基于運(yùn)行事件研究蒸汽發(fā)生器水位異常的手動(dòng)干預(yù)

張波 張振華 陳方強(qiáng) 王青松 王承智

【摘 要】近年來國(guó)內(nèi)核電廠多次出現(xiàn)了由于蒸汽發(fā)生器水位異常而引發(fā)的跳堆事件。操縱員的干預(yù)行為在很大程度上促成了事件的發(fā)生。以核電廠兩個(gè)運(yùn)行事件作為案例，分別進(jìn)行了探討。文章總結(jié)指出，當(dāng)發(fā)生蒸汽發(fā)生器水位異常時(shí)，提高對(duì)水位異常的認(rèn)識(shí)，建立良好的安全理念做好風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、有效判斷手動(dòng)干預(yù)時(shí)機(jī)、選擇正確的干預(yù)方式、平穩(wěn)控制干預(yù)幅度是避免“蒸汽發(fā)生器水位異常觸發(fā)保護(hù)系統(tǒng)動(dòng)作”相關(guān)運(yùn)行事件發(fā)生的有效途徑。

【關(guān)鍵詞】蒸汽發(fā)生器；水位異常；手動(dòng)干預(yù)；運(yùn)行事件

中圖分類號(hào)： TL353.13；TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）28-0004-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.28.002

【Abstract】In recent years， lots of NPP operation events about the reactor shutdown have happened for the steam generator water level abnormity. Operator behavior is a very important factor. To a great extent， it contributes to the occurrence of operation events. The paper takes two NPP operation events as reference events. Finally， the paper gives some effective ways to avoid the similar operation events of the steam generator water level abnormity that are to improve the understanding of the water level abnormity， establish good safety conception， do enough risk assessment， judge the right manual intervention time， chose reasonable intervention measures， and control intervention amplitude. All these are to ensure that operation meets the nuclear safety requirements.

【Key words】Steam generator；Water level abnormity；Manual manipulation measure；Operation event

0 前言

近年來國(guó)內(nèi)運(yùn)行核電廠多次出現(xiàn)了由于蒸汽發(fā)生器水位異常而引發(fā)的跳堆事件。部分事件的誘因歸結(jié)為機(jī)組故障引發(fā)的瞬態(tài)響應(yīng)、蒸汽發(fā)生器水位調(diào)節(jié)滯后。另外一些事件，操縱員的蒸發(fā)器水位手動(dòng)干預(yù)在很大程度上促成了事件的發(fā)生。參考目前國(guó)內(nèi)核電廠的運(yùn)行規(guī)程，尚未文件對(duì)蒸發(fā)器水位異常情況之下的干預(yù)時(shí)機(jī)及干預(yù)方式進(jìn)行明確，完全取決于操縱員對(duì)機(jī)組狀態(tài)的判斷和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。而我國(guó)現(xiàn)役核電廠操縱員隊(duì)伍相對(duì)年輕，對(duì)蒸發(fā)器水位手動(dòng)干預(yù)的實(shí)踐和總結(jié)大多數(shù)來源于模擬機(jī)培訓(xùn)課程，難免有所偏差，經(jīng)歷的實(shí)際機(jī)組相關(guān)異常事件又較少，從而對(duì)真實(shí)機(jī)組的蒸發(fā)器熱工水力特性缺乏更深層次的認(rèn)識(shí)。另外，在真實(shí)機(jī)組上發(fā)生異常瞬態(tài)時(shí)，操縱員的心理壓力也誘發(fā)了如干預(yù)時(shí)機(jī)不當(dāng)、干預(yù)方式欠佳甚至錯(cuò)誤等。對(duì)運(yùn)行事件進(jìn)行評(píng)價(jià)、歸納和總結(jié)，提高操縱員對(duì)蒸發(fā)器水位干預(yù)的技能顯得愈來愈重要。

1 典型的蒸汽發(fā)生器水位調(diào)節(jié)

