田灣核電站3號機組汽輪機旁排閥的硬件改造與控制邏輯優(yōu)化

□馮 琦 姚廣楠

田灣3號機組汽輪機旁路系統(tǒng)借鑒了田灣一期的成熟經(jīng)驗，在旁路系統(tǒng)正式試驗之前，調(diào)試人員開展了旁排閥的硬件測試，并對存在的問題進行了改進；在旁路系統(tǒng)試驗和機組瞬態(tài)試驗期間，通過實時曲線分析，優(yōu)化了旁排控制邏輯，保證了機組的安全可靠運行。本文側(cè)重闡述田灣3號機組旁排閥硬件設備的改造與控制邏輯的優(yōu)化和創(chuàng)新，并對分析過程和改造方案做了詳細的論述。

一、汽輪機旁路系統(tǒng)的功能

汽輪機旁路系統(tǒng)主要完成以下功能：一是在機組啟動和初始加載時調(diào)節(jié)二回路主蒸汽集管壓力，保證以設定的速率加熱主蒸汽管道；二是保證以設定的速率冷卻反應堆及一回路設備；三是在機組甩負荷時調(diào)節(jié)主蒸汽集管的壓力，并通過向凝汽器導出反應堆熱量，防止主蒸汽系統(tǒng)大氣釋放閥或安全閥動作。

二、汽輪機旁排閥硬件設備的改造

(一)限位開關(guān)升級改造的分析。旁排閥單體調(diào)試階段發(fā)現(xiàn)，所有旁排閥限位開關(guān)如果滿足了關(guān)反饋信號觸發(fā)的精度要求，關(guān)反饋信號消失時的閥門開度均大于實際閥位的15%；如果滿足了開反饋信號觸發(fā)的精度要求，開反饋消失的閥門開度均小于實際閥位的85%。旁排閥限位開關(guān)的回差過大，不能及時反饋閥門的實際狀態(tài)，對控制邏輯準確觸發(fā)有較大影響，因為旁排閥的非關(guān)反饋信號在控制邏輯中有兩處關(guān)鍵引用。

1.汽輪機DEH設計要求。在汽輪機DEH控制模式切換時，需要取用旁排閥非關(guān)的信號作為判別依據(jù)。當有旁排閥處于非全關(guān)狀態(tài)時，汽輪機DEH處于功率控制模式；當旁排閥全關(guān)狀態(tài)時，汽輪機DEH處于壓力控制模式。如旁排閥非關(guān)信號不能及時觸發(fā)，將會遲滯DEH切至功率控制模式，會造成機組轉(zhuǎn)速或功率的波動。

2.汽輪機旁排噴淋水閥也與旁排閥有連鎖控制要求。即旁排閥處于非關(guān)時，即認為有蒸汽進入凝汽器，旁排噴淋水閥需及時開啟，對進入凝汽器的蒸汽進行降溫降壓。旁排閥死區(qū)為8.7%，如果旁排閥關(guān)反饋在實際閥位15%以上才能消失，則當旁排閥實際閥位在8.7%～15%開度時，進入凝汽器的蒸汽將沒有噴淋減溫水，會引起凝汽器超壓運行。

(二)限位開關(guān)升級改造方案。通過查閱和分析供貨廠家SEMPELL提供的旁排閥限位開關(guān)機械原理圖，發(fā)現(xiàn)原設計供貨的旁排閥限位開關(guān)均為機械式限位開關(guān)，其優(yōu)缺點都十分明顯，即優(yōu)點是機械強度高，耐沖擊；而缺點是限位開關(guān)精度不夠，回差較大。

為了解決旁排閥限位開關(guān)的缺陷，通過多次和廠家溝通和澄清，并對國內(nèi)外市場既能抗強度沖擊又能滿足精度高回差小的限位開關(guān)進行研究，最終決定采用STI提供的Guardbox型限位開關(guān)。

