王建保，陈增兴

（大亚湾核电运营管理有限责任公司生产准备部，广东 深圳518124）

在岭澳核电站二期1号汽轮发电机组（L3）汽－水分离再热器系统（GSS）调试运行过程中，由于存在导波雷达液位计质量、疏水管道布置及疏水调节设计等缺陷，导致发生多次抽汽再热器（汽－水分离再热器第一级）、新蒸汽再热器（汽－水分离再热器第二级）隔离，甚至发生机组跳闸事件，对机组的运行造成了很大的影响。本文通过对L3GSS系统存在的这些缺陷进行根本原因分析，指出了系统运行存在的风险，同时提出了有效的处理措施。

1 系统功能及流程

1.1 GSS系统功能

图1 L3GSS系统疏水流程简图Fig.1 Flow chart of the L3GSS system drainage

核电汽轮机的新蒸汽为湿饱和蒸汽（约0.2%～0.4%的水分），蒸汽在高压缸膨胀做功后排汽湿度高达14.3%。如果此蒸汽被直接送往中压缸及低压缸，将会产生汽蚀和水锤，从而大大缩短机组的使用寿命。为避免出现这种情况，设计了GSS系统。高压缸的蒸汽作完功后，被送入到汽－水分离再热器（MSR）；湿蒸汽在MSR中进行汽－水分离和再热，使进入中压缸的蒸汽为过热蒸汽，减低了对汽轮机叶片的冲蚀。由于中压缸入口温度的提高，增大了蒸汽的做功焓降，提高了机组的热效率。同时，GSS系统还起到了合理分配中压缸负荷、减轻高压缸负载的作用。

1.2 GSS系统主要设备及疏水设计简介

汽－水分离再热器主要由汽－水分离装置、抽汽再热器、新蒸汽再热器组成。图1为L3GSS系统的疏水流程简图，其中所有设备均为GSS系统的设备，主要连接的系统有：主蒸汽系统（VVP）、高压给水加热器系统（AHP）、凝结水抽取系统（CEX）和给水除氧器系统（ADG）。

MSR预分离器疏水、汽－水分离器疏水及高压缸排汽管道疏水通过重力被排入L3GSS A列／B列 MSR 疏水箱（L3GSS103／203BA）；抽汽再热器由汽轮机组第7级抽汽（即高压缸4级后抽汽，同时为7号高压加热器提供加热蒸汽）供给加热蒸汽，凝结水通过重力被排入L3GSS A列／B列 MSR第1级疏水箱（L3GSS101／201BA）；新蒸汽再热器由新蒸汽（VVP系统蒸汽）供给加热蒸汽，凝结水通过重力被排入L3GSS A列／B列MSR第2级疏水箱（L3GSS102／202BA）。

L3GSS101／201BA正常疏水通过调节阀控制排入6号高压加热器，事故时通过应急疏水调节阀排入凝汽器；L3GSS102／202BA正常疏水通过调节阀控制排入7号高压加热器，事故时通过应急疏水调节阀排入凝汽器；L3GSS103／203BA正常疏水通过L3GSS103／203BA 疏水泵（L3GSS190／290PO）排入除氧器，事故时通过应急疏水调节阀排入凝汽器。

L3GSS系统共有6个疏水箱，每个疏水箱顶部设计安装3个导波雷达液位计测量液位，通过3取2选择器输出液位信号，对疏水调节阀进行控制，同时也可以触发保护信号动作。L3GSS系统正常疏水调节阀（L3GSS161／261VL、171／271VL、196／296VL）为比例积分（P）调节，其特点为调节精确，但响应速度慢；应急疏水调节阀（L3GSS165／265VL／175VL／275VL／180VL／280VL）为比例（P）调节，其特点为响应速度快，但调节波动较大。这种设计可以保证系统正常疏水时液位调节准确、稳定，而当水箱液位上升时，应急疏水调节阀可以快速响应。

L3GSS系统疏水箱液位保护信号如下：

（1）L3GSS101BA 液 位 高 高 或 者L3GSS102BA液位高高——抽汽再热器隔离。

（2）L3GSS102BA 液 位 高 高 或 者L3GSS202BA液位高高——新蒸汽再热器隔离。

（3）L3GSS103BA 液 位 高 高 或 者L3GSS203BA液位高高——汽轮机跳闸。

（4）抽汽再热器隔离时L3GSS102BA液位高或者L3GSS202BA液位高——汽轮机组甩负荷至10%最大连续额定功率（MCR）；新蒸汽再热器隔离时L3GSS101BA液位高或者L3GSS201BA液位高——汽轮机组甩负荷至10%MCR。