二代及改進(jìn)型機(jī)組是目前我國(guó)運(yùn)行核電廠中數(shù)量最多的堆型，其蒸汽發(fā)生器水位調(diào)節(jié)原理類似。以CPR1000型機(jī)組為例，給水流量控制系統(tǒng)包括3個(gè)調(diào)節(jié)器：水位調(diào)節(jié)器、流量調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。水位調(diào)節(jié)器將蒸發(fā)器水位實(shí)測(cè)值與整定值比較，輸出為流量調(diào)節(jié)器的整定值。流量失配信號(hào)可視為流量測(cè)量值。流量調(diào)節(jié)器改變流量調(diào)節(jié)閥的位置，以維持蒸汽發(fā)生器水位為整定值。

在大于20%的高負(fù)荷下，由汽機(jī)進(jìn)汽壓力代表的汽機(jī)功率、由冷凝器排放信號(hào)代表的冷凝器排放功率及由除氧器排放信號(hào)代表的除氧器排放功率在加法器中相加，得到代表二回路總功率的信號(hào)。函數(shù)發(fā)生器將二回路負(fù)荷轉(zhuǎn)換為水位設(shè)定值。將水位實(shí)測(cè)值與設(shè)定值比較產(chǎn)生水位偏差乘以與給水溫度相關(guān)的修正系數(shù)，輸入至PID水位調(diào)節(jié)器。水位調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)、流量失配信號(hào)同時(shí)輸入至流量調(diào)節(jié)器產(chǎn)生流量偏差信號(hào)輸入至PI流量調(diào)節(jié)器，從而轉(zhuǎn)化為主給水調(diào)節(jié)閥（大閥）的開度偏差信號(hào)。此時(shí)輔助調(diào)節(jié)閥（小閥）通過函數(shù)轉(zhuǎn)換全開。

當(dāng)二回路負(fù)荷低于20%時(shí)，8.5%Qn的虛擬信號(hào)按與給水流量相同的極性輸入至汽水失配信號(hào)，從而保證大閥關(guān)閉，改用小閥控制。此時(shí)，仍用水位調(diào)節(jié)器輸出的信號(hào)進(jìn)行閉環(huán)水位調(diào)節(jié)。為了提高調(diào)節(jié)速度需要納入開環(huán)作用。由于低負(fù)荷下蒸汽流量測(cè)量不準(zhǔn)確，開環(huán)調(diào)節(jié)需要的負(fù)荷信號(hào)由代表汽機(jī)負(fù)荷的窄量程汽機(jī)進(jìn)汽壓力信號(hào)，冷凝器和除氧器排放信號(hào)經(jīng)加法器生成。將閉環(huán)信號(hào)與開環(huán)信號(hào)按適當(dāng)極性相加，偏差經(jīng)函數(shù)發(fā)生器轉(zhuǎn)換為小閥的開度信號(hào)，經(jīng)電氣轉(zhuǎn)換器控制其開度。

當(dāng)給水調(diào)節(jié)閥開度改變時(shí)，引起給水泵出口壓頭變化，破壞了另外兩臺(tái)蒸發(fā)器水位調(diào)節(jié)閥開度與流量的對(duì)比關(guān)系。為了消除這種不良耦合，避免給水調(diào)節(jié)閥的頻繁動(dòng)作，改善水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)的工作環(huán)境，引入了給水泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)給水泵的轉(zhuǎn)速使得給水閥的壓降在正常的負(fù)荷變化范圍內(nèi)維持近似恒定。

2 陽江核電廠1號(hào)機(jī)給水閥控制優(yōu)化試驗(yàn)中的跳堆事件

2014年1月10日，陽江核電廠1號(hào)機(jī)組核功率為19%，儀控人員進(jìn)行ARE給水閥控制優(yōu)化過程中，蒸發(fā)器水位擾動(dòng)，操縱員進(jìn)行手動(dòng)干預(yù)。15：10三號(hào)蒸汽發(fā)生器水位達(dá)0.9m，觸發(fā)水位高高信號(hào)跳堆。事件前的初始狀態(tài)為：核功率19%Pn，汽水壓差0.44MPa，單臺(tái)蒸汽發(fā)生器的蒸汽流量、給水流量約300t/h，蒸發(fā)器水位穩(wěn)定，主給水調(diào)節(jié)大閥關(guān)閉，小閥開度96%，均處于自動(dòng)控制。與蒸發(fā)器水位相關(guān)的重要事件序列及分析：

