CPR1000機(jī)組電動(dòng)主給水泵跳泵觸發(fā)RB控制優(yōu)化

于 航,劉道光,欒振華

(中廣核工程有限公司，廣東 深圳 518124)

0 引言

改進(jìn)型百萬(wàn)千瓦級(jí)壓水堆(CPR1000)核電站機(jī)組在調(diào)試啟動(dòng)階段，需要執(zhí)行電動(dòng)主給水泵系統(tǒng)單泵運(yùn)行觸發(fā)汽輪機(jī)快速甩負(fù)荷(run back，RB)試驗(yàn)。試驗(yàn)主要驗(yàn)證以下兩項(xiàng)內(nèi)容。在一臺(tái)電動(dòng)主給水泵跳泵，且備用電動(dòng)主給水泵未聯(lián)啟工況下，設(shè)滿功率為FP,機(jī)組以200%FP/min的速率快速降至50%FP功率平臺(tái)的過(guò)程中，控制系統(tǒng)將機(jī)組主要參數(shù)維持在穩(wěn)定區(qū)間的能力。在一臺(tái)電動(dòng)主給水泵檢修工況下，驗(yàn)證機(jī)組運(yùn)行的最高安全功率水平。

RB試驗(yàn)過(guò)程中，二回路負(fù)荷會(huì)快速下降，一回路在“堆—機(jī)”協(xié)調(diào)的控制下，通過(guò)功率棒調(diào)節(jié)堆芯功率快速下降，以匹配二回路功率；機(jī)組RB信號(hào)觸發(fā)后，汽機(jī)負(fù)荷以200%FP/min速率下降。由于突然失去了一臺(tái)電動(dòng)主給水泵供水，主給水流量瞬間大幅下降。蒸汽發(fā)生器(steam generater，SG)液位在壓水效應(yīng)及突然失去主給水的雙重影響下，先迅速下降，再快速上升。若SG液位下降至低液位(-0.9 m)疊加汽/水流量不匹配信號(hào)，或者SG液位下降至低低液位(-1.26 m)，則觸發(fā)反應(yīng)堆跳堆保護(hù)[1]。執(zhí)行試驗(yàn)的功率越高，則經(jīng)濟(jì)效益越明顯。但由于高功率平臺(tái)主蒸汽流量需求會(huì)相應(yīng)增大，亦會(huì)增加SG液位低低觸發(fā)跳堆的風(fēng)險(xiǎn)。

王云偉等采用先進(jìn)的圖形化建模工具，對(duì)給水調(diào)節(jié)的控制邏輯和控制策略進(jìn)行了1∶1仿真研究[1]。楊宗偉等在嶺澳二期核電站進(jìn)行了蒸發(fā)器水位控制系統(tǒng)試驗(yàn)[2]。劉道光等在陽(yáng)江核電廠1#機(jī)組對(duì)給水控制系統(tǒng)旁路閥進(jìn)行了優(yōu)化[3]。陳智等對(duì)嶺澳核電站蒸汽發(fā)生器給水控制系統(tǒng)改進(jìn)方案進(jìn)行了仿真驗(yàn)證[4]。周世梁、劉玉燕等基于魯棒PID迭代優(yōu)化方法，設(shè)計(jì)了蒸汽發(fā)生器水位控制系統(tǒng)的PID型主控制器，并整定了蒸汽發(fā)生器水位控制系統(tǒng)的主控制器參數(shù)[5-6]。萬(wàn)偉等基于Petr理論，對(duì)某第三代核電站主給水系統(tǒng)進(jìn)行了工況建模[7]。

1 某核電廠機(jī)組RB試驗(yàn)分析

某核電廠1#機(jī)組RB試驗(yàn)前功率約77%FP， 1#、3#電動(dòng)主給水泵運(yùn)行。1#機(jī)組RB試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 1#機(jī)組RB試驗(yàn)結(jié)果 Fig.1 Results of unit 1 RB test

試驗(yàn)過(guò)程中，1#電動(dòng)主給水泵跳閘，“汽—水”壓差突然下降，3#電動(dòng)主給水泵轉(zhuǎn)速指令在控制器調(diào)節(jié)下短時(shí)間內(nèi)輸出至最大值5 254 r/min。隨著3#電動(dòng)主給水泵轉(zhuǎn)速的提升，主給水流量迅速增加，SG液位在達(dá)到最低點(diǎn)后開(kāi)始回調(diào)；隨著“汽—水”壓差的提升，3#電動(dòng)主給水泵逐漸轉(zhuǎn)速回調(diào)，SG液位調(diào)節(jié)恢復(fù)至正常水平。3個(gè)環(huán)路中，2環(huán)路SG液位降至最低，為-0.85 m。