在對旁排閥限位開關(guān)改造后，通過現(xiàn)場測試，旁排閥限位開關(guān)的開反饋均在實際閥位的95～100%之間觸發(fā)，小于95%消失；而關(guān)反饋均在實際閥位的0%～5%之間觸發(fā)，大于5%消失，改造后的旁排閥限位開關(guān)能夠很好地滿足汽輪機DEH和旁排噴淋水閥的控制要求，并能快速準確觸發(fā)。

三、旁路系統(tǒng)的邏輯創(chuàng)新與優(yōu)化

3號機組調(diào)試階段，機組電功率在55MW/min降負荷至56MW和50%功率打閘停機時都曾出現(xiàn)二回路主蒸汽壓力大幅波動的情況。為了解決二回路蒸汽壓力波動的問題，儀控人員對旁排控制邏輯進行了大量創(chuàng)新設計與優(yōu)化。

(一)正常調(diào)節(jié)模式下旁排閥分組與閥位重構(gòu)邏輯的優(yōu)化。

1.旁排閥重構(gòu)邏輯優(yōu)化與分析。根據(jù)旁排閥的行程與流量特性曲線，旁排閥8.7%～100%開度與流量之間近似線性關(guān)系，旁排閥的總閥位可以在每次重構(gòu)觸發(fā)時，重新進行平均分配。當上一組閥門開度超過20%時，下一組閥門與前幾組閥門閥位重構(gòu)，他遵循如下公式：

注1：20%～8.7%為得到的有效閥位

注2：在冷卻模式下，閥位重構(gòu)開度由20%修改為50%。

當旁排非OM手動，閥門總凈開度大于一定值時，當?shù)诙M閥門到第四組閥門投入自動的時刻，觸發(fā)3秒的閥位重構(gòu)指令，將該組及其前面所有組旁排閥門進行閥位重構(gòu)(如第三組投入，則將第一、二、三組閥位重構(gòu))。

旁排閥閥位重構(gòu)加劇了二回路主蒸汽壓力偏離設定值，壓力達到峰值6.56MPa。閥位重構(gòu)指令觸發(fā)的3秒內(nèi)調(diào)節(jié)器處于跟蹤閥位重構(gòu)邏輯的狀態(tài)，不進行壓力調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)器不能及時接管壓力控制，加劇實際壓力偏離設定值。為使調(diào)節(jié)器盡快接管壓力控制，需要將每組旁排閥觸發(fā)重構(gòu)指令的脈沖時間縮短。由于旁排閥動作很快，1秒內(nèi)便能完成閥位重構(gòu)，最終將觸發(fā)重構(gòu)指令的脈沖時間由3秒優(yōu)化為1秒。

2.旁排調(diào)節(jié)器甩負荷附加定值邏輯的優(yōu)化。機組功率運行時，汽機旁排控制邏輯實時跟蹤調(diào)節(jié)級壓力，當調(diào)節(jié)級壓力階躍下降超過0.7MPa(表征12.5%額定功率)時，在旁排邏輯中判斷為甩負荷，輸出持續(xù)60秒的甩負荷信號，并根據(jù)調(diào)節(jié)級壓力突降的速率經(jīng)微分模塊運算后生成甩負荷附加定值。甩負荷附加定值的作用是加大旁排閥調(diào)節(jié)器的輸入偏差，起到前饋的作用，使旁排閥可以在甩負荷瞬間快速動作。

