基于自動(dòng)修正的蒸汽發(fā)生器水位測(cè)量技術(shù)研究

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(yùn)行，必須對(duì)蒸汽發(fā)生器的水位進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，其水位波動(dòng)會(huì)引起蒸發(fā)器水位低觸發(fā)反應(yīng)堆停堆保護(hù)，同時(shí)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(cè)量是采用差壓表在額定工況下校準(zhǔn)，利用差壓原理進(jìn)行測(cè)量的方法，該方法的局限在于水位測(cè)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(jìn)行修正。本文結(jié)合差壓表測(cè)量蒸發(fā)器水位的原理，提出了一種在DCS中自動(dòng)修正，準(zhǔn)確得出不同工況下水位的測(cè)量方法。

【關(guān)鍵詞】蒸汽發(fā)生器;水位測(cè)量;自動(dòng)修正

中圖分類號(hào)： TU995.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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(dòng)汽輪機(jī)做功。同時(shí)，蒸汽發(fā)生器又是分隔一、二次側(cè)介質(zhì)的屏障，它對(duì)于核電廠的安全運(yùn)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(dòng)的是單相的冷水，上升通道內(nèi)流動(dòng)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(cè)得的水位，也就是冷柱的水位。核電廠正常運(yùn)行時(shí)，蒸汽發(fā)生器必須保持正常的水位，若水位過(guò)低，蒸汽發(fā)生器二次側(cè)水量過(guò)少，會(huì)引起一回路冷卻不充分，管束因溫度升高有可能破裂。同時(shí)，會(huì)使蒸汽進(jìn)入給水環(huán)，從而在給水管道中有產(chǎn)生汽錘的危險(xiǎn)，蒸汽發(fā)生器的管板還將受到熱沖擊;若水位過(guò)高，將導(dǎo)致流向汽輪機(jī)的蒸汽濕度過(guò)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(shí)，隨著電站的運(yùn)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(cè)量具有很強(qiáng)的時(shí)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(cè)量技術(shù)，本文分析了傳統(tǒng)測(cè)量方法的不足之處，提出了一種基于自動(dòng)修正的蒸汽發(fā)生器水位測(cè)量技術(shù)，該方法能夠提高測(cè)量準(zhǔn)確度和實(shí)時(shí)性，更好地適用于三代核電機(jī)組。

1 傳統(tǒng)測(cè)量方法

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

差壓變送器測(cè)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(shí)根據(jù)理論計(jì)算公式得到蒸發(fā)器零水位和滿水位下的壓差對(duì)應(yīng)關(guān)系：

其中：

實(shí)際運(yùn)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(cè)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(shí)反映實(shí)際水位，需要采用人為修正的方式進(jìn)行計(jì)算。即在不同功率平臺(tái)下（20%FP，40%FP，60%FP，80%FP，100%FP），利用公式計(jì)算得到零點(diǎn)和滿點(diǎn)的差壓值，與標(biāo)定工況下的差壓值對(duì)比找出修正系數(shù)。操作員根據(jù)修正系數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系就可以得出對(duì)應(yīng)工況下的實(shí)際水位值，修正系數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖2所示。

從上述方法中可以看出，測(cè)量?jī)x表只能準(zhǔn)確得出特定工況下的水位值，對(duì)于其他工況下的水位值必須依據(jù)修正系數(shù)人為進(jìn)行計(jì)算得出。此外實(shí)際運(yùn)行中只針對(duì)幾個(gè)典型的工況給出了修正系數(shù)，并沒(méi)有覆蓋全部工況。

2 自動(dòng)修正測(cè)量方法

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

根據(jù)差壓法水位測(cè)量原理，蒸發(fā)器水位計(jì)算公式如下所示：

式中：H為實(shí)際水位;

ΔP為測(cè)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(cè)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(cè)量參量，同時(shí)根據(jù)水和水蒸氣熱力性質(zhì)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IAPWS-IF97給出的計(jì)算公式進(jìn)行擬合求解，該過(guò)程在DCS中進(jìn)行修正計(jì)算，計(jì)算流程如圖3所示。

其中：

從上述自動(dòng)修正測(cè)量方法中可以看出，該方法將復(fù)雜的影響因素通過(guò)修正公式的形式引入DCS計(jì)算模型中，通過(guò)自動(dòng)計(jì)算可實(shí)時(shí)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(cè)量值，減少了人為查表的過(guò)程，提高了自動(dòng)化程度。

3 對(duì)比分析

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

提高了測(cè)量精度

自動(dòng)修正方法中引入了儀表管溫度測(cè)量參數(shù)，通過(guò)DCS自動(dòng)進(jìn)行儀表管內(nèi)水的密度計(jì)算，假設(shè)儀表管內(nèi)水溫變化30℃，對(duì)水位測(cè)量的影響為1.2%。因此，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)儀表管水溫，將該參量引入水位測(cè)量計(jì)算中，可提高蒸發(fā)器水位測(cè)量精度。儀表管溫度對(duì)水位測(cè)量的影響如圖4所示。

實(shí)現(xiàn)了輸出顯示的實(shí)時(shí)性和全面性

采用數(shù)字化的測(cè)量方法，其計(jì)算和修正過(guò)程在DCS平臺(tái)中完成，不需人工干預(yù)，能夠?qū)崟r(shí)得到水位測(cè)量值。同時(shí)消除了傳統(tǒng)方法中針對(duì)典型工況的對(duì)應(yīng)計(jì)算，能夠滿足全工況的測(cè)量要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

蒸發(fā)器水位測(cè)量對(duì)于核電廠的安全可靠運(yùn)行至關(guān)重要，為準(zhǔn)確測(cè)量該參數(shù)，本文提出了基于自動(dòng)修正的新型水位測(cè)量方法，該方法可以對(duì)不同測(cè)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(shí)時(shí)計(jì)算，使測(cè)量系統(tǒng)可以確保在任何工況下都可以直接測(cè)量到實(shí)際水位，提高了測(cè)量的精度，減輕了運(yùn)行人員負(fù)擔(dān)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]朱繼洲主編.壓水堆核電廠的運(yùn)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(diǎn)水位測(cè)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(cè)量系統(tǒng)修正方法研究，核動(dòng)力工程[J].2014.