某核電廠2#機(jī)組RB試驗(yàn)前功率約76%FP， 2#、3#電動(dòng)主給水泵運(yùn)行。試驗(yàn)過(guò)程中，3#電動(dòng)主給水泵跳閘，3個(gè)環(huán)路中2環(huán)路SG液位降至最低，為-0.75 m。2#機(jī)組RB試驗(yàn)SG液位/電動(dòng)主給水泵轉(zhuǎn)速變化趨勢(shì)如圖2所示。

圖2 2#機(jī)組RB試驗(yàn)結(jié)果 Fig.2 Results of unit 2 RB test

分析1#和2#機(jī)組試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，電動(dòng)主給水泵RB試驗(yàn)過(guò)程中，由于突然失去1臺(tái)電動(dòng)主給水泵供水，機(jī)組功率迅速下降， SG液位波動(dòng)劇烈。在控制系統(tǒng)的自動(dòng)響應(yīng)下，液位逐漸恢復(fù)至穩(wěn)定。在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，“SG液位低”觸發(fā)跳堆的風(fēng)險(xiǎn)明顯增加。試驗(yàn)前的功率越高，則這種風(fēng)險(xiǎn)越大。為防止機(jī)組跳堆，機(jī)組正常運(yùn)行階段電動(dòng)主給水單泵檢修時(shí)，機(jī)組功率必須降至80%FP以下。在此種情況下，機(jī)組運(yùn)行功率較低，會(huì)導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)效益較差。因此，在保證機(jī)組安全運(yùn)行的前提下，通過(guò)優(yōu)化電動(dòng)主給水泵系統(tǒng)控制邏輯的方式，提高RB試驗(yàn)的功率，可有效提升機(jī)組經(jīng)濟(jì)效益，降低機(jī)組跳堆的風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而提高機(jī)組運(yùn)行的安全穩(wěn)定性。

2 電動(dòng)主給水跳泵觸發(fā)試驗(yàn)優(yōu)化

2.1 電動(dòng)主給水系統(tǒng)控制原理分析

CPR1000機(jī)組電動(dòng)主給水泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)通過(guò)PI控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)。其中，“汽—水”壓差隨蒸汽負(fù)荷變化的函數(shù)程序?yàn)閰⒖级ㄖ?，“汽—水”壓差?shí)測(cè)值為過(guò)程量[8]。電動(dòng)主給水泵轉(zhuǎn)速控制調(diào)節(jié)原理如圖3所示。當(dāng)在一臺(tái)電動(dòng)主給水泵跳閘時(shí)，“汽—水”壓差迅速下降。在PI控制器作用下，運(yùn)行的電動(dòng)主給水泵轉(zhuǎn)速迅速提升，以提升“汽—水”壓差，增加給水流量。在此調(diào)節(jié)過(guò)程中，由于“汽—水”差壓不足，導(dǎo)致給水流量偏低。

圖3 轉(zhuǎn)速控制調(diào)節(jié)原理圖 Fig.3 Schematic diagram of the speed control and regulation

2.2 控制邏輯優(yōu)化方案研究

分析1#/2#機(jī)組試驗(yàn)數(shù)據(jù)及電動(dòng)主給水系統(tǒng)控制邏輯可知，由于PI控制器調(diào)節(jié)存在一定程度的延遲，轉(zhuǎn)速指令從初始的轉(zhuǎn)速提升至最高轉(zhuǎn)速(5 254 r/min)耗時(shí)約28～30 s。若能通過(guò)優(yōu)化控制邏輯，縮短轉(zhuǎn)速提升時(shí)間，能在很大程度上緩解試驗(yàn)過(guò)程中電動(dòng)主給水泵供水能力不足的現(xiàn)象。

優(yōu)化方案(見(jiàn)圖3虛線框內(nèi)所示控制邏輯優(yōu)化部分)如下。

①電動(dòng)主給水泵RB信號(hào)出現(xiàn)后，將電動(dòng)主給水泵控制器切換至手動(dòng)，同時(shí)將泵轉(zhuǎn)速直接調(diào)整至最高值。