調(diào)節(jié)器的主蒸汽壓力有效設定值為給定值減甩負荷附加定值，由此可知微分模塊衰減過慢作為減數(shù)的甩負荷附加定值將長時間維持在較大的數(shù)值，導致主蒸汽壓力的有效設定值偏低，旁排閥持續(xù)開啟，將主蒸汽壓力拉低，甚至觸發(fā)旁排閥快關(guān)功能。微分模塊延遲時間越短則輸出響應更快；微分時間越短則輸出的衰減越快。此外，調(diào)節(jié)級壓力突降的速率，也決定這個微分模塊輸出的大小，當調(diào)節(jié)級壓力大幅度快速下降時，微分模塊的輸出也會很大，也會導致主蒸汽壓力的有效設定值偏低。微分模塊的微分時間和延遲時間均由4秒改為2秒，讓微分模塊的輸出值響應更快，衰減更快，使旁排調(diào)節(jié)器的主蒸汽壓力設定值有效值快速回頭。微分模塊的輸出限值由100改為0.9，限制微分模塊的最大輸出值。

(二)快開快關(guān)電磁閥控制策略的創(chuàng)新和優(yōu)化。通過對旁排系統(tǒng)試驗的數(shù)據(jù)進行分析和研究，創(chuàng)造性地對旁排閥的快開和快關(guān)功能組進行分組控制，并優(yōu)化了實際壓力與設定值偏差觸發(fā)快開快關(guān)的限值。

旁排閥的快開和快關(guān)功能分組控制策略如下：第一組1個，MAN22AA201;第二組2個，MAN21AA201、MAN23AA201;第三組3個，MAN11AA201、MAN12AA201、MAN13AA201。

當主蒸汽壓力快速上升，實際壓力大于6.75MPa、6.77MPa、6.79MPa時依次快速開啟第一組、第二組、第三組;當主蒸汽壓力快速下降，實際壓力小于5.80MPa、5.75MPa、5.70MPa時依次快速關(guān)閉第三組、第二組、第一組。

實際壓力與設定值的偏差觸發(fā)快開快關(guān)功能的優(yōu)化如下：將實際壓力與設定值的偏差觸發(fā)快開功能的定值由0.25MPa優(yōu)化為0.50MPa，并且加入旁排在控制模式的條件；將實際壓力與設定值的偏差觸發(fā)快關(guān)功能的定值由-0.21MPa優(yōu)化為-0.71MPa，并且加入旁排在控制模式的條件。

(三)旁排閥調(diào)節(jié)器跟蹤邏輯的優(yōu)化。當快開或快關(guān)動作后，常規(guī)控制調(diào)節(jié)器都跟蹤實際閥位，當快開快關(guān)消失后，調(diào)節(jié)器重新輸出調(diào)節(jié)指令，接管閥位控制。它的優(yōu)點是實現(xiàn)了控制上的無擾切換，但缺點也很明顯，此時從全開或全關(guān)位開始調(diào)節(jié)，控制響應比較慢。

優(yōu)化后，調(diào)節(jié)器不間斷地計算并輸出閥位指令，閥位指令將一直作用在定位器上。利用硬件結(jié)構(gòu)上快開快關(guān)優(yōu)先的特點，當快開快關(guān)消失時，閥門能更快地到達調(diào)節(jié)器指令對應的閥位，提高了調(diào)節(jié)速率，降低了系統(tǒng)壓力波動。

四、創(chuàng)新與優(yōu)化的效果

通過對旁排閥硬件的改造和控制邏輯的優(yōu)化與創(chuàng)新，旁排閥對二回路主蒸汽壓力的控制效果良好，達到了PID調(diào)節(jié)器理想要求“理想曲線兩個波，前高后低4比1”，機組動態(tài)試驗時的相關(guān)曲線如圖1所示。

圖1 100%額定功率甩負荷至廠用電

五、結(jié)語

通過旁排閥硬件設備改造與控制邏輯優(yōu)化等相關(guān)工作，汽輪機旁排調(diào)節(jié)閥在機組加熱和冷卻過程中，精確維持了二回路的壓力，并保障了汽輪機沖轉(zhuǎn)和并網(wǎng)的一次成功。在機組甩負荷和各種動態(tài)試驗中，旁排閥快速及時準確動作，保證了機組各大型試驗一次成功，并縮短了機組動態(tài)試驗時間。