摘 要 冷却剂贮存和处理系统（TEP）中的硼水分离子系统用于对一回路冷却剂排出液进行硼水分离，分离得到的除盐水和7000ppm浓硼酸可根据需要重新对一回路进行补给。本文探讨了调试期间硼水分离系统运行时，浓硼酸产出液浓度波动较大，运行不稳定的原因，并给出了优化运行的建议。
关键词 冷却剂贮存和处理系统；硼浓度；硼水分离
0 引言或概述
压水堆核电站需要通过调节一回路冷却剂系统中的硼浓度以达到维持运行、调节堆芯参数、满足机组状态等目的。调节硼浓度的主要方法是通过化学和容积控制系统，通过上充、下泄流体置换，以达到改变一回路冷却剂硼浓度的目的。在此过程中，被置换的一回路冷却剂通过冷却剂贮存和处理系统（TEP）进行收集和处理，通过硼水分离（下文简称TEP3系统）子系统，可以将硼浓度不确定的排出液分离成为除盐水和确定浓度的硼酸液从而达到反复利用的目的。
TEP3系统主要分离原理是蒸发分离，即通过电加热器和真空抽气机共同作用，使得处理液沸腾，蒸馏冷凝后的除盐水不含硼酸，回收作为除盐水备用；蒸发塔内的浓缩液硼浓度逐渐升高，当其硼浓度满足要求时，浓缩液传输泵将其输送至硼酸储存罐备用。
我厂TEP3系统在调试期间，经常因为硼酸产出液浓度超过阈值而导致系统停运。本文将对该问题进行了探讨，并给出运行建议。
1 TEP3系统流程和工作方式
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图1：TEP3系统流程简图
1.1 TEP3系统流程
主设备：硼酸蒸发塔（循环加热设备，真空抽气机），进料泵和控制阀，除盐水冷凝、传输子系统，浓缩液传输子系统。
1.蒸发塔循环加热回路泵及加热器对其加热，通过调节加热器功率，自动维持蒸发塔在100℃
2.蒸发塔真空抽气机给蒸发塔提供约0.02bar的负压，对应饱和温度约93℃
3.硼酸塔液位由进料流量调节阀自动控（阀A）制在1.35m
4.冷凝水通过除盐水传输泵排向除盐水储存罐，冷凝水管液位通过控制阀（阀B）维持在0.8m
5.浓缩硼酸溶液通过硼酸泵传输给硼酸储存罐，传硼控制阀（阀C）控制硼浓度为4.1%（约7000ppm）
上述各子系统均由DCS进行闭合控制。
为了保证硼酸浓缩液浓度范围在7000~7300ppm要求范围内，当蒸发塔取样硼浓度低于4.0%时会持续关闭阀C；当硼浓度高于4.3%时会触发报警；当硼浓度低于3.8%或高于4.5%时会停运整个TEP3系统。
调试期间，由于该系统自动控制参数尚未完全优化，导致蒸发过程中浓缩硼酸液的浓度大幅波动，运行十分不稳定，最终导致参数超过阈值而自动停运。
2 运行不稳定原因分析
改变硼浓度的因素主要有：
1.处理液的硼浓度Cin（短时间内可以假设不变），
2.进入硼酸塔的流量Qin
3.蒸发塔冷凝除盐水流量QD
4.蒸发塔排放浓缩液流量QB
取一个单位周期：
T1时刻的硼等于上一周期T0时硼酸塔的硼加上注入的硼减去排出的硼，即M硼酸塔*C0 +Qin*Cin-QB*C0；
T1时刻的硼酸总质量等于T0时刻质量加上进出流量差，即M硼酸塔+Qin-QD-QB
两者比值即为T1时刻的硼酸塔浓度
Ct=1= （M硼酸塔*C0 +Qin*Cin-QB*C0）/（M硼酸塔+Qin-QD-QB）
又因为排出硼的浓度即为硼酸塔的浓度，也就是说排出QB的大小不会直接改变硼酸塔硼浓度Ct，所以上式可简化为
Ct=1= （M硼酸塔*C0 +Qin*Cin）/（M硼酸塔+Qin-QD）
Cin：取决于进料硼浓度，短期内可考虑不变
Qin：由蒸发塔液位与1.35m取偏差经PI调节的结果。液位低Qin高；液位高Qin低。由于处理液Cin<蒸发塔硼浓度C0，从偏微分角度，Qin高C1低
QD：取决于蒸发塔温度、压缩机提供的负压、加热器功率等因素
QB：=1666.67*（Ct-4.1），即根据蒸发塔的硼浓度与4.1%整定值的P调节器决定，其隐性地影响了Qin的大小。
由于TEP3硼酸塔浓度Ct如果小于4%，制出的浓缩硼酸总硼可能低于7000ppm，所以主控经常在硼浓度将要低于4%时手动辅助关闭阀C。这样做可以使得Ct尽快上升到目标值。但是多次操作发现，这样不能解决Ct波动的问题。
观察并深入理解整个TEP3的流程及原理后，我们认为使得硼浓度变化的主要因素应该是Qin这个因素：由于某种扰动（可能是启动时的各种参数偏差较大），蒸发塔液位上下波动，导致Qin从0~14m3/h波动，从而导致Ct在15分钟的周期内反复上下震荡。
通过手动控制进料阀A，尝试手动稳定蒸发塔液位（下图绿线代表处理流量Qin）。最终液位稳定在1.34~1.35m，Qin稳定在5.72m3/h，硼浓度稳定在4.0~4.2。从而大大减轻了操纵员的监盘负担。
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图2：相关手动干预效果曲线
3 小结
TEP3系统从物理原理来说，存在大惯性控制过程（蒸发器热惯性大），需要提前干预。
加热器功率和蒸发塔液位有同相波动趋势，会导致控制不稳定。即液位高，加热器功率大，蒸发量大，会导致硼浓度Ct边际下降，同时被加热的液体膨胀，液位进一步升高，给水进一步关小。液位峰值时，阀A已自动全关，而加热器功率仍在峰值，两个效应会使得硼浓度急速上升；反之，到蒸发塔液位谷值，阀A开度很大，加热器功率却最低，导致硼浓度急速下降，从而产生自激放大效应。
各子系统虽能闭环控制，但偏差较大时容易发生控制耦合，产生控制震荡。所以应尽量避免各调节系统参数的突变，必要时手动稳定相关参数，以消除耦合。
在后续调试优化过程中，通过修改PID参数以及增加控制逻辑，使得控制耦合的现象得到了一定的缓解，但是手动干预的原理和经验仍然适用于必要时的干预操作。
作者简介：余开来，男，1987-，工程师，现从事核电厂运行控制工作。