汽水分离再热器(MSR)控制系统分析

汽水分离再热器(MSR)控制系统分析

杨雅寒

福建福清核电有限公司福建福清350318

摘要：本文主要通过对比不同核电工程的汽水分离再热器的工艺流程、MSR的控制范围、控制系统组成、汽水再热分离器的温度控制方法以及汽水分离再热系统对汽轮机功率的影响等方面来进行分析，得出比较合理的MSR控制系统设计方案。

关键词：MSR；DEH；分散控制系统

引言

核电站汽水分离再热器系统(GSS)，是设置在汽轮机高压缸和低压缸之间的汽水分离再热系统，其功能为除去高压缸排汽中约98%的水分，提高进入低压缸的蒸汽温度，使高压缸的排汽成为过热蒸汽。从而降低高压缸排汽对低压缸叶片的冲刷腐蚀，也减少湿汽损失。日常运行中发现，GSS疏水阳电导率表流量计呈红棕色，每隔一段时间就需要清洗。而且相对于其它系统的阳电导率表测量回路，GSS阳树脂柱上层明显有一层红色的铁锈，塑胶管线也呈现红色。在机组大修容器检查时，也能发现该系统设备轻微腐蚀减薄的现象。这表明GSS系统疏水体系在日常运行过程中处于活性腐蚀状态。GSS作为核电站二回路主系统之一，对于机组的正常运行有着重要的作用。因此，分析GSS疏水体系的腐蚀原因，控制腐蚀速率对保障机组正常运行具有重要的意义。

1控制规模比较

控制器的能力与效率主要影响因素之一就是容量，容量包括：1）I/O容量。I/O容量是指单个控制器能接入的I/O点数。一般在500点以上（包括开关量和模拟量）。2）控制算法容量。控制算法容量是指单个控制器可接入的控制对象数，可以以典型的控制回路（如PID调节回路数）作为参考来考虑。因为考虑到MSR纳入DEH控制系统时会增加DEH控制器的负担，所以有必要对MSR控制系统的控制规模进行分析。从控制规模上看，M310机组和AP1000机组的MSR控制的I/O点数相当，M310的控制规模较大。

1.1工艺流程比较

从工艺设置上看，M310核电工程和AP1000核电工程的MSR加热方式都是采用主蒸汽和高压缸抽汽；在疏水方式上有所区别，M310的壳侧疏水在流程图中显示正常疏水至低加，而AP1000正常疏水至除氧器；疏水箱排汽M310和AP1000区别较大。M310一级疏水箱与高压缸排汽建立通风管，二级疏水箱与高压缸抽汽建立通风管，壳侧疏水箱不设置通风和排汽，而AP1000一二级疏水箱排汽至高加，壳侧疏水箱排汽至凝汽器。详见表2。

1.2控制系统划分比较

从系统划分上看，M310将再热蒸汽温度控制放在DEH中，疏水和排汽放在汽水分离再热器系统(GSS)；AP1000将再热蒸汽温度控制放在主蒸汽系统（MSS），疏水和排汽放在MSR和高加疏水排汽系统，详见表3。

2再热温度控制分析

2.1运行分析

从控制对象的运行特性上看，汽轮机各个负荷要求二级供汽压力在一定负荷前（M310是70%负荷[3]，AP1000是50%负荷）是线性关系，随二级供汽压力的增减再热蒸汽的温度也是线性增加的，而且随负荷的变化二级供汽压力变化比较剧烈，在汽轮机达到一定负荷的时候，主辅调节阀全开，二级供汽压力随汽轮机负荷增加略微线性下降（这主要是在负荷增加的同时，主蒸汽压力在逐渐减小造成的），此时再热蒸汽温度基本保持不变。

2.2逻辑分析

M310和AP1000的二级加热蒸汽压力都是跟随汽轮机的负荷要求，但在辅助控制信号上有所不同，M310的设定值辅助信号是二级再热器的管板温度和一级加热蒸汽压力，这两个信号可以暂时替代汽轮机负荷信号；AP1000的设定值辅助信号是二级再热器的管板温度、MSR进出口温度差和低压缸进汽温度，其中二级再热器的管板温度可以暂时替代汽轮机负荷信号，MSR进出口温度差（机组负荷大于10%时使用）和低压缸进汽温度（机组负荷小于10%时使用）则一直作为设定值的偏置信号始终参与调节。详见表4。