（1）14：58：調(diào)試人員執(zhí)行切換試驗(yàn)，將大小閥切換定值從20%修改為19%。由于蒸發(fā)器水位主調(diào)節(jié)器存在-5.06%的信號(hào)輸出，大小閥切換后，大閥緩慢開啟。15：00大閥開啟至12%開度，給水流量增加，蒸汽發(fā)生器水位升高，小閥自動(dòng)關(guān)小。

分析：電廠對(duì)此事件促成原因解釋為小閥流量特性與調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置不匹配，即小閥在初始穩(wěn)態(tài)時(shí)本應(yīng)在76%開度（設(shè)計(jì)流量為300t/h）但實(shí)際開度為96.4%。故說明穩(wěn)態(tài)時(shí)由于水位偏差而引起的PID調(diào)節(jié)器的輸出貢獻(xiàn)開度為20.4%，進(jìn)而推測(cè)初始穩(wěn)定下水位穩(wěn)定值并非在19%功率對(duì)應(yīng)的整定值上。然而這并未引起操縱員的重視，從而引起后續(xù)的大閥迅速開大（切換大小閥定值后-8.5%Qn迅速切除，但存在初始的水位偏差），小閥自動(dòng)關(guān)?。≒ID貢獻(xiàn)度減小）。

（2）15：05：三號(hào)蒸發(fā)器水位升高至0.46m，操縱員進(jìn)行水位干預(yù)，手動(dòng)關(guān)閉大閥，此時(shí)小閥處于自動(dòng)狀態(tài)，跟蹤大閥指令迅速關(guān)小，蒸發(fā)器水位下降。

分析：水位達(dá)到0.46m時(shí)雖然已接近危險(xiǎn)區(qū)，但操縱員必須同時(shí)關(guān)注汽水流量偏差。如果給水流量小于蒸汽流量但水位指示仍然上升，操縱員可不進(jìn)行干預(yù)。即使干預(yù)，應(yīng)該大小閥同時(shí)置手動(dòng)且小閥優(yōu)先而后大閥。原理可見圖2的復(fù)制回路。如先將大閥置手動(dòng)，汽水失配信號(hào)通過X開關(guān)及1-3開關(guān)輸入至PID調(diào)節(jié)器從而旁通水位偏差，此時(shí)小閥的自動(dòng)輸出將跟隨汽水失配而非水位偏差，大閥開大，汽水失配減?。ㄘ?fù)極性），小閥跟隨開大，反之亦然。對(duì)于復(fù)制回路的模擬驗(yàn)證結(jié)果可如圖3所示。初始狀態(tài)為：機(jī)組滿功率運(yùn)行，蒸發(fā)器水位0m，給水調(diào)節(jié)閥置自動(dòng)，大閥開度42%，小閥開度100%。當(dāng)將大閥置手動(dòng)并逐漸關(guān)小時(shí)，蒸發(fā)器水位逐漸下降，與此同時(shí)小閥自動(dòng)逐漸關(guān)小至接近全關(guān)，反之亦然。本序列的操縱員失誤較多，反映了當(dāng)時(shí)的心理壓力較大。

（3）15：06：操縱員手動(dòng)開啟大閥至10%開度后置自動(dòng)，此時(shí)小閥開度為14%，給水流量小于120t/h，蒸汽流量為300t/h。

分析：此時(shí)的三號(hào)蒸汽發(fā)生器水位尚未穩(wěn)定，仍然在手動(dòng)干預(yù)期，操縱員應(yīng)該克服心理壓力集中精力調(diào)節(jié)水位，不能將極不穩(wěn)定的水位再次轉(zhuǎn)為自動(dòng)，更易引起超調(diào)。

