核電站蒸汽發(fā)生器水位控制主／旁路閥切換改進(jìn)與優(yōu)化

陳永偉，付敬強(qiáng)，邱河文，張立國，猶代倫

（中廣核核電運(yùn)營有限公司，廣東深圳 518124）

核電站蒸汽發(fā)生器水位控制主／旁路閥切換改進(jìn)與優(yōu)化

陳永偉，付敬強(qiáng)，邱河文，張立國，猶代倫

（中廣核核電運(yùn)營有限公司，廣東深圳 518124）

結(jié)合國內(nèi)多個(gè)核電基地CPR1000機(jī)組，從工程實(shí)際的角度闡述了核電站蒸汽發(fā)生器水位控制主／旁路閥切換過程中常見的故障模式，其主要包括主／旁路閥允許切換的閾值欠優(yōu)、主／旁路閥頻繁切換以及主閥開啟時(shí)間過遲。針對(duì)上述常見故障模式給出了解決方案，從切換點(diǎn)優(yōu)化、擾動(dòng)量控制和差異化控制3方面實(shí)現(xiàn)對(duì)蒸汽發(fā)生器水位控制系統(tǒng)的優(yōu)化和改進(jìn)。此方案在工程中得到了驗(yàn)證，對(duì)避免核電站蒸汽發(fā)生器水位控制在主／旁路閥切換過程中出現(xiàn)較大水位擾動(dòng)及保護(hù)設(shè)備方面取得了良好效果，同時(shí)此方案中的具體操作和實(shí)現(xiàn)方法也為同類CPR1000核電機(jī)組提供參考和借鑒。

CPR1000機(jī)組；蒸汽發(fā)生器；水位控制；主／旁路閥；PID調(diào)節(jié)

核電站蒸汽發(fā)生器水位控制系統(tǒng)作為核電站CPR1000機(jī)組重要控制系統(tǒng)之一，其主要功能為實(shí)現(xiàn)蒸汽發(fā)生器二次側(cè)水位維持在需求的整定值上［1］。如果水位過高，將會(huì)造成出口蒸汽含水量超標(biāo)，加劇汽輪機(jī)的沖蝕現(xiàn)象，影響機(jī)組的壽命，甚至造成機(jī)組損壞。同時(shí)在蒸汽管道破裂的事故工況下，對(duì)堆芯產(chǎn)生過大的冷卻易導(dǎo)致反應(yīng)性事故的發(fā)生。如果水位過低，則將會(huì)導(dǎo)致U型管頂部裸露［2］，可能導(dǎo)致給水管線出現(xiàn)水錘現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成堆芯余熱的導(dǎo)出功能惡化。而在蒸汽發(fā)生器水位調(diào)節(jié)過程中最易出現(xiàn)調(diào)節(jié)擾動(dòng)的時(shí)間點(diǎn)為主／旁路閥的切換過程，如何保證主／旁路閥切換的順暢和穩(wěn)定，對(duì)于核電機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行顯得尤為重要，針對(duì)上述問題本文進(jìn)行有效地探討。

1 控制原理

核電站蒸汽發(fā)生器水位控制主要包括主給水調(diào)節(jié)閥（主閥）調(diào)節(jié)和旁路給水調(diào)節(jié)閥（旁路閥）調(diào)節(jié)兩個(gè)部分，其原理如圖1所示。

圖1 核電站蒸汽發(fā)生器水位控制原理Fig．1 Level control principle of steam generator in nuclear power plant

主給水調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)是1個(gè)三通道調(diào)節(jié)回路，包括1個(gè)閉環(huán)調(diào)節(jié)通道和1個(gè)開環(huán)調(diào)節(jié)通道。在開環(huán)調(diào)節(jié)回路中，實(shí)測(cè)給水流量（MD1、MD2）的小選值（ZI）與經(jīng)過校正后的蒸汽流量（MD3、MD4）的大選值（ZA）輸入到加法器（ZO1）相比較，給出汽水失配信號(hào)QPV。采用汽水失配信號(hào)反映水位變化趨勢(shì)較水位誤差信號(hào)靈敏，是一種前饋。而閉環(huán)通道則主要產(chǎn)生水位偏差值，其主要通過由負(fù)荷1（KM1）產(chǎn)生的需求蒸汽發(fā)生器水位與真實(shí)水位（AVG）進(jìn)行差值運(yùn)算（ZO2）實(shí)現(xiàn)。水位偏差值再經(jīng)過水位PID調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)（RG1、RG2）產(chǎn)生給水流量整定值信號(hào)與開環(huán)通道產(chǎn)生的汽／水失配信號(hào)一同送到流量PI調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)（RG3）中［3］進(jìn)行處理，輸出對(duì)應(yīng)的主給水調(diào)節(jié)閥的開度信號(hào)（ME1）。

