三門1#機組硼酸配比回路優(yōu)化

田繼棟

（三門核電有限公司，浙江臺州 317112）

0 引言

三門1#機組采用非能動三代壓水堆技術，相比二代壓水堆，系統(tǒng)、設備數(shù)量明顯減少。與二代壓水堆比較，三門1#機組的硼酸配比回路簡化明顯，取消了容控箱等設備，使用三通閥將硼酸和除鹽水混合配出目標硼濃度的硼酸溶液。實際運行中經(jīng)常出現(xiàn)硼酸偏差報警，即配出的硼酸溶液濃度偏離目標硼濃度超過87.5×10-6。通過分析硼酸偏差報警產(chǎn)生的原因，在保留原設計優(yōu)點的基礎上對硼酸配比回路進行適當優(yōu)化，消除硼偏差報警。

1 三門1#機組硼酸配比回路原設計

三門1#機組硼酸配比回路主要由三通閥、除鹽水減壓閥、硼酸流量表、除鹽水流量表等溝通（圖1）。通過該回路配制濃度自0～4500×10-6的硼酸溶液，滿足一回路、非能動系統(tǒng)、乏池等系統(tǒng)、設備的需求。

硼酸儲存箱位于地面層，箱內(nèi)儲存有4375×10-6（2.5%）的濃硼酸，靠重力提供硼酸驅(qū)動力，將硼酸補至三通閥的入口；除鹽水母管壓力約為0.8 MPa（g），通過除鹽水減壓閥降低至0.11～0.12 MPa（g），將除鹽水補至三通閥入口。硼酸和除鹽水在三通閥內(nèi)混合成一定濃度的硼酸溶液，通過補水泵補至一回路、乏池和非能動系統(tǒng)等處。

圖1 硼酸配比回路原設計

2 硼酸偏差報警及其原因

根據(jù)設計，三通閥連接的硼酸管線壓力由硼酸儲存箱液位重力提供，除鹽水管線經(jīng)過減壓閥減壓后壓力與硼酸管線壓力大致相同，因此調(diào)節(jié)三通閥開向硼酸和除鹽水的開度，即可獲取目標濃度的硼酸溶液。

因為目標硼濃度=（硼酸流量×硼酸儲存箱硼濃度）/（硼酸流量+除鹽水流量），所以目標硼濃度/硼酸儲存箱硼濃度=硼酸流量/（硼酸流量+除鹽水流量）。這樣，SP=目標硼濃度/硼酸儲存箱硼濃度，目標硼濃度確定后，SP 值是固定的；PV=硼酸流量/（硼酸流量+除鹽水流量），補水總流量（即“硼酸流量+除鹽水流量”）確定后，PV隨著硼酸流量變化；目標硼濃度和補水總流量確定后，控制系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)三通閥開度，調(diào)節(jié)硼酸流量，使PV等于SP，即可配制出目標硼濃度的硼酸溶液。

為了防止配出的硼酸濃度偏離目標硼濃度，控制系統(tǒng)設置了硼偏差保護：當PV-SP＞0.02 持續(xù)1 min，會產(chǎn)生硼偏差報警，硼偏差報警持續(xù)1 min，補水自動停止。理論上，控制系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)硼酸流量使PV等于SP。但實際運行發(fā)現(xiàn)，PV值圍繞SP 波動，（PV-SP）經(jīng)常超過0.02（圖2）。

經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，造成PV值頻繁波動的原因主要有3 個。

（1）根據(jù)原設計，補水期間，除鹽水減壓閥后壓力穩(wěn)定，調(diào)節(jié)三通閥即可獲得穩(wěn)定的除鹽水流量和硼酸流量。實際運行發(fā)現(xiàn)，除鹽水減壓閥后壓力無法達到要求的穩(wěn)定程度，除鹽水流量變化，減壓閥后壓力隨之變化；尤其當除鹽水母管壓力波動時，減壓閥后壓力波動更加劇烈，因此除鹽水流量和硼酸流量波動較大，PV-SP 經(jīng)常大于0.02，產(chǎn)生硼偏差報警。

