核电水位控制系统介绍

核电水位控制系统介绍

压水堆核电厂由一、二次回路构成，蒸汽发生器在其中起到枢纽的作用。蒸汽发生器的水位控制在核电站的安全运行中占有重要的地位。稳压器水位控制系统是核电站另一个重要的控制系统，与核电站的安全、稳定、可靠运行有直接关系。

标签：压水堆；核电厂；核能

1 核岛组成和运行原理

核电厂是利用核能生产电能的电厂。压水堆核电厂是由一回路（包括压水反应堆系统和反应堆冷却剂系统）、二回路（包括动力转换和蒸汽系统）、发电机系统、输配电系统、循环水及其他辅助配套系统。流程图如下图1所示。

产生蒸汽的原理是核反应堆裂变释放的热能通过反应堆冷却剂传递给二回路。压水堆核电厂反应堆冷却剂系统的构成如下图2，每一条压力压力容器上的封闭环路包括至少一台冷却剂泵、一台蒸汽发生器及其相应的管道。

蒸汽发生器将传递热量给水使之变成高温高压蒸汽，驱动汽轮机带动发电机组发电，在冷凝器内作功后的乏汽冷凝成水，凝结水泵将凝结水先输送至低压加热器经加热后进入除氧器，给水泵将除氧水送入高压加热器加热后再返回蒸汽发生器，形成水的循环利用。

2 稳压器水位控制系统

2.1 稳压器水位控制系统的功能

一回路压力的稳定由稳压器控制，冷却剂的变化由堆芯扰动和负荷的变化引起，导致载热剂体积的变化，一回路压力也将产生变化。一回路压力太大将会产生严重后果，可能使整个回路处于危险的工况下，易管道爆管、设备因应力作用疲劳等事故。水汽化，堆芯局部沸腾等是由于压力过低导致的，冷却剂和燃料元件的传热恶化，将会出现的危险是燃料元件融化。所以一回路压力的稳定，维持在整定目标值的范围内直接影响核电厂的安全稳定运行，可见对稳压器压力控制的重要性。

通过稳压器水位的控制，使稳压器维持在一个适宜的水位定值上。水位过高有失去压力控制作用的危险，也有可能出现安全阀进水的危险；水位过低有可能暴露加热元件而烧毁的危险。

电厂正常运行时，反应堆冷却剂系统除稳压器上部汽空间外，其余部分充满了水。因此稳压器水位就代表了一回路的水装量。电厂在冷却降温和升温过程中，反应堆冷却剂温度Tav也将随之发生变化，将会使反应堆冷却剂产生体积膨胀或

压缩；在负荷瞬变过程中，由于Tav随负荷的变化而变化，因此一回路冷却剂的体积也随负荷的变化而改变，此外，一回路的任何泄露也将引起冷却剂量的减少。所有这些，都会引起稳压器水位的变化。通过控制稳压器的水位，来保持一回路冷却剂的适当装量，稳压器水位控制系统将完成这些任务。

2.2 稳压器水位控制的策略

稳压器水位调节系统是一个串级调节系统，由两个调节器组成。主调节器调节水位，水位误差信号加上下泄流量决定给水补充流量的设定值。副调节器调节流量，它处理上充流量误差信号，去调节上充流量调节阀来改变上充流量，以调节稳压器水位。

函数发生器GF1通过一回路平均温度最大值Tav，max的输入计算出水位定值。此外，函数发生器GF2的输入是一回路平均温度Tav，max与根据二回路负荷而定的平均温度参考值Tref进行比较的差值，（Tav，max-Tref）的值作为前馈信号对水位整定值进行修正，以改善系统的动态性能。

操作员也可以认为给定一个水位定制，这主要在自动给整定值元件故障时使用，水位整定值受到最低值限制。这是为了防止因水位过低加热器裸露在汽空间而烧毁。用高选单元实现这一要求。高选单元的输出即为水位调节器设定值。

函数发生器GF3处理的信号是水位设定值与水位测量值在加法器中进行比较误差信号。GF3的另一作用是非線性增益环节，可以保证调节的稳定性和增大调节器的响应速度。当有小的误差信号时他能减小增益，减少流量调节阀频繁动作以提高调节的稳定性；有大的误差信号时增大增益，可以加快调节系统的响应速度。

函数发生器GF3的输出作为水位调节器（PI）的输入，水位调节器的输出与实测的下泄流量相加后作为上充流量的整定值输入给函数发生器GF4。GF4的作用是对上充流量整定值进行上限、下限的限制。上限是为了保证上充泵提供给主泵的轴封水有足够的注入压头，下限是为了防止下泄流因在再生热交换器中得不到充分冷却在下泄孔板处汽化。上充流量调节的整定值是经GF4限制后的输出。

上充流量调节整定值与上充流量实测值的误差信号作为流量调节器（PI）的输入，计算出流量调节阀的指令信号。

3 蒸汽发生器水位控制

3.1 蒸汽发生器水位控制系统的作用

蒸汽发生器是压水堆核电站主要设备之一。三台蒸汽发生器分别装在三条热工回路上。反应堆芯产生的热量传递给一回路的载热剂再经蒸汽发生器传递给二回路的水，产生高温高压蒸汽带动汽轮机做功。另外，由于一回路的水流经堆芯

具有放射性，蒸汽发生器防止二回路被污染起到隔离屏障作用。

蒸汽发生器二次侧水面的垂直高度即为蒸汽发生器的水位。水位有宽量程水位和窄量程水位两种。宽量程水位在水位大范围内变化时使用，用于测量向蒸汽发生器充水、放水操作和湿保养阶段。窄量程水位的量程范围小，刻度细，用于保护和控制。

正常运行时能维持水位在整定值的误差范围内；特殊情况下，通过自动或手动调整汽水流量使水位恢复到整定值误差范围；即为蒸汽发生器水位控制的作用。

3.2 蒸汽发生器水位控制的一般要求

（1）在稳定运行情况下，稳态偏差要小，维持蒸汽发生器的水位在整定值误差范围内；

（2）在升负荷工况下，当负荷以5%FP/min变化，通过自动跟踪负荷的变化情况，维持水位在整定值误差范围之内；

（3）当给水流量有+10%扰动，蒸汽流量成阶跃变化、冷却剂温度有+3℃的阶跃变化时，维持水位在整定值误差范围之内；

压水堆核电站中蒸汽发生器水位控制系统的构成一是蒸汽发生器给水流量调节系统，其二是主给水泵转速调节系统。前者是对每个蒸汽发生器分别调节，流量变化比较缓慢，后者的调节对三个蒸汽发生器的给水流量都有影响，流量变化比较快，两者相辅相成。

3.3 蒸汽发生器水位控制的功能和原理

蒸汽发生器水位控制系统的主要功能是将蒸汽发生器水位维持在整定值误差范围内。水位过高将会产生蒸汽带水现象，损坏汽轮机叶片。水位过低将会出现蒸汽发生器干锅，影响系统安全可靠运行。

蒸汽发生器的给水流量决定了每台蒸汽发生器的水位。给水流量的调节包括主调节阀、旁路调节阀和两台汽动给水泵转速调节。

3.4 蒸汽发生器水位调节系统的构成

每台蒸汽发生器都有水位调节系统，调节水位的原理是采用通过调节安装在每条给水管路上的两个调节阀控制给水流量。一个是主调节阀（结构见图4），是“高流量阀”，用于15%以上功率时的水位调节。一个是旁路调节阀，用于起动和低负荷时的水位调节，在高负荷时，保持全开。

每个水位控制回路组成为：