在低負(fù)荷時(shí)，測(cè)量流量的節(jié)流裝置兩端壓差太小，使流量測(cè)量不精確，信噪比也變得較差。因此在電站啟動(dòng)及低負(fù)荷期間，蒸汽發(fā)生器的水位由旁路調(diào)節(jié)閥來控制，控制通道為P調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)（RG4）。同時(shí)低負(fù)荷情況下，水位的膨脹及收縮現(xiàn)象十分明顯，為了提高低負(fù)荷時(shí)調(diào)節(jié)回路的穩(wěn)定性，通過給水溫度引入一個(gè)變?cè)鲆姝h(huán)節(jié)（MU）［4］，使低負(fù)荷時(shí)水位調(diào)節(jié)器的增益系數(shù)減小。

2 常見故障模式

2．1 閾值欠優(yōu)

核電站蒸汽發(fā)生器水位主閥控制的流量PI調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)（RG3）有兩路輸入信號(hào)，一路為實(shí)際蒸汽發(fā)生器水位（AVG）與二回路負(fù)荷1（KM1）表征的水位整定值（GD）進(jìn)行差值運(yùn)算產(chǎn)生的流量整定值QSP；另一路為汽水偏差信號(hào)QPV。當(dāng)二回路負(fù)荷2（KM2）小于切換定值，切換開關(guān)閉合，人為設(shè)定的蒸汽流量QMS（定值環(huán)節(jié)MS）被引入。汽水偏差信號(hào)QPV＝QG－QW－QMS。其中：QG為儀表變送器測(cè)得的蒸汽流量信號(hào)（大選環(huán)節(jié)ZA）；QW為儀表變送器測(cè)得的給水流量信號(hào)（小選環(huán)節(jié)ZI）；QMS＝－8．5%Qn，其中，Qn為核電機(jī)組滿功率蒸汽額定流量。只有當(dāng)QPV＞QSP，蒸汽發(fā)生器主閥才開始開啟，但在真實(shí)工況下，實(shí)際與需要水位一致，QSP≈0，蒸汽流量與給水流量近似相等QG≈QW，得到QPV＝QG－QW－QMS≈－8．5%Qn，主閥處于可靠關(guān)閉的位置。當(dāng)二回路負(fù)荷KM2大于切換定值，切換開關(guān)斷開，虛擬了一個(gè)負(fù)的8．5%Qn的蒸汽流量被切除，汽水偏差信號(hào)QPV＝QG－QW－0，如果滿足QPV＞QSP，主閥就會(huì)產(chǎn)生開啟信號(hào)。

在實(shí)際過程中，由于二回路用汽量表征的二回路負(fù)荷KM2不準(zhǔn)確或切換定值設(shè)置的不合理，常會(huì)導(dǎo)致允許主／旁路閥切換的時(shí)間點(diǎn)不合理。如果允許切換點(diǎn)過早，可能由于需求信號(hào)QPV＞QSP，導(dǎo)致主閥提前開啟。因主閥的供水能力強(qiáng)，進(jìn)而導(dǎo)致蒸汽發(fā)生器水位波動(dòng)。如果允許切換點(diǎn)過遲，由于旁路閥在大開度情況下調(diào)節(jié)能力差，亦會(huì)導(dǎo)致蒸汽發(fā)生器水位波動(dòng)。允許切換點(diǎn)的設(shè)置常以旁路閥的開度信號(hào)作為參考，理想的切換區(qū)間為旁路閥開度信號(hào)的70%～80%，如圖2中國內(nèi)某CPR1000核電機(jī)組二回路負(fù)荷在增長過程中對(duì)應(yīng)三環(huán)路旁路閥開度指示。