（2）除鹽水減壓閥定值根據(jù)設計規(guī)范是固定的，運行一段時間后發(fā)現(xiàn)除鹽水減壓閥定值自動偏離了原設定值，由于減壓閥定值的偏離導致系統(tǒng)的固有特性發(fā)生變化，補水期間三通閥的開度、除鹽水減壓閥后壓力等參數(shù)亦隨之變化。

圖2 硼酸配比參數(shù)趨勢

（3）硼酸儲存箱液位變化時，硼酸管線壓力隨之變化，與原設計中硼酸管線壓力與除鹽水減壓閥后壓力大致相同的理念相左，系統(tǒng)的固有特性也隨之改變。

3 設計優(yōu)化

原有硼酸配比回路設計對設備特別是除鹽水減壓閥和三通閥的要求較高，當前工業(yè)水平滿足不了該設計需求。而且該設計對控制系統(tǒng)算法提出了很高的要求，需要響應速度和系統(tǒng)穩(wěn)定性有很好的平衡，否則容易因系統(tǒng)震蕩導致補水操作停止。為了解決硼酸配比回路存在的諸多問題，提出了如下解決方案。

（1）取消除鹽水減壓閥，以除鹽水流量控制閥代替，根據(jù)目標硼濃度和補水總流量即可計算出所需要的除鹽水流量，除鹽水流量表控制除鹽水流量控制閥以獲取目標除鹽水流量；

（2）在硼酸管線上增加硼酸流量控制閥，根據(jù)目標硼濃度和補水總流量即可計算出所需要的硼酸流量，硼酸流量表控制硼酸流量控制閥以獲取目標硼酸流量；

（3）取消三通閥，以管道混合器代替，硼酸和除鹽水在管道混合器中混合獲得均勻硼濃度的硼酸溶液（圖3）。

相比于原設計，通過流量控制的優(yōu)點主要有3 個。

（1）參數(shù)容易控制。原設計中，需要保證除鹽水減壓閥后壓力恒定、硼酸儲存箱液位恒定，通過調(diào)節(jié)三通閥獲得目標硼濃度。實際運行發(fā)現(xiàn)：受工業(yè)水平限制，除鹽水減壓閥后壓力難以保持恒定；而且隨著硼酸消耗，硼酸儲存箱液位會下降，如果維持硼酸儲存箱液位盡量恒定，需要經(jīng)常向硼酸儲存箱補充硼酸。

（2）控制變量單一。補水總流量、目標硼濃度已知的情況下，所需硼酸流量和除鹽水流量可計算得出，硼酸流量由硼酸流量控制閥調(diào)節(jié)，除鹽水流量由除鹽水流量控制閥調(diào)節(jié)，除鹽水和硼酸相互不干涉。

（3）參數(shù)波動影響小。除鹽水壓力和硼酸儲存箱液位波動時，控制閥自動調(diào)節(jié)硼酸和除鹽水流量，可保證硼酸和除鹽水流量恒定。

4 結(jié)束語

一回路硼濃度與反應堆反應性控制密切相關，如果硼酸配比回路無法獲取穩(wěn)定和準確濃度的硼酸溶液，則反應堆反應性將與反應性計劃偏離，造成一回路平均溫度、反應堆功率等參數(shù)波動，影響反應堆安全和核電機組的穩(wěn)定。

圖3 優(yōu)化后的硼酸配比回路設計

三門1#機組的硼酸配比回路設計具有超前的設計理念，但現(xiàn)有工業(yè)水平無法滿足該理念的要求，造成硼酸配比回路經(jīng)常出現(xiàn)報警。本研究提供的優(yōu)化方式，既保留了原有硼酸配比回路的優(yōu)秀設計，又降低了系統(tǒng)控制的難度，可以有效解決硼酸配比回路報警的問題。