各疏水箱液位定值如表1所示。

表1 L3GSS系统疏水箱液位定值Table1 Set value of the L3GSS system drain tank level mm

2 缺陷分析

2.1 导波雷达液位计质量缺陷分析

（1）测量原理

导波雷达液位计的导波雷达探测器发出的高频微波脉冲沿着测量组件（钢缆或者钢棒）传播，遇到被测介质时，由于介电常数突变，部分脉冲能量被反射回来。发射脉冲与反射脉冲的时间间隔与被测介质的距离成正比。导波雷达探测器测量的时间间隔通过模拟计算，同时被转换为4～20mA的电流信号输出，对应疏水箱的真实液位。

（2）质量缺陷分析

L3GSS系统共有18个导波雷达液位计。在液位计静态调校时，该液位计测量准确；当机组带负荷运行时，大部分液位计的测量值都存在尖峰甚至满量程虚假信号。经过多次调试后，液位计液位测量的性能有所改善，但是部分液位计在测量时仍然存在闪发尖峰信号的情况（尤其在机组状态变化时），该故障无法完全消除。根据大亚湾核电站导波雷达液位计（其型号与L3GSS系统应用的导波雷达液位计型号不同）实际应用情况的反馈，并未出现这种问题。因此可以判定目前L3GSS系统采购的导波雷达液位计存在质量缺陷，在线测量时性能不稳定。

L3GSS系统设计为导波雷达液位计集合了调节及保护功能：疏水箱的测量液位通过3取2选择器输出液位模拟信号提供正常疏水调节阀及应急疏水调节阀的调节信号，同时这些液位模拟信号被阈值探测器转换为低水位、高水位、高高水位的逻辑保护信号。如果液位计测量性能不稳定，将直接影响系统疏水的调节、保护及机组的安全稳定运行。在机组运行过程中，液位计测量值闪发尖峰虚假信号将干扰疏水调节阀的正常调节功能，如果同一疏水箱的2个以上的导波雷达液位计同时闪发尖峰虚假信号，就容易触发保护信号误动作而造成MSR单级隔离，甚至机组甩负荷、跳闸。

2.2 L3GSS系统疏水管道布置缺陷分析

L3GSS系统导波雷达液位计设计安装方式为顶置安装，如图2所示。顶置安装式导波雷达液位计直接测量疏水箱的液位，测量值更加真实准确，而且较侧式安装更加简便。但由于导波雷达液位计测量杆较长，要求其安装位置正上方有较大的安装空间。而L3GSS系统疏水管道的布置在设计时未充分考虑顶置安装式导波雷达液位计的安装要求，部分位于液位计正上方的疏水管道布置时未预留出足够的安装空间，导致4个导波雷达液位计无法安装在疏水箱顶部：L3GSS103MN（L3GSS101BA液位计）、L3GSS111MN（L3GSS102BA 液位计）、L3GSS212／213MN（L3GSS202BA 液 位 计 ）。考虑到疏水管道坡度及应力设计较为复杂，且现场管道布置比较密，不适于修改疏水管道走向，因此这4个液位计采用侧式安装，通过连通管安装在浮筒里。对于侧式安装的液位计，其测量原理即连通器原理：浮筒中的水柱与疏水箱的水柱在连通管处有相同的静压力，从而可以用浮筒中水柱的高度间接反映疏水箱的液位（图3）[1］，即：

