吳茜 徐濤 朱加良 何鵬 陳學(xué)坤 陳靜

【摘 要】蒸汽發(fā)生器是反應(yīng)堆一、二回路的換熱設(shè)備，為了維持反應(yīng)堆的安全運行，必須對蒸汽發(fā)生器的水位進行準(zhǔn)確測量，其水位波動會引起蒸發(fā)器水位低觸發(fā)反應(yīng)堆停堆保護，同時影響蒸發(fā)器水位控制性能。傳統(tǒng)的蒸汽發(fā)生器水位測量是采用差壓表在額定工況下校準(zhǔn)，利用差壓原理進行測量的方法，該方法的局限在于水位測量參數(shù)只適用于特定工況，在其他工況下需以人工查表的形式進行修正。本文結(jié)合差壓表測量蒸發(fā)器水位的原理，提出了一種在DCS中自動修正，準(zhǔn)確得出不同工況下水位的測量方法。

【關(guān)鍵詞】蒸汽發(fā)生器;水位測量;自動修正

中圖分類號： TU995.3 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）12-0004-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.12.002

【Abstract】The Steam Generator is the heat exchanger between the first and second loop in reactor. To keep the reactors safe operation， it must measure the level of Steam Generator accurately. The level variation will lead to reactor trip and will influence the control of SGs level. In traditional measurement， it use the differential pressure transmitter to measure the level which calibrated in normal condition. The limit of this method is the parameter just apply to the specific condition. In other condition， it should measured by checking table artificially. In this essay， we provide one new measurement method according to the principle of differential pressure. The method could make self-correction in DCS， and could measure level in different condition.

【Key words】Steam Generator; Level measurement; Self-correction

蒸汽發(fā)生器是反應(yīng)堆一、二回路的樞紐，它將反應(yīng)堆產(chǎn)生的熱量傳遞給蒸汽發(fā)生器二次側(cè)，產(chǎn)生蒸汽推動汽輪機做功。同時，蒸汽發(fā)生器又是分隔一、二次側(cè)介質(zhì)的屏障，它對于核電廠的安全運行十分重要。

蒸汽發(fā)生器中的循環(huán)回路由下降通道、上升通道和連接它們的套筒缺口及汽水分離器等組成。下降通道是套筒和蒸汽發(fā)生器筒體之間的環(huán)腔;上升通道是套筒內(nèi)側(cè)和傳熱管束之間的通道。在循環(huán)回路中下降通道內(nèi)流動的是單相的冷水，上升通道內(nèi)流動的是溫度較高的汽水混合的熱水，形成兩股溫度和密度都不相同的水柱[1]。

蒸汽發(fā)生器的水位，是指在蒸汽發(fā)生器筒體和管束外套筒之間的環(huán)形部分中測得的水位，也就是冷柱的水位。核電廠正常運行時，蒸汽發(fā)生器必須保持正常的水位，若水位過低，蒸汽發(fā)生器二次側(cè)水量過少，會引起一回路冷卻不充分，管束因溫度升高有可能破裂。同時，會使蒸汽進入給水環(huán)，從而在給水管道中有產(chǎn)生汽錘的危險，蒸汽發(fā)生器的管板還將受到熱沖擊;若水位過高，將導(dǎo)致流向汽輪機的蒸汽濕度過大[1-2]。

由于蒸汽發(fā)生器本身內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，影響蒸汽發(fā)生器液位的參數(shù)很多，同時，隨著電站的運行工況不同，與蒸汽發(fā)生器液位相關(guān)的各種參數(shù)也在發(fā)生變化，蒸汽發(fā)生器液位測量具有很強的時變性[2]。為了更好地研究適用于壓水堆核電廠的蒸汽發(fā)生器水位測量技術(shù)，本文分析了傳統(tǒng)測量方法的不足之處，提出了一種基于自動修正的蒸汽發(fā)生器水位測量技術(shù)，該方法能夠提高測量準(zhǔn)確度和實時性，更好地適用于三代核電機組。

1 傳統(tǒng)測量方法

傳統(tǒng)測量方法中，采用差壓變送器進行水位測量，即將差壓變送器的輸出在額定工況下進行標(biāo)定，其他工況下的水位需要操作員通過預(yù)先計算得到的水位對應(yīng)關(guān)系求得。以蒸發(fā)器寬量程水位測量為例，其測量原理如圖1所示。

差壓變送器測量得到上下取壓口的差壓值（LP為低壓側(cè)，HP為高壓側(cè)），同時根據(jù)理論計算公式得到蒸發(fā)器零水位和滿水位下的壓差對應(yīng)關(guān)系：