圖2 二回路負(fù)荷曲線對(duì)應(yīng)環(huán)路旁路閥開度Fig．2 The second loop load curve corresponding bypass valve opening

2．2 頻繁切換

對(duì)國內(nèi)多臺(tái)CPR1000核電機(jī)組統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，蒸汽發(fā)生器水位控制過程中發(fā)生概率較高的一種故障模式為主／旁路閥的頻繁切換。其主要原因?yàn)榻o水流量變送器和蒸汽流量變送器量程標(biāo)定參數(shù)設(shè)置的不合理或校驗(yàn)參數(shù)調(diào)整的不準(zhǔn)確，進(jìn)而導(dǎo)致主閥經(jīng)過頻繁的開啟關(guān)閉之后才能保持穩(wěn)定的開度。圖3為國內(nèi)某CPR1000核電機(jī)組主／旁路閥頻繁切換故障模式的信號(hào)曲線。隨蒸汽發(fā)生器水位的降低，被調(diào)量小于水位整定值，經(jīng)控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用使蒸汽發(fā)生器給水主閥開始開啟，由于給水需求值較大，瞬間開度達(dá)到10%左右。主閥開大后，給水流量增加，蒸汽發(fā)生器水位也明顯增加，當(dāng)被調(diào)量大于水位整定值時(shí)，控制系統(tǒng)反相調(diào)節(jié)，隨著水位升高主閥又開始關(guān)閉。此過程循環(huán)多次，造成主／旁路閥頻繁切換，進(jìn)而導(dǎo)致蒸汽發(fā)生器水位波動(dòng)劇烈（波動(dòng)幅度達(dá)0．3m），如果嚴(yán)重可能觸發(fā)蒸汽發(fā)生器水位保護(hù)邏輯。

圖3 主／旁路閥頻繁切換故障模式Fig．3 Failure mode of master／bypass valve frequent switch

同時(shí)主給水調(diào)節(jié)閥在較小的開度下頻繁開啟、關(guān)閉運(yùn)行也會(huì)引起閥座過度磨損，對(duì)設(shè)備存在損壞的風(fēng)險(xiǎn)。

2．3 切換過遲

常見的又一類故障模式為主／旁路閥切換過遲，圖4為國內(nèi)某CPR1000核電機(jī)組主／旁路閥切換過遲故障模式的信號(hào)曲線，從曲線上可看出，當(dāng)旁路閥達(dá)到90%開度信號(hào)時(shí)，主閥還未開啟，而此時(shí)旁路閥的流量調(diào)節(jié)特性已明顯變差，造成給水流量不足，蒸汽發(fā)生器水位緩慢降低。在旁路閥接近100%開度信號(hào)時(shí)，控制主閥的流量調(diào)節(jié)器RG3（PI調(diào)節(jié)器）仍無需開度信號(hào)，蒸汽發(fā)生器水位持續(xù)降低，造成實(shí)際蒸汽發(fā)生器水位與整定值偏差大。而流量整定值QSP是由實(shí)際蒸汽發(fā)生器水位和與二回路負(fù)荷表征的水位整定值偏差產(chǎn)生的，隨蒸汽發(fā)生器水位的降低，QSP向負(fù)值方向變化，且其絕對(duì)值增大，當(dāng)QPV＞QSP時(shí)，主閥開始開啟。此故障模式為降低蒸汽發(fā)生器實(shí)際水位值來謀求主閥的開啟信號(hào)，這種方式對(duì)蒸汽發(fā)生器水位的擾動(dòng)劇烈，從圖4的曲線上可看出，在蒸汽發(fā)生器水位降低到約－0．2m時(shí)（水位整定值為0 m），主閥才有開啟信號(hào)。而隨后由于主閥瞬間的開大，開度達(dá)10%左右，又導(dǎo)致蒸汽發(fā)生器水位出現(xiàn)了明顯的超調(diào)現(xiàn)象。

