核电机组主给水泵小流量再循环阀的研究

夏春雷

（中核核电运行管理有限公司运行三处，浙江 嘉兴 314000）

0 引言

主给水系统（APA 系统）是核电站常规岛二回路的重要系统，承担着向蒸汽发生器提供给水的重要功能，而APA 泵则是主给水系统的核心，对整个核电站的安全、稳定运行起着至关重要的作用。

核电主给水泵的流量调节是随蒸汽发生器的负荷而变化的，在启动时或在低负荷时，给水泵很可能在给水量很小或给水量为零的情况下运行，给水在泵体内长时间受叶轮摩擦生热，使水温升高，水温升高到一定程度上会发生汽化，造成汽蚀，对给水泵造成损坏。为避免上述现象的发生，在给水泵出口至除氧器水箱之间设置了小流量再循环系统，在给水泵启动初期或给水流量极小的情况下，可打开再循环系统，将一部分给水引回至除氧器水箱，以确保有部分水量流过泵体，而不致使泵内水温过高造成汽化；当给水流量处于正常情况下，再循环系统将关闭。

1 给水泵小流量再循环阀控制方法

再循环阀的控制方法一般分为开关式控制和连续式控制。

1.1 开关式控制

采用开关式控制，优点在于控制简单；主要缺点是开关式阀不能连续调节，开关阀门时会对主给水泵出口压力和下游流量造成较大冲击、扰动。

1.2 连续式控制

为保证给水流量调节的稳定及提高经济性，再循环阀控制也可以采用连续式控制，主要优点是可实现连续调节，避免对下游造成流量扰动；但控制相对较为复杂，多了一个控制环节。

再循环阀连续控制方法主要有单一曲线函数控制、PID 调节控制和回滞函数控制。

1.2.1 单一曲线函数控制

一个单一曲线函数F（x）， 由F（x）直接给出给水泵入口流量和再循环阀开度指令的关系曲线（阀门的开曲线和关曲线为同一条曲线）。 采用该控制方法在机组运行过程中有可能阀门动作频繁， 幅度较大， 在阀门的开关瞬间会引起给水流量的大幅度波动， 而流量的波动又影响阀门的动作， 既不利于给水泵的安全经济运行， 也会使整个给水系统震荡。

1.2.2 PID 调节控制

PID 调节使用单冲量、 闭环反馈控制再循环阀，PID 调节器根据给水泵入口最小流量设定值与实际给水泵入口流量的偏差输出再循环阀开度控制指令，从而实现最小流量的连续控制。 PID 调节器的控制方法简洁明确， 但给水系统在不同的负荷区域时控制对象特性SG 负荷变化较大， 易使PID 调节器产生过调， 对给水系统扰动较大。

1.2.3 回滞函数控制

根据制造厂提供的给水泵流量保护定值选择再循环阀的关闭和开启方向函数F1（x）和F2（x）， 随着再循环流量的增加，F1（x）给定阀门关闭方向的开度；随着再循环流量的减小， F2（x）给定阀门开启方向的开度。 F1（x）与F2（x）之间的间隙区域表征了再循环阀关闭与开启方向转换过程中的间隙大小， 在该间隙范围的流量变动不改变阀门开度。 这样， 相当于给再循环阀的控制特性增加了具有非线性的间隙环节，间隙特性可消除流量测量误差以及给水流量波动对再循环阀控制的干扰。间隙特性环节是由F1（x）和F2（x）组成， 再循环阀开度指令在F1（x）与F2（x）以及上、下限所包围的回滞带区域内随流量变化， 间隙特性环节输出阀门开度指令。

2 秦二厂1、2 号核电机组给水泵小流量再循环阀控制

2.1 小流量管线布置和设计（以A 泵为例）

每台电动主给水泵组设有一个最小流量系统，该系统的设计流量为每台泵设计额定流量的27%（27%×2298.5 m3/h=620 m3/h ）。 最小流量系统的抽出点在压力级泵出口止回阀的上游，在最小流量系统管线上装有气动最小流量阀、隔离阀和一个减压装置（多级节流孔板）。可调节孔板装在靠近除氧器处，使最小流量系统保持足够的压力，以避免发生闪蒸。 隔离阀装在最小流量阀两侧，供维修最小流量阀时用。 最小流量系统管线将水排回除氧器（ADG 系统）。 为了控制最小流量阀，在前置泵出口和压力级泵进口之间连接管线中设有一套流量测量装置。