（4）15：07：三臺(tái)蒸汽發(fā)生器水位同時(shí)下降，操縱員提高汽水壓差至0.94MPa，給水流量未明顯增加。

分析：三臺(tái)蒸發(fā)器水位同時(shí)下降，說明一、二號(hào)蒸發(fā)器已經(jīng)受到三號(hào)蒸發(fā)器自動(dòng)超調(diào)的影響，依據(jù)模擬數(shù)據(jù)，一、二號(hào)蒸發(fā)器水位可以自動(dòng)調(diào)整，緩慢衰減至正常范圍內(nèi)。一般情況下，主給水泵轉(zhuǎn)速手動(dòng)調(diào)節(jié)適用于三臺(tái)蒸發(fā)器水位相近及趨勢(shì)一致的情況下，但此時(shí)三號(hào)蒸發(fā)器水位與另外兩臺(tái)偏差較大，轉(zhuǎn)速切換至手動(dòng)也僅能緩解一時(shí)，后期極易陷入更加被動(dòng)的局面。

（5）15：09：三號(hào)蒸發(fā)器水位降低至-1m，操縱員手動(dòng)調(diào)節(jié)大閥開度至30%，小閥跟蹤大閥迅速全開，給水流量增加至1462t/h。15：10三號(hào)蒸汽發(fā)生器水位上升至0.9m，反應(yīng)堆自動(dòng)停堆。

分析：在給水泵轉(zhuǎn)速手動(dòng)、三臺(tái)蒸發(fā)器水位不一致，且一臺(tái)已達(dá)到-1m時(shí)，機(jī)組已達(dá)到無法緩解的局面。

3 紅沿河核電廠1號(hào)機(jī)沖轉(zhuǎn)并網(wǎng)時(shí)發(fā)生的跳堆事件

2013年2月24日，紅沿河1號(hào)機(jī)按計(jì)劃提升核功率至14.4%，執(zhí)行沖轉(zhuǎn)并網(wǎng)，并網(wǎng)后電功率上升至80MW，引起GCTc全關(guān)和一回路過冷，蒸發(fā)器水位波動(dòng)，操縱員手動(dòng)控制蒸發(fā)器水位時(shí)，產(chǎn)生一號(hào)蒸發(fā)器水位高高信號(hào)導(dǎo)致跳堆。事件前的初始狀態(tài)：核功率14.4%，控制棒置手動(dòng)，二回路沖轉(zhuǎn)至額定轉(zhuǎn)速，GCTc為P模式開度6.33%，主給水泵轉(zhuǎn)速置自動(dòng)，大閥自動(dòng)全關(guān)，小閥自動(dòng)維持蒸發(fā)器水位0.2m。與蒸發(fā)器水位相關(guān)的重要事件序列及分析：

（1）06：13：34執(zhí)行并網(wǎng)操作。06：13：58GCTc全關(guān)，電功率61MW且呈上升趨勢(shì)，2分鐘后最終穩(wěn)定在80MW。06：18：07發(fā)電機(jī)目標(biāo)負(fù)荷降至當(dāng)前負(fù)荷后二回路操縱員投運(yùn)GRE閉環(huán)控制，隨后將目標(biāo)負(fù)荷設(shè)定為55MW，06：18：43開始降負(fù)荷。

分析：為應(yīng)對(duì)沖轉(zhuǎn)并網(wǎng)期間消耗的大量蒸汽，并滿足技術(shù)規(guī)格書要求，一般選擇在核功率12%至15%之間沖轉(zhuǎn)并網(wǎng)，GCTc的P模式排放量為6.33%開度，滿足并網(wǎng)要求。并網(wǎng)過程其實(shí)并未消耗過量蒸汽，并網(wǎng)后的基本負(fù)荷也接近在55MW左右。而機(jī)組并網(wǎng)后功率迅速上升達(dá)到80MW，GCTc的P模式全關(guān)，實(shí)為異常。建議核查GRE系統(tǒng)設(shè)置是否正確，或者GCTc的P模式排放儀控參數(shù)是否異常。另外即使負(fù)荷已穩(wěn)定至高位80MW，GCTc全關(guān)，操縱員再次降負(fù)荷至55MW的操作對(duì)后續(xù)的蒸發(fā)器水位劇烈波動(dòng)有著必然聯(lián)系。