图2 顶置安装Fig.2 Level transmitter installed on the top

式中，H为疏水箱的真实液位；H′为浮筒的液位；ρ1为饱和疏水的密度；ρ2为饱和蒸汽的密度；ρ3为浮筒里水的平均密度。

图3 连通器式液位计原理图Fig.3 Theoretical diagram of the connector level transmitter

由于ρ3总是大于ρ1，因此侧装式液位计的测量液位总是低于疏水箱的真实液位。对于L3GSS101／102／202BA，由于液位计的安装方式不同，导致同一疏水箱上不同液位计的测量总是存在偏差。尤其是在系统瞬态工况时，浮筒中的液位测量滞后于疏水箱水位，疏水液位偏差将加大。同时耦合L3GSS系统导波雷达液位计质量缺陷引起的测量性能不稳定的问题，导致这几个疏水箱的液位计测量偏差容易超过3取2选择器的默认最大偏差（Delta值，设计值为液位计总量程的1%）。当同一疏水箱的3个液位计两两偏差值大于限值时，3取2选择器失效，同时输出“失效”信号。此时，该疏水箱的疏水调节阀失去调节信号（疏水调节阀的调节器转为手动位），系统也失去液位保护信号。在L3机组冲转并网及升负荷过程中，曾多次发生由于同一疏水箱的3个液位计的测量值两两偏差大于限值导致3取2选择器失效的情况。此时，系统疏水调节阀的调节器转为手动位，失去自动调节。即使3取2选择器恢复正常之后，疏水调节阀调节器仍然保持手动位，无法回复自动控制。而L3机组主控室操纵员未及时手动打开应急疏水调节阀，最终疏水液位持续上升，MSR相应加热器被隔离。

该疏水管道布置缺陷已经反馈到其他核电项目进行设计改进。

2.3 L3GSS103／203BA疏水调节设计缺陷

2010年8月2日，进行L3机组50%负荷平台下甩负荷至空载试验。20∶31，断开L3GSY001JA，机组处于空载运行状态。20∶33，L3GSS103BA液位高高导致机组跳闸。期间疏水调节曲线如图4所示（曲线采集于数据采集系统DCS）。

图4 L3GSS103BA液位高高导致汽轮机跳闸疏水调节曲线Fig.4 The L3GSS103BA level regulation curve when the steam turbine trips

L3GEX402MW为L3机组的负荷，L3GSS126MY为3取2选择器输出液位信号，L3GSS196VL为疏水泵出口调节阀，即L3GSS103BA正常疏水调节阀，L3GSS180VL为L3GSS103BA应急疏水调节阀。如图4所示，当机组甩负荷至空载运行之后，L3GSS126MY开始从正常疏水调节液位值（700mm）升高，L3GSS196VL／180VL开始参与液位调节。约20s之后，L3GSS196VL开度增加1倍，L3GSS180VL达到全开，但是疏水箱液位L3GSS126MY继续升高至1 700mm，保护信号动作，造成机组跳闸。查询期间L3GSS203BA液位变化曲线与此相似。

L3GSS103／203BA疏水来自于高压缸排汽管道疏水、MSR预分离器疏水及汽－水分离器的疏水，其正常疏水管线与应急疏水管线设计疏水能力均可独自承受机组100%负荷时的最大疏水量。当机组从50%负荷平台甩负荷至空载运行时，高压缸的排汽量远低于机组带载运行的排汽量，因此此时L3GSS103／203BA的疏水量远小于最大设计水平。造成L3GSS103／203BA液位不断上升从而导致机组跳闸的根本原因在于其疏水调节设计存在缺陷：L3GSS系统采用顶置安装式导波雷达液位计直接测量疏水箱的液位，测量值更加真实准确；同时，正常疏水调节阀L3GSS196／296VL设定目标液位为700mm，应急疏水调节阀L3GSS180／280VL设定目标液位为1 100mm，全开液位为1 500mm。当机组出现负荷下降的瞬态工况时（如50%负荷平台下甩负荷至空载），高压缸排汽压力迅速下降，导致L3GSS103／203BA压力迅速下降，与此同时，疏水箱内的存水温度几乎没有变化，于是疏水箱内的大量存水（设计值为700mm）将整体产生闪蒸现象，存水内部迅速产生大量汽泡导致疏水箱液位迅速提升。即当机组遇到较大的瞬态工况时，由于闪蒸现象，L3GSS103／203BA疏水液位上升过快，目前的疏水调节设计（液位保护定值设定及疏水调节阀的调节设定）无法有效控制疏水箱的液位，易导致机组跳闸。

3 处理措施和实际效果

根据大亚湾核电站的运行经验反馈，建议将目前的导波雷达液位计更换为Magnetrol enhanced model 705系列，以改善液位计测量性能。

L3GSS系统疏水管道布置缺陷耦合导波雷达液位计质量缺陷，导致导波雷达液位计液位测量偏差问题，设置临时控制更改如下：

（1）通过对系统正常运行期间疏水参数的模拟计算，并预留出裕量，建议将导波雷达液位计3取2选择器的偏差判断阈值改为总量程的20%。

（2）对L3GSS101／201／102／202／103／203BA，液位3取2选择器失效信号触发相应的应急疏水阀全开信号。

（3）对 L3GSS101／201／102／202BA，液位3取2选择器失效延时3s，和对应的应急疏水阀阀位反馈小于5%做“与”逻辑后，触发相应疏水箱的高高液位保护信号。