圖4 主／旁路閥切換過遲故障模式Fig．4 Late failure mode of master／bypass valve switch

3 改進(jìn)與優(yōu)化

3．1 切換點(diǎn)優(yōu)化

為了保證主／旁路閥在切換過程中的順暢和穩(wěn)定，首先需對(duì)允許切換點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化，其主要包括兩個(gè)方面。

1）保證KM2表征的二回路負(fù)荷的準(zhǔn)確性

二回路負(fù)荷KM2是用二回路的用汽量表征的，主要分為3部分：汽機(jī)用汽量、排冷凝器用汽量和排除氧器用汽量［5］。通常采用的標(biāo)定方式為假設(shè)加法器的每個(gè)輸入的增益系數(shù)和加法器偏置作為4個(gè)未知變量，通過變化功率，獲得4組方程等式。通過聯(lián)立4個(gè)四元一次方程求解出變量，求解公式為：

E＝K1A＋K2B＋K3C＋D

式中：E為熱功率；A為蒸汽旁路控制信號(hào)；B為蒸汽排除氧器調(diào)制信號(hào)；C為汽機(jī)進(jìn)汽壓力；K1、K2、K3為加法器的增益系數(shù)；D為加法器的偏置。

根據(jù)上述標(biāo)定方式，求解K1、K2、K3、D，得到二回路負(fù)荷KM2的計(jì)算公式：

EKM2＝K1A＋K2B＋K3C＋D

但標(biāo)定完成后可能由于多種原因?qū)е旅看螜C(jī)組在啟動(dòng)過程中KM2表征的二回路負(fù)荷出現(xiàn)稍許偏差，則需根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行一定的微調(diào)和修正。其修正方法為在核功率約17%FP時(shí)（主／旁路閥切換前），比較二回路負(fù)荷KM2與一回路功率信號(hào)的匹配性，若偏差數(shù)值大并超過一定閾值，即｜EKM2－EAM｜＞ΔE（偏差閾值），則可能危及水位調(diào)節(jié)控制，需對(duì)加法器增益系數(shù)和偏置進(jìn)行微調(diào)和修正，保證其一致性。

2）保證允許切換點(diǎn)閾值的合理性

允許切換點(diǎn)閾值的設(shè)置主要參考旁路閥的調(diào)節(jié)特性，常用的方法為：如果EKM2＝20%FP，給水流量仍可通過旁路閥調(diào)節(jié)，即給水流量非保持不變，說明旁路閥的給水調(diào)節(jié)能力較強(qiáng)，則可適當(dāng)提高允許切換的閾值。同時(shí)參考旁路閥開度信號(hào)，一般理想的切換區(qū)間為旁路閥開度約為70%～80%，結(jié)合3個(gè)環(huán)路的一致性，確定允許切換的閾值。

3．2 擾動(dòng)量控制

蒸汽流量與給水流量之間的差異是系統(tǒng)的主要擾動(dòng)［6］，主／旁路閥的頻繁切換的主要原因?yàn)檎羝髁颗c給水流量之間的差異導(dǎo)致流量PI調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)RG3輸出主閥開啟信號(hào)時(shí)有時(shí)無。消除這一故障主要實(shí)現(xiàn)方式為在允許切換后RG3保持緩慢增長、穩(wěn)定的輸出信號(hào)，即擾動(dòng)量控制，擾動(dòng)量控制主要包括以下兩個(gè)方面。

1）保證給水流量標(biāo)定的準(zhǔn)確性

在100%FP平臺(tái)變送器測(cè)得的給水流量實(shí)際值為QW，變送器的初始量程為R01，給水流量理論值為QFWO（由熱平衡測(cè)得），如果給水流量實(shí)際值與理論值存在偏差且｜QFWO－QW｜＞ε0＋ε′FW，則需重新校正變送器的量程，計(jì)算變送器新的量程值為：

2）增加蒸汽流量修正值并保證蒸汽流量標(biāo)定的準(zhǔn)確性

由于QSP≈0，保證QG＞QW，則RG3輸出穩(wěn)定的開啟信號(hào)。所以在蒸汽流量變送器標(biāo)定時(shí)，適當(dāng)增加一流量修正值QM，則可消除主／旁路閥的頻繁切換，主要的實(shí)現(xiàn)過程如下。

