張波 張振華 陳方強 王青松 王承智

【摘 要】近年來國內(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。以核電廠兩個運行事件作為案例，分別進行了探討。文章總結(jié)指出，當(dāng)發(fā)生蒸汽發(fā)生器水位異常時，提高對水位異常的認識，建立良好的安全理念做好風(fēng)險評估、有效判斷手動干預(yù)時機、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)保護系統(tǒng)動作”相關(guān)運行事件發(fā)生的有效途徑。

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

中圖分類號： TL353.13；TP273 文獻標識碼： A 文章編號： 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

近年來國內(nèi)運行核電廠多次出現(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)器水位手動干預(yù)在很大程度上促成了事件的發(fā)生。參考目前國內(nèi)核電廠的運行規(guī)程，尚未文件對蒸發(fā)器水位異常情況之下的干預(yù)時機及干預(yù)方式進行明確，完全取決于操縱員對機組狀態(tài)的判斷和運行經(jīng)驗。而我國現(xiàn)役核電廠操縱員隊伍相對年輕，對蒸發(fā)器水位手動干預(yù)的實踐和總結(jié)大多數(shù)來源于模擬機培訓(xùn)課程，難免有所偏差，經(jīng)歷的實際機組相關(guān)異常事件又較少，從而對真實機組的蒸發(fā)器熱工水力特性缺乏更深層次的認識。另外，在真實機組上發(fā)生異常瞬態(tài)時，操縱員的心理壓力也誘發(fā)了如干預(yù)時機不當(dāng)、干預(yù)方式欠佳甚至錯誤等。對運行事件進行評價、歸納和總結(jié)，提高操縱員對蒸發(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)

二代及改進型機組是目前我國運行核電廠中數(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型機組為例，給水流量控制系統(tǒng)包括3個調(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)器水位實測值與整定值比較，輸出為流量調(diào)節(jié)器的整定值。流量失配信號可視為流量測量值。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%的高負荷下，由汽機進汽壓力代表的汽機功率、由冷凝器排放信號代表的冷凝器排放功率及由除氧器排放信號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。函數(shù)發(fā)生器將二回路負荷轉(zhuǎn)換為水位設(shè)定值。將水位實測值與設(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、流量失配信號同時輸入至流量調(diào)節(jié)器產(chǎn)生流量偏差信號輸入至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。此時輔助調(diào)節(jié)閥（小閥）通過函數(shù)轉(zhuǎn)換全開。

當(dāng)二回路負荷低于20%時，8.5%Qn的虛擬信號按與給水流量相同的極性輸入至汽水失配信號，從而保證大閥關(guān)閉，改用小閥控制。此時，仍用水位調(diào)節(jié)器輸出的信號進行閉環(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。由于低負荷下蒸汽流量測量不準確，開環(huán)調(diào)節(jié)需要的負荷信號由代表汽機負荷的窄量程汽機進汽壓力信號，冷凝器和除氧器排放信號經(jīng)加法器生成。將閉環(huán)信號與開環(huán)信號按適當(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，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，引起給水泵出口壓頭變化，破壞了另外兩臺蒸發(fā)器水位調(diào)節(jié)閥開度與流量的對比關(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荷變化范圍內(nèi)維持近似恒定。

2 陽江核電廠1號機給水閥控制優(yōu)化試驗中的跳堆事件

2014年1月10日，陽江核電廠1號機組核功率為19%，儀控人員進行ARE給水閥控制優(yōu)化過程中，蒸發(fā)器水位擾動，操縱員進行手動干預(yù)。15：10三號蒸汽發(fā)生器水位達0.9m，觸發(fā)水位高高信號跳堆。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，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，小閥自動關(guān)小。

分析：電廠對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)時本應(yīng)在76%開度（設(shè)計流量為300t/h）但實際開度為96.4%。故說明穩(wěn)態(tài)時由于水位偏差而引起的PID調(diào)節(jié)器的輸出貢獻開度為20.4%，進而推測初始穩(wěn)定下水位穩(wěn)定值并非在19%功率對應(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），小閥自動關(guān)?。≒ID貢獻度減?。?。

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

分析：水位達到0.46m時雖然已接近危險區(qū)，但操縱員必須同時關(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，操縱員可不進行干預(yù)。即使干預(yù)，應(yīng)該大小閥同時置手動且小閥優(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，汽水失配信號通過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，此時小閥的自動輸出將跟隨汽水失配而非水位偏差，大閥開大，汽水失配減小（負極性），小閥跟隨開大，反之亦然。對于復(fù)制回路的模擬驗證結(jié)果可如圖3所示。初始狀態(tài)為：機組滿功率運行，蒸發(fā)器水位0m，給水調(diào)節(jié)閥置自動，大閥開度42%，小閥開度100%。當(dāng)將大閥置手動并逐漸關(guān)小時，蒸發(fā)器水位逐漸下降，與此同時小閥自動逐漸關(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)時的心理壓力較大。

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

分析：此時的三號蒸汽發(fā)生器水位尚未穩(wěn)定，仍然在手動干預(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，更易引起超調(diào)。

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

分析：三臺蒸發(fā)器水位同時下降，說明一、二號蒸發(fā)器已經(jīng)受到三號蒸發(fā)器自動超調(diào)的影響，依據(jù)模擬數(shù)據(jù)，一、二號蒸發(fā)器水位可以自動調(diào)整，緩慢衰減至正常范圍內(nèi)。一般情況下，主給水泵轉(zhuǎn)速手動調(diào)節(jié)適用于三臺蒸發(fā)器水位相近及趨勢一致的情況下，但此時三號蒸發(fā)器水位與另外兩臺偏差較大，轉(zhuǎn)速切換至手動也僅能緩解一時，后期極易陷入更加被動的局面。