3汽水分离再热器多目标优化设计

3.1优化变量

众所周知，提高汽水分离再热器的第一级、第二级加热蒸汽压力或增大加热蒸汽量，在再热蒸汽进、出口热力参数不变的设计要求下，再热器换热面积必然会降低。但是加热蒸汽参数的升高有可能会降低汽轮机的输出功率，另外第二级加热蒸汽通常采用新蒸汽，新蒸汽压力由蒸汽发生器决定。因此，在汽水分离再热器单设备多目标实例优化设计中，优化变量不包含加热蒸汽参数。选取汽水分离再热器独立的结构及运行参数：翅根直径dob、传热管间距与翅片直径之比γ、第一级加热器管根数Nt(1)、第二级加热器管根数Nt(2)及再热蒸汽进口压力poe作为多目标实例优化设计的优化变量。

3.2降低介质的侵蚀性

降低介质的侵蚀性主要从以下两个方面来考虑：降低环境介质的有害性；提高环境介质对材料的保护能力。

3.2.1降低环境介质的有害性

降低环境介质的有害性，即降低介质中有害成分含量。对于GSS体系来说，杂质的浓缩与蒸汽中盐分的溶解是GSS系统运行不可避免的热力过程，故要降低GSS疏水中有害杂质的含量，只能通过控制源头SER水中含盐量，但是目前大亚湾核电站所制备的SED水已接近理论纯水，因此即使提高更大的投入也难以取得很好的效果。

3.2.2提高环境介质对材料的保护能力

为了减少核电站结构材料的腐蚀，目前压水堆核电站二回路多通过加入氨水来调节给水的pH值，使给水呈碱性以抑制二回路设备的腐蚀。但是因为氨的物理性质，使得GSS系统疏水中的氨含量偏低，pH值降至9.2左右，对设备的保护能力下降。针对疏水pH值降低导致设备流动加速腐蚀(FAC)的情况，目前国内外多采用以下几种方法来控制：(1)给水加氧处理。在有氧的碱性环境下，金属基体表面与氧发生以下反应：2Fe(OH)2+1/2O2+2H+=2Fe(OH)2++H2O2Fe(OH)2+1/2O2=2FeOOH+H2O2Fe(OH)2+1/2O2=Fe2O3+2H2O在金属的表面生成一层由γ-FeOOH与α-Fe2O3构成的氧化物保护层，该保护层比四氧化三铁保护层更为致密，对金属基体的保护效应更好。但是，由于加入氧会增大镍基合金应力腐蚀破裂(SCC)的敏感性，故核电站对该处理方法仍需持保守的态度。（2）二回路高氨控制(HAVT)。二回路高氨控制，即通过增加二回路氨的加药量，提高二回路水相中氨的浓度，二回路水相pH值升高，从而提高抑制二回路设备的腐蚀。目前，岭澳二期采用HAVT处理。

结语

通过对3个工程的分析可以得出以下结论：1）MSR的系统设备构成、工艺流程、基本的运行方式基本相同。2）汽水分离再热器系统的控制规模在150个点以内。3）控制系统的功能划分有所不同。考虑到MSR是介于高压缸和低压缸之间，采用高压缸抽汽和主蒸汽作为热源，并且MSR的出口蒸汽温度直接影响低压缸的出力，而且MSR的疏水水位会直接影响汽轮机的安全运行，如果DEH控制器本身技术要求满足条件，认为将MSR的控制纳入DEH会比较合理。

参考文献

[1]刘成洋，阎昌琪，王建军．基于改进遗传算法的冷凝器优化设计［J］．原子能科学技术，2012，46（4）：457-462.

[2]刘成洋，阎昌琪，王建军．基于混合遗传算法的稳压器优化设计［J］．原子能科学技术，2012，46（3）：316-320.