（2）06：18：32三臺(tái)蒸汽發(fā)生器水位達(dá)到0.4m，且仍呈快速上漲趨勢(shì)，為降低水位，一回路操縱員將運(yùn)行的兩臺(tái)主給水泵轉(zhuǎn)速設(shè)為手動(dòng)，并分兩次從4474RPM降至4083RPM，主給水流量減少。06：19：18三臺(tái)蒸發(fā)器水位漲至0.45m開始下降。

分析：水位達(dá)到0.4m時(shí)雖然已接近危險(xiǎn)值，但操縱員首先應(yīng)該關(guān)注的是蒸汽、給水的實(shí)際流量。如果給水流量小于蒸汽流量，可暫判斷為水位上升為虛假水位。如果給水流量大于蒸汽流量，二回路應(yīng)該及時(shí)做出干預(yù)，必要時(shí)可委托一回路操縱員。而事件中出現(xiàn)的一回路操縱員提前干預(yù)是否恰當(dāng)，值得反思。

（3）06：21：01主給水流量降至125t/h，顯示與控制功能均被切除，大閥自動(dòng)開啟至22.63%。06：21：28一回路操縱員開始逐漸提高一臺(tái)主給水泵轉(zhuǎn)速。06：22：51電功率降至55MW，GCTc的開始開啟，最高達(dá)到6.1%。06：22：57二回路操縱員手動(dòng)關(guān)閉ARE主閥。

分析：關(guān)于主給水流量降至低位時(shí)的顯示與控制功能切除，的確是目前眾多機(jī)組儀控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)缺陷，為操縱員在低負(fù)荷下的蒸發(fā)器水位手動(dòng)控制帶來影響。在此序列中，汽機(jī)負(fù)荷變動(dòng)、主給水泵轉(zhuǎn)速手動(dòng)、給水流量監(jiān)視的盲區(qū)，在如此復(fù)雜環(huán)境下水位調(diào)節(jié)已經(jīng)接近失控。而后續(xù)二回路操縱員將大閥切為手動(dòng)，導(dǎo)致了一、二回路操縱員同時(shí)控制水位。且二回路操縱員同時(shí)控制三個(gè)大閥而行動(dòng)相對(duì)遲緩，使得已接近失控的機(jī)組更為復(fù)雜。操縱員應(yīng)避免為保暫時(shí)的安全裕度而將機(jī)組帶入惡劣局面當(dāng)中。

（4）06：24：16三臺(tái)蒸發(fā)器水位繼續(xù)下降，一回路操縱員同時(shí)提高兩臺(tái)APA泵轉(zhuǎn)速，二回路操縱員手動(dòng)開啟ARE主閥至20%-30%。06：24：50三臺(tái)蒸發(fā)器水位達(dá)到-0.8m后開始迅速回升，一回路操縱員開始降低APA轉(zhuǎn)速，二回路手動(dòng)全關(guān)ARE大閥。06：26：16一號(hào)蒸發(fā)器水位達(dá)到高高水位跳堆。

分析：一、二回路操縱員同時(shí)控制水位，且低流量監(jiān)視盲區(qū)，極易引起干預(yù)幅度過大，流量超調(diào)，最終導(dǎo)致了跳堆事件的發(fā)生。

4 對(duì)蒸汽發(fā)生器水位手動(dòng)干預(yù)的幾點(diǎn)建議

（1）對(duì)水位異常的認(rèn)識(shí)

勿將蒸發(fā)器水位異常看作孤立的現(xiàn)象，一回路溫度變化、二回路蒸汽負(fù)荷變化、給水系統(tǒng)狀態(tài)變化等都要影響蒸發(fā)器水位。如果蒸發(fā)器水位異常需要干預(yù)時(shí)，尤其要及時(shí)穩(wěn)定一、二回路的負(fù)荷，避免對(duì)手動(dòng)干預(yù)造成額外的影響。

（2）判斷干預(yù)時(shí)機(jī)