（5）15：09：三號蒸發(fā)器水位降低至-1m，操縱員手動調(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。15：10三號蒸汽發(fā)生器水位上升至0.9m，反應(yīng)堆自動停堆。

分析：在給水泵轉(zhuǎn)速手動、三臺蒸發(fā)器水位不一致，且一臺已達到-1m時，機組已達到無法緩解的局面。

3 紅沿河核電廠1號機沖轉(zhuǎn)并網(wǎng)時發(fā)生的跳堆事件

2013年2月24日，紅沿河1號機按計劃提升核功率至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，操縱員手動控制蒸發(fā)器水位時，產(chǎn)生一號蒸發(fā)器水位高高信號導(dǎo)致跳堆。事件前的初始狀態(tài)：核功率14.4%，控制棒置手動，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，大閥自動全關(guān)，小閥自動維持蒸發(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，2分鐘后最終穩(wěn)定在80MW。06：18：07發(fā)電機目標負荷降至當(dāng)前負荷后二回路操縱員投運GRE閉環(huán)控制，隨后將目標負荷設(shè)定為55MW，06：18：43開始降負荷。

分析：為應(yīng)對沖轉(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)過程其實并未消耗過量蒸汽，并網(wǎng)后的基本負荷也接近在55MW左右。而機組并網(wǎng)后功率迅速上升達到80MW，GCTc的P模式全關(guān)，實為異常。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。另外即使負荷已穩(wěn)定至高位80MW，GCTc全關(guān)，操縱員再次降負荷至55MW的操作對后續(xù)的蒸發(fā)器水位劇烈波動有著必然聯(lián)系。

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

分析：水位達到0.4m時雖然已接近危險值，但操縱員首先應(yīng)該關(guān)注的是蒸汽、給水的實際流量。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)該及時做出干預(yù)，必要時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，大閥自動開啟至22.63%。06：21：28一回路操縱員開始逐漸提高一臺主給水泵轉(zhuǎn)速。06：22：51電功率降至55MW，GCTc的開始開啟，最高達到6.1%。06：22：57二回路操縱員手動關(guān)閉ARE主閥。

分析：關(guān)于主給水流量降至低位時的顯示與控制功能切除，的確是目前眾多機組儀控系統(tǒng)的設(shè)計缺陷，為操縱員在低負荷下的蒸發(fā)器水位手動控制帶來影響。在此序列中，汽機負荷變動、主給水泵轉(zhuǎn)速手動、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，導(dǎo)致了一、二回路操縱員同時控制水位。且二回路操縱員同時控制三個大閥而行動相對遲緩，使得已接近失控的機組更為復(fù)雜。操縱員應(yīng)避免為保暫時的安全裕度而將機組帶入惡劣局面當(dāng)中。

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

分析：一、二回路操縱員同時控制水位，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 對蒸汽發(fā)生器水位手動干預(yù)的幾點建議

（1）對水位異常的認識

勿將蒸發(fā)器水位異?？醋鞴铝⒌默F(xiàn)象，一回路溫度變化、二回路蒸汽負荷變化、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，尤其要及時穩(wěn)定一、二回路的負荷，避免對手動干預(yù)造成額外的影響。

（2）判斷干預(yù)時機

何時采用手動干預(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)確認自動調(diào)節(jié)是否有效。如當(dāng)蒸發(fā)器水位下降時，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，窄量程水位會在瞬態(tài)虛假水位之后上升，而這個瞬態(tài)長短則取決于當(dāng)時的冷卻劑溫度、負荷水平、給水溫度、擾動類型等，務(wù)必做到沉著冷靜判斷。當(dāng)判斷確實存在給水流量變化嚴重滯后，水位下降至危險區(qū)間且不能出現(xiàn)拐點時，必須果斷及時做決定，切勿瞻前顧后，優(yōu)柔寡斷。

（3）掌握干預(yù)方式

由于三臺蒸發(fā)器公用給水母管和蒸汽母管，外界大部分擾動瞬態(tài)將造成三臺蒸發(fā)器水位變化方向一致，且大小相近。此時應(yīng)考慮通過調(diào)節(jié)給水泵轉(zhuǎn)速干預(yù)，且務(wù)必做到所有運行給水泵都置手動。當(dāng)擾動造成單臺蒸發(fā)器水位相對于其它兩臺偏差較大時，則考慮將此臺蒸發(fā)器對應(yīng)的大小閥都置手動。并且低功率（小于20%）時，大閥優(yōu)先置手動；高功率（大于20%）時，小閥優(yōu)先置手動。切勿順序顛倒，切勿一個手動一個自動，避免復(fù)制信號帶來的干擾。在調(diào)節(jié)單臺蒸發(fā)器水位時，將會對另外兩臺蒸發(fā)器造成一定擾動，但只要控制好干預(yù)幅度不造成震蕩發(fā)散，另外兩臺蒸發(fā)器水位都能自動衰減至正常。另外要避免給水泵轉(zhuǎn)速與大小閥同時手動調(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

無論手動控制轉(zhuǎn)速或者手動控制閥門開度，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需要考慮冷水效應(yīng)。例如當(dāng)水位下降至-1m時，如給水流量增加過快，則會由于冷水效應(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)險分析和策略管理。處理緊急瞬態(tài)時要克服心理障礙，勇于承擔(dān)，切勿患得患失，喪失良機。

【參考文獻】

[1]國家核安全局核電廠經(jīng)驗反饋平臺.

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