②延時(shí)3～5 s后，取消控制器手動(dòng)控制，使電動(dòng)主給水泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)根據(jù)“汽—水”差壓信號(hào)自動(dòng)控制。

控制邏輯優(yōu)化后，若RB信號(hào)觸發(fā)，則在運(yùn)電動(dòng)主給水泵轉(zhuǎn)速會(huì)在短時(shí)間內(nèi)提升至最大，迅速增加主給水流量，優(yōu)化SG液位控制；同時(shí)，通過(guò)提升功率來(lái)執(zhí)行RB試驗(yàn)，給機(jī)組帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益。

3 某核電廠3#機(jī)組觸發(fā)試驗(yàn)分析

3.1 優(yōu)化邏輯3#機(jī)組RB試驗(yàn)

控制邏輯優(yōu)化現(xiàn)場(chǎng)變更實(shí)施完成后，先后兩次進(jìn)行電動(dòng)主給水泵RB試驗(yàn)，以驗(yàn)證此方案的正確性。第1次RB試驗(yàn)執(zhí)行功率平臺(tái)約80%FP， 1#、3#電動(dòng)主給水泵運(yùn)行。試驗(yàn)過(guò)程中，3#電動(dòng)主給水泵跳閘，3個(gè)環(huán)路中2環(huán)路SG液位降至最低，為-0.648 m。3#機(jī)組第1次RB試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。對(duì)比1#/2#機(jī)組試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，控制系統(tǒng)有較大程度的優(yōu)化。

第2次RB試驗(yàn)執(zhí)行功率平臺(tái)約84%FP， 1#、3#號(hào)電動(dòng)主給水泵運(yùn)行。試驗(yàn)過(guò)程中，3#電動(dòng)主給水泵跳閘，三個(gè)環(huán)路中2環(huán)路SG液位最低，為-0.816 m。3#機(jī)組第2次RB試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。提升功率執(zhí)行試驗(yàn)后，機(jī)組跳堆風(fēng)險(xiǎn)仍可控。

圖4 3#機(jī)組RB試驗(yàn)結(jié)果(第1次) Fig.4 Results of unit 3 RB test(the first time test)

圖5 3#機(jī)組RB試驗(yàn)結(jié)果(第2次) Fig.5 Results of unit 3 RB test(the second time test)

3.2 優(yōu)化效果

經(jīng)過(guò)分析機(jī)組的4次RB試驗(yàn)過(guò)程，可發(fā)現(xiàn)在控制邏輯優(yōu)化后3#機(jī)組試驗(yàn)數(shù)據(jù)優(yōu)于1#/2#機(jī)組。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

由表1可知，實(shí)施此優(yōu)化方案后，機(jī)組的控制性能有較大程度的提升，RB試驗(yàn)功率最高達(dá)到了84%FP(由2#機(jī)組的最低76%FP提升至最高84%FP)。試驗(yàn)過(guò)程中，SG液位最低至-0.816 m，相較-0.9 m的危險(xiǎn)閾值仍有裕量。試驗(yàn)結(jié)果表明，該方案在提升機(jī)組安全性及經(jīng)濟(jì)性方面具有良好的效果。

表1 電動(dòng)主給水泵RB試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.1 Test data of motor-driven feed water pump during RB

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)優(yōu)化控制邏輯的方法，提升了電動(dòng)主給水泵RB工況下給水控制系統(tǒng)的性能，取得了良好的效果。試驗(yàn)結(jié)果表明：該方案在RB試驗(yàn)工況觸發(fā)的瞬間，可迅速提升主給水流量，減小反應(yīng)堆跳堆風(fēng)險(xiǎn)，提升機(jī)組安全運(yùn)行質(zhì)量。后續(xù)機(jī)組在電動(dòng)主給水泵單泵檢修工

況下均可在此功率平臺(tái)進(jìn)行，有效提升了機(jī)組的經(jīng)濟(jì)效益。

該研究方法已成功應(yīng)用于某核電廠3#機(jī)組，后續(xù)可推廣至CPR1000其他在建機(jī)組。該方法對(duì)EPR、華龍一號(hào)、AP1000等三代機(jī)組也具有一定的參考價(jià)值。

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