（4）对 L3GSS103／203BA，液位3取2选择器失效延时3s，和对应的应急疏水阀阀位反馈小于5%做“与”逻辑后，触发相应疏水箱的高高液位保护信号。

L3GSS103／203BA疏水调节设计优化，设置临时控制更改如下：

（5）疏水液位保护定值：低低液位为200mm，低液位为300mm，高高液位为1 800mm。

（6）疏水调节阀目标定值：L3GSS196／296VL目标液位为500mm；L3GSS180／280VL目标液位为900mm，全开液位为1 100mm。

（7）取电功率的变化速度（下降沿）做阈值判断，当大于200MW／min时，L3GSS 180VL／280VL全开。

（8）对于调试期间100%负荷平台孤岛试验、甩负荷至空载试验及跳堆试验等大瞬态试验开始前，临时设置高高水位保护信号延时90s触发。本项临时控制更改的目的是通过以上试验得出经过疏水设计优化后，L3GSS103／203BA在大瞬态试验期间疏水闪蒸液位能够达到的最高值。最后试验可知，在大瞬态试验期间L3GSS103／203BA疏水液位可以得到有效控制。因此本项临时控制更改在试验完成后即取消，不再保留。

L3机组87%负荷平台后的停机消缺期间更换了新型导波雷达液位计，并在系统调试运行期间实施了以上8项临时控制更改。

通过L3GSS系统的调试结果可知，目前导波雷达液位计测量准确，液位测量无闪发尖峰的虚假信号。对于L3GSS101／102／202BA，在系统稳定运行时其液位测量偏差稳定，小于液位计总量程的10%，在大瞬态试验期间液位偏差略微上升；对于其他安装位置相同的液位计，液位测量偏差相对较小，约为液位计总量程的1%～5%。因此临时控制更改（1）中的偏差判断阈值可由总量程的20%改为10%。对于L3GSS103／203BA疏水调节设计缺陷，在机组100%负荷平台时进行孤岛试验、甩负荷至空载试验及跳堆试验过程中，其疏水液位已经得到了有效的控制，最高仅升至900～1 000mm。

尽管更换新型的导波雷达液位计后，液位计的测量性能已经比较准确可靠，但是为了提高GSS系统调节信号及保护信号的可靠性及稳定性，决定增加一项控制更改，即液位保护信号与调节信号分开，并且增加滤波和延时控制来消除液位扰动信号对液位测量的影响：

（9）各疏水箱的液位测量值经过1s的滤波后，通过3取2选择器输出液位模拟信号提供疏水调节阀调节信号；同时这些液位测量值信号被阈值探测器转换为低水位、高水位、高高水位的二进制符号，然后通过3取2选择器（逻辑量选择器）延时3s后输出逻辑保护信号。

纵上所述，为了解决L3GSS系统的导波雷达液位计质量、疏水管道布置及疏水调节设计缺陷，L3机组进行了新型导波雷达更换，并实施了一系列临时控制更改。通过L3机组调试试验的验证，并与ALSTOM公司讨论后最终确定：临时控制更改（1）、（2）、（5）、（6）、（7）、（9）保留，其他临时控制更改取消。目前的处理措施改善了导波雷达液位计的测量性能，提高了系统调节及保护信号的可靠性及稳定性，消除了导波雷达液位计质量、疏水管道布置及疏水调节设计等缺陷对系统及机组运行的影响。

4 结束语

在电厂汽－水系统中，疏水液位测量、调节及保护在CEX、低压给水加热器系统（ABP）、ADG、AHP及主给水流量控制系统（ARE）中均有应用；而导波雷达液位计具有安装维护量小、调校方便、测量精确、性能可靠等优点，将会在以后的疏水系统设计中得到广泛的应用。本文对L3GSS系统在调试过程中发现的导波雷达液位计质量、疏水管道布置及疏水调节设计等缺陷进行了梳理分析，提出了改进建议及处理措施，保证了机组安全、稳定和经济运行，也为类似的事件提供了借鉴。

[1]侯子良 .锅炉汽包水位测量系统[M］.北京：中国电力出版社，2005.