何時(shí)采用手動(dòng)干預(yù)最為恰當(dāng)？這是業(yè)內(nèi)探討較多的問題。一般來說，首先應(yīng)確認(rèn)自動(dòng)調(diào)節(jié)是否有效。如當(dāng)蒸發(fā)器水位下降時(shí)，要觀察給水流量是否大于或即將大于蒸汽流量。如果是，根據(jù)熱工特性，窄量程水位會(huì)在瞬態(tài)虛假水位之后上升，而這個(gè)瞬態(tài)長(zhǎng)短則取決于當(dāng)時(shí)的冷卻劑溫度、負(fù)荷水平、給水溫度、擾動(dòng)類型等，務(wù)必做到沉著冷靜判斷。當(dāng)判斷確實(shí)存在給水流量變化嚴(yán)重滯后，水位下降至危險(xiǎn)區(qū)間且不能出現(xiàn)拐點(diǎn)時(shí)，必須果斷及時(shí)做決定，切勿瞻前顧后，優(yōu)柔寡斷。

（3）掌握干預(yù)方式

由于三臺(tái)蒸發(fā)器公用給水母管和蒸汽母管，外界大部分?jǐn)_動(dòng)瞬態(tài)將造成三臺(tái)蒸發(fā)器水位變化方向一致，且大小相近。此時(shí)應(yīng)考慮通過調(diào)節(jié)給水泵轉(zhuǎn)速干預(yù)，且務(wù)必做到所有運(yùn)行給水泵都置手動(dòng)。當(dāng)擾動(dòng)造成單臺(tái)蒸發(fā)器水位相對(duì)于其它兩臺(tái)偏差較大時(shí)，則考慮將此臺(tái)蒸發(fā)器對(duì)應(yīng)的大小閥都置手動(dòng)。并且低功率（小于20%）時(shí)，大閥優(yōu)先置手動(dòng)；高功率（大于20%）時(shí)，小閥優(yōu)先置手動(dòng)。切勿順序顛倒，切勿一個(gè)手動(dòng)一個(gè)自動(dòng)，避免復(fù)制信號(hào)帶來的干擾。在調(diào)節(jié)單臺(tái)蒸發(fā)器水位時(shí)，將會(huì)對(duì)另外兩臺(tái)蒸發(fā)器造成一定擾動(dòng)，但只要控制好干預(yù)幅度不造成震蕩發(fā)散，另外兩臺(tái)蒸發(fā)器水位都能自動(dòng)衰減至正常。另外要避免給水泵轉(zhuǎn)速與大小閥同時(shí)手動(dòng)調(diào)節(jié)，此種狀態(tài)往往無法緩解，極易造成震蕩發(fā)散。

（4）控制干預(yù)幅度

無論手動(dòng)控制轉(zhuǎn)速或者手動(dòng)控制閥門開度，干預(yù)的幅度要加以控制，注意給水流量、蒸汽流量、汽水偏差及蒸汽給水母管壓差。避免急躁情緒，瞬時(shí)開過大或者關(guān)過小，造成震蕩發(fā)散。另外在接近跳堆值時(shí)需要考慮冷水效應(yīng)。例如當(dāng)水位下降至-1m時(shí)，如給水流量增加過快，則會(huì)由于冷水效應(yīng)加速窄量程水位的下降，從而引發(fā)跳堆。

（5）建立安全理念

良好的安全理念是保證蒸發(fā)器水位的重要屏障。任何可能引起蒸發(fā)器水位異常的重大操作要提前預(yù)知，做好風(fēng)險(xiǎn)分析和策略管理。處理緊急瞬態(tài)時(shí)要克服心理障礙，勇于承擔(dān)，切勿患得患失，喪失良機(jī)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]國(guó)家核安全局核電廠經(jīng)驗(yàn)反饋平臺(tái).

[2]陽江核電廠1號(hào)機(jī)組三號(hào)蒸發(fā)器水位高高疊加P7信號(hào)導(dǎo)致反應(yīng)堆自動(dòng)跳堆運(yùn)行事件報(bào)告.

[3]紅沿河1號(hào)機(jī)組SG1號(hào)蒸汽發(fā)生器水位高高疊加P7信號(hào)導(dǎo)致反應(yīng)堆自動(dòng)停堆運(yùn)行事件報(bào)告.

[4]陳永偉等.核電站蒸汽發(fā)生器水位控制主/旁路閥切換改進(jìn)與優(yōu)化[J].原子能科學(xué)技術(shù)，2015，49（3）：523-528.