在100%FP平臺(tái)變送器測(cè)得的蒸汽流量實(shí)際值為QG，變送器的初始量程為R02，蒸汽流量理論值為QG－S，其值為：

QG－S＝QRef＋QM

式中：QRef＝QFWO－Qbd，為蒸汽流量參考值，Qbd為排污流量；QM為流量修正值，QM≈10t／h。

3．3 差異化控制

CPR1000機(jī)組安裝有3臺(tái)蒸汽發(fā)生器，即存在3個(gè)蒸汽發(fā)生器水位的控制環(huán)路，如果3個(gè)環(huán)路的水位控制參數(shù)偏差較大，不可避免對(duì)蒸汽發(fā)生器水位的控制帶來困難。二回路負(fù)荷KM2允許切換閾值動(dòng)作信號(hào)對(duì)3個(gè)環(huán)路的蒸汽發(fā)生器控制都生效。如果在允許切換信號(hào)動(dòng)作時(shí)刻，3個(gè)環(huán)路旁路閥的調(diào)節(jié)特性存在較大差別，會(huì)給部分蒸汽發(fā)生器的水位控制帶來擾動(dòng)。

差異化控制主要保證3個(gè)蒸汽發(fā)生器水位控制環(huán)路的一致性，影響差異化的因素較多，有工藝系統(tǒng)的原因［7］、安裝和設(shè)計(jì)的差別及設(shè)置參數(shù)的不合理等。但從儀控的角度主要考慮兩個(gè)方面：1）保證主／旁路閥前后壓差的一致性，此通過給水母管和蒸汽母管壓差控制通道實(shí)現(xiàn)［8］；2）保證主／旁路閥特性的一致性，即在相同的壓差和控制信號(hào)下，閥門的給水能力具有較好的一致性，此主要通過閥門功能校驗(yàn)控制。

4 結(jié)論

結(jié)合國內(nèi)多個(gè)核電基地CPR1000機(jī)組的統(tǒng)計(jì)和分析，本文列舉了核電站蒸汽發(fā)生器水位控制主／旁路閥切換過程中常見的故障模式，其中包括主／旁路閥允許切換的閾值欠優(yōu)、主／旁路閥頻繁切換以及主閥開啟時(shí)間過遲。而上述故障模式的出現(xiàn)無疑給蒸汽發(fā)生器水位的控制帶來困難，嚴(yán)重時(shí)可能觸發(fā)保護(hù)動(dòng)作，對(duì)機(jī)組的安全和穩(wěn)定運(yùn)行埋下隱患。針對(duì)上述故障模式，本文從切換點(diǎn)優(yōu)化、擾動(dòng)量控制以及差異化控制3方面，提出了對(duì)蒸汽發(fā)生器水位控制主／旁路閥切換過程的優(yōu)化和改進(jìn)，此優(yōu)化和改進(jìn)方案對(duì)同類CPR1000核電機(jī)組具有較大的借鑒和參考意義。

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Improvement and Optimization of Master／Bypass Valve Switching Process for Steam Generator Level Control of Nuclear Power Plant

CHEN Yong－wei，F(xiàn)U Jing－qiang，QIU He－wen，ZHANG Li－guo，YOU Dai－lun
（China Nuclear Power Co．，Ltd．，Shenzhen518124，China）

According to the statistics of domestic nuclear power plant CPR1000units，the common failure modes in the steam generator level control about the master／bypass valve switching process were described．The main modes include that the master／bypass valve switching threshold owes excellent，the master／bypass valve frequently switches and the master valve opens too late．And then a solution was raised about how to improve the master／bypass valve switching process，including switching point optimization，disturbance value control and difference control．This solution is performed in the project site and is verified feasible and effective．

CPR1000units；steam generator；water level control；master／bypass valve；PID regulator

TH165．3

：A

：1000－6931（2015）03－0523－06

10．7538／yzk．2015．49．03．0523

2013－11－28；

2014－01－20

陳永偉（1986—），男，浙江海寧人，工程師，自動(dòng)化專業(yè)