2.2 小流量再循环阀控制

2.2.1 控制方法

小流量循环阀控制是通过跨接在前置泵和压力级泵之间管线上的压差表APA104MPd 送到001AR参与APA 106 VL 流量控制。 最小流量再循环阀的控制是完全独立的双位控制，是借助电磁阀操作的气关式气动阀。 当电动主给水泵的转速降低时，给水流量低于定值时差压26.2IN.H2O（6.53 kPa）全开最小流量再循环阀。 当电动主给水泵停运或跳闸时，也应全开最小流量再循环阀。给水流量高于定值时差压164IN.H2O（40.85 kPa）关闭最小流量再循环阀。

最小流量控制阀的执行机构是泵组中唯一需要气动操作的设备。失去气源将导致最小流量控制阀全开。失去220 V 交流电源使最小流量控制系统上的电磁阀不通电而使最小流量控制阀开启。最小流量控制阀的关闭时间为3 秒。最小流量系统控制阀设有就地试验开启和关闭的按钮。

2.2.2 实际运行中的运用

当汽轮机升负荷时，主给水泵开始按负荷要求向蒸汽发生器供水。 再循环阀是一个气动隔离阀，它被设计成根据泵的运行流量自动控制，在泵运行流量低时开启确保泵的最小运行流量；流量增加后再循环阀关闭以降低泵运行电流。 控制方式见图1。

在向蒸汽发生器供水以前， 给水调节阀关闭，再循环流量为泵设计流量的27%（620 m3/h）， 返回至除氧器。 为响应蒸汽发生器的需求，给水调节控制阀开始开启，泵运行流量为引漏流量（27%设计流量）和进入两台蒸汽发生器流量的总和。

图1 再循环阀控制

随着负荷上升，泵的运行流量随之上升，再循环阀的控制如下：

在启动时， 再循环阀开启， 并在泵流量超过67.4%泵额定流量（1 549 m3/h）前保持开启；在泵流量达到67.4%泵额定流量时，再循环阀关闭，泵流量降至40.4%泵额定流量（929 m3/h）；再循环阀关闭后，蒸汽发生器流量需求的增加由相应增加泵流量来满足。

随着负荷下降，泵的运行流量随之下降，再循环阀的控制如下：

再循环阀在泵流量接近27%设计流量前保持关闭；泵流量达到27%泵额定流量时，再循环阀开启，泵流量增加到54%泵额定流量（1 240 m3/h）；再循环阀开启后，蒸汽发生器需求的任何减少由泵流量相应的减少来满足。 当泵运行流量达到27%泵额定流量时，全部给水流量都通过再循环阀输送至除氧器。

3 二厂1、2 号机组给水泵小流量再循环阀的不足

由于二厂1、2 号机组给水泵小流量再循环阀采用开关式控制，设计要求再循环阀关闭时间＜3 s，由于关闭时间短，调节系统无法及时响应，导致扰动。

3.1 满负荷下小流量阀的突然动作产生的影响（模拟机试验）

初始参数：电功率650 MW，APA 的A、B 泵运行。A 泵转速5 275 r/min，出口压力8.65 MPa，给水流量1 923 m3/h，ARE031VL 开 度35%，ARE242VL 开 度100%，A 泵小流量循环阀APA106VL 关闭。 B 泵转速5 307 r/min，出口压力8.63 MPa，给水流量1 935 m3/h，ARE032VL 开度32%，ARE243VL 开度100%，B 泵小流量循环阀APA206VL 关闭。

