看出，汽轮机并网瞬间，汽轮机初始负荷上涨的同时，通过变更使旁路排放阀在偏置环节的作用下，快速关小开度，使得并网前后总的蒸汽流量未发生大的波动，二回路计算总负荷未达到切换点，蒸汽发生器水位经过一个短暂的虚假水位峰值后，调节趋于平稳。

5 总结

通过对方家山核电厂1号机组并网过程中给水调节阀的开度突变过程进行分析，根据计算和模拟机验证，确定运行规程中对于并网前后给水调节阀的运行配置不合理是导致并网时旁路调节阀切回自动时突开的原因，并提出了优化给水调节阀的组态配置运行策略以及将并网前初始核功率适当降低至14.5%的解决思路，能够有效地达到并网后二回路计算负荷不涨至切换点，又满足并网前后堆芯状态平稳不会过冷的平衡要求，且能保证旁路调节阀由手动切向自动的时机不会发生开度突变。并且通过此次事件过程的分析，从技术上实施技改变更，机组上实施了汽轮机并网时同步增加短时关闭GCT旁排阀偏置的变更。经大修后机组并网过程验证，变更后蒸汽发生器水位在并网过程中平稳可控，保证了机组并网过程中的安全稳定运行，对于同属M310型的反应堆机组有较大的借鉴意义。