其中：

實際運行中，差壓變送器在熱態(tài)0%功率（15.5MPa，344℃），儀表管溫度40℃的工況下標(biāo)定，測量范圍為-12.78m～3.13m。在偏離此工況后，差壓變送器的輸出值并不能真實反映實際水位，需要采用人為修正的方式進行計算。即在不同功率平臺下（20%FP，40%FP，60%FP，80%FP，100%FP），利用公式計算得到零點和滿點的差壓值，與標(biāo)定工況下的差壓值對比找出修正系數(shù)。操作員根據(jù)修正系數(shù)的對應(yīng)關(guān)系就可以得出對應(yīng)工況下的實際水位值，修正系數(shù)的對應(yīng)關(guān)系如圖2所示。

從上述方法中可以看出，測量儀表只能準(zhǔn)確得出特定工況下的水位值，對于其他工況下的水位值必須依據(jù)修正系數(shù)人為進行計算得出。此外實際運行中只針對幾個典型的工況給出了修正系數(shù)，并沒有覆蓋全部工況。

2 自動修正測量方法

為了解決傳統(tǒng)測量方法的不足，在目前核電廠全面使用數(shù)字化平臺的前提下，本文提出了一種基于自動修正的測量方法。該方法的核心在于將影響測量值的各項因素進行梳理，利用DCS的數(shù)字處理能力，將各項影響因素在DCS中一一進行修正計算，從而準(zhǔn)確得出最終的水位值。

根據(jù)差壓法水位測量原理，蒸發(fā)器水位計算公式如下所示：

式中：H為實際水位;

ΔP為測量得到的壓差。

從上述關(guān)系式中可以看出，ΔP可由差壓表直接測量得到，dr，C，g均為常數(shù)量，變化參量為下降流溫度TD和密度ρD，儀表管水的密度ρr，蒸汽密度ρv。

為得到上述變化參量，需引入主蒸汽壓力和儀表管溫度測量參量，同時根據(jù)水和水蒸氣熱力性質(zhì)國際標(biāo)準(zhǔn)IAPWS-IF97給出的計算公式進行擬合求解，該過程在DCS中進行修正計算，計算流程如圖3所示。

其中：

從上述自動修正測量方法中可以看出，該方法將復(fù)雜的影響因素通過修正公式的形式引入DCS計算模型中，通過自動計算可實時得出不同工況下的水和水蒸氣狀態(tài)特性，從而求得水位測量值，減少了人為查表的過程，提高了自動化程度。

3 對比分析

對比上述兩種測量方法，可以看出基于自動修正的水位測量技術(shù)明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的測量技 術(shù)，主要表現(xiàn)在以下兩個方面：

提高了測量精度

自動修正方法中引入了儀表管溫度測量參數(shù)，通過DCS自動進行儀表管內(nèi)水的密度計算，假設(shè)儀表管內(nèi)水溫變化30℃，對水位測量的影響為1.2%。因此，通過實時監(jiān)測儀表管水溫，將該參量引入水位測量計算中，可提高蒸發(fā)器水位測量精度。儀表管溫度對水位測量的影響如圖4所示。

實現(xiàn)了輸出顯示的實時性和全面性

采用數(shù)字化的測量方法，其計算和修正過程在DCS平臺中完成，不需人工干預(yù)，能夠?qū)崟r得到水位測量值。同時消除了傳統(tǒng)方法中針對典型工況的對應(yīng)計算，能夠滿足全工況的測量要求。

4 結(jié)束語

蒸發(fā)器水位測量對于核電廠的安全可靠運行至關(guān)重要，為準(zhǔn)確測量該參數(shù)，本文提出了基于自動修正的新型水位測量方法，該方法可以對不同測量工況下的蒸汽發(fā)生器中水、水蒸氣、儀表管水的密度等參數(shù)實時計算，使測量系統(tǒng)可以確保在任何工況下都可以直接測量到實際水位，提高了測量的精度，減輕了運行人員負(fù)擔(dān)。

【參考文獻】

[1]朱繼洲主編.壓水堆核電廠的運行[M].北京：原子能出版社，2008.

[2]董子龍.基于PID和H_∞控制方法的蒸汽發(fā)生器水位控制[D].哈爾濱工程大學(xué)，2011.

[3]鄧天勇.蒸汽發(fā)生器電接點水位測量技術(shù)研究，船電技術(shù)[J].2005.

[4]何正熙等.基于數(shù)字化技術(shù)的反應(yīng)堆測量系統(tǒng)修正方法研究，核動力工程[J].2014.