在满负荷下，如果开启APA106VL，两台泵流量都涨到2 200 m3/h， 转速上升到5 600 r/min 左右，出口压力略有下降，降为8.5 MPa 左右，ARE031/032VL开度上升10%。 2 台SG 水位波动很小， 自动控制稳定。 由此可见，满负荷下APA106VL 由关闭位置突然全开， 虽然会造成两台泵转速上升到极限， 但是ARE031、032VL 开度还有余量，所以可以自动完成调节功能。 但是，在这种情况下如果把APA106VL 突然关闭，对SG 水位影响较大，SG 水位最高到0.32 m 左右， 虽然距离0.84 m 还有一定裕量， 但是要引起重视，如果调节不过来可以手动干预。

3.2 实际机组中小流量循环阀异常动作产生的影响

3.2.1 209 大修中APA 小流量阀门的异常动作

在209 大修后机组升负荷过程中APA 小流量阀门动作异常， 当小流量阀门关闭时，APA 泵出口压力增加，汽水母管压差增加，给水流量增加，SG 水位上涨，随后ARE401RC 输出减小，保持汽水母管压差稳定，ARE 给水阀门也会动作。随着APA 小流量阀门的关闭，APA 泵的流量由67.4%下降为40.4%， 实际机组上由于APA 泵流量计的冲水排气不充分或是定值的偏移，小流量阀门关闭之后很快就重新开启，甚至在小流量阀门未全关之前就已经重新开启了，对APA泵的电流、 出口压力、ARE 给水流量和SG 水位都会产生一点的影响，同时，APA 泵的振动也波动较大，与小流量阀门的频繁动作有一定的关系。以上现象在机组升至满功率之后依然存在， 联系仪控对APA A 泵的流量计进行冲水排气后APA 106VL 完全关闭，不再频繁开关。

3.2.2 2004 年再循环阀开关造成系统扰动的事件

2004 年3 月19 日20:30,机组刚并网后升负荷并稳定在90MWe，发现两台SG 水位在周期性的波动，同时发现主蒸汽压力，控制棒上下波动，控制棒振幅在正负5～7 步， 一回路热功率波动范围在430～500MWt 左右。 为了分析原因，控制棒放手动，给水泵压差控制投手动、转速控制放手动，关闭大阀隔离阀，小阀放手动，发现波动依旧，决定汽机升功率，升功率到100MWe 后，情况也未有改善，然后降功率到60MWe，给水流量振幅减少，一回路控制棒也趋于稳定。

后经技术分析， 为2APA102PO 再循环阀106VL恰好在动作流量范围，106VL 关闭后主给水泵流量降低， 到达106VL 开启定值，106VL 开启后主给水泵流量上升， 导致106VL 开启，106VL 频繁开关导致主给水泵出口压力波动、影响给水流量，给水流量波动大在低负荷下给水温度低导致主系统平均温度波动，导致控制棒动作，影响反应堆热功率。

4 结论

（1）在满负荷下，一个再循环阀的突然开启对机组稳定性影响较小，水位控制系统的自动动作能保证两台SG 的稳定。 但是汽水压差达不到整定值，APA的高速满负荷运行可能也会对泵产生一定的影响。而满负荷情况下小流量阀从全开至全关影响较大，SG水位波动明显。

（2）由于核电厂不参与调峰，所以一般不在低负荷下运行。 但是如果有需要，最好不要在小流量阀动作的功率平台停留， 以免小流量阀频繁动作对SG 水位产生影响。 特别是在升降负荷期间，对小流量阀的动作也要加强关注，确保其动作正常。

（3）APA 泵的流量计出现充水排气不充分的现象会对小流量阀门的控制造成影响，遇到此情况应该立即联系仪控对表计进行充水排气。从流程图上可以看出，参与小流量阀门控制的流量计在外侧，可能由于管线较长或者弯头较多冲水排气不充分，可以考虑将该流量改造到尽量靠近管道。 另外，也可以参考3、4号机组增加小流量阀的控制仪表，增加稳定性，减小漂表风险。

总之，小流量阀开关式控制的扰动较大，不利于系统的稳定运行。 可以将再循环阀更改为调节阀，在给水泵总流量上升后，逐步关闭，以达到无扰控制的目的。 但是当出现大幅度甩负荷工况时，主给水流量大幅度下降。 为避免再循环阀调节响应的滞后性，可以设置低流量超驰开启功能，这样可以避免主给水泵在零流量工况下运行。