AP1000核電機(jī)組加熱器疏水系統(tǒng)控制邏輯優(yōu)化

肖長(zhǎng)歌，郝玉華，吳志鋼

(國(guó)核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京100095)

山東海陽(yáng)核電一期工程加熱器疏水系統(tǒng)在暫態(tài)試驗(yàn)時(shí)，出現(xiàn)了加熱器意外退出運(yùn)行等問(wèn)題，設(shè)計(jì)與調(diào)試單位對(duì)調(diào)試數(shù)據(jù)、系統(tǒng)設(shè)備特性做出分析后，提出了控制邏輯和設(shè)定值的優(yōu)化方案，使得加熱器疏水系統(tǒng)的在正常運(yùn)行，甩負(fù)荷和負(fù)荷階躍工況下的響應(yīng)特性和穩(wěn)定性得到了明顯改善。

1 加熱器疏水和排氣系統(tǒng)概述

1.1 系統(tǒng)配置

海陽(yáng)核電廠AP1000機(jī)組熱力系統(tǒng)設(shè)有高加2級(jí)、低加4級(jí)、除氧器1級(jí)。高加和低加均為臥式表面式加熱器，6、7號(hào)高加設(shè)有2列共4臺(tái)，2列高加設(shè)有一路25%容量的給水旁路。3、4號(hào)低加設(shè)有2列共4臺(tái)，2列低加設(shè)有一路25%容量的凝結(jié)水旁路。1、2號(hào)低壓加熱器設(shè)有3列，分別布置在每個(gè)凝汽器的喉部。

7號(hào)高加、6號(hào)高加、4號(hào)低加、低加疏水箱均設(shè)有正常疏水和危急疏水系統(tǒng)。正常疏水和危急疏水管道均設(shè)有氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥，以維持加熱器或低加疏水箱內(nèi)的水位。3號(hào)低加的疏水由低加疏水箱收集，低加疏水箱正常疏水經(jīng)低加疏水泵輸送到對(duì)應(yīng)列3號(hào)低加出口的主凝結(jié)水管道中，危急疏水經(jīng)危急疏水閥至凝汽器。

7號(hào)高加還要接收來(lái)自MSR的加熱蒸汽凝結(jié)水和排氣。

1.2 系統(tǒng)配置及運(yùn)行方式

1.2.1 高壓加熱器疏水系統(tǒng)

正常運(yùn)行時(shí)，高加疏水為逐級(jí)自流，7號(hào)高加疏水自流至6號(hào)高加,6號(hào)高加疏水自流至除氧器。加熱器正常疏水調(diào)節(jié)閥自動(dòng)維持加熱器水位在設(shè)定值。在高加投/退的過(guò)渡階段，由危急疏水調(diào)節(jié)閥自動(dòng)維持加熱器水位在設(shè)定值。高加投運(yùn)后可接收來(lái)自MSR的正常疏水和排氣。高壓加熱器疏水系統(tǒng)(以A列為例)的流程如圖1所示。

圖1 7A和6A高壓加熱器疏水系統(tǒng)簡(jiǎn)圖Fig.1 7A and 6A HP drain system diagram

1.2.2 3、4號(hào)低壓加熱器疏水系統(tǒng)

3、4號(hào)低加疏水疏至低加疏水箱，由低加疏水泵將疏水箱中的疏水送入對(duì)應(yīng)的3號(hào)低加出口凝結(jié)水管道。4號(hào)低加和低加疏水箱的正常疏水調(diào)節(jié)閥自動(dòng)維持加熱器和疏水箱水位在設(shè)定值。在低壓加熱器投入和退出運(yùn)行過(guò)程中的過(guò)渡階段，由危急疏水調(diào)節(jié)閥自動(dòng)維持加熱器水位在設(shè)定值。3A、4A號(hào)低壓加熱器疏水系統(tǒng)的流程如圖2所示。

1、2號(hào)低壓加熱器疏水運(yùn)行方式為逐級(jí)自流式,2號(hào)低壓加熱器疏水自流至1號(hào)低加,1號(hào)低加疏水自流至凝汽器。

1.2.3 主要液位調(diào)節(jié)、聯(lián)鎖保護(hù)及設(shè)定值

7號(hào)高加、6號(hào)高加及3、4號(hào)低加、低加疏水箱的液位設(shè)定值及聯(lián)鎖保護(hù)設(shè)置情況如表1所示。

圖2 4A和3A低壓加熱器疏水系統(tǒng)簡(jiǎn)圖Fig.2 4A and 3A HP drain system diagram

表1 主要液位設(shè)定值

注：①有模擬量和液位開(kāi)關(guān)兩種方式；

②只有液位開(kāi)關(guān)一種方式。

2 調(diào)試過(guò)程中發(fā)生的主要問(wèn)題

在機(jī)組C階段調(diào)試過(guò)程中，加熱器疏水系統(tǒng)的主要問(wèn)題：

(1)在甩負(fù)荷試驗(yàn)及負(fù)荷階躍工況， 3、4號(hào)低加和6、7號(hào)高加發(fā)生高三水位解列。

(2)在甩負(fù)荷試驗(yàn)及負(fù)荷階躍工況，低加疏水泵由于流量高跳閘。

(3)在動(dòng)態(tài)試驗(yàn)中，高加解列后，給水側(cè)閥門(mén)關(guān)閉，但MSR疏水進(jìn)入高加導(dǎo)致加熱器超壓。在切除1臺(tái)高加試驗(yàn)時(shí)，高加水側(cè)超壓導(dǎo)致的水側(cè)安全閥動(dòng)作。

(4) 在甩負(fù)荷試驗(yàn)或加熱器投/停、MSR疏水切換等過(guò)程中，加熱器水位波動(dòng)達(dá)高三值導(dǎo)致加熱器解列。單側(cè)加熱器解列對(duì)運(yùn)行列加熱器的水位及給水系統(tǒng)有擾動(dòng)，存在運(yùn)行列加熱器解列風(fēng)險(xiǎn)，影響機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。

3 系統(tǒng)控制邏輯優(yōu)化及驗(yàn)證

3.1 加熱器水位調(diào)節(jié)保護(hù)相關(guān)邏輯優(yōu)化

加熱器高三水位解列及液位波動(dòng)大，除疏水調(diào)節(jié)閥卡澀的機(jī)械原因外，主要有三個(gè)方面的原因：一是差壓式液位變送器在瞬態(tài)工況的虛假水位；二是加熱器水位調(diào)節(jié)設(shè)定值間距偏小及調(diào)節(jié)閥超馳開(kāi)關(guān)綜合作用引起的液位波動(dòng)；三是加熱器或低加疏水箱危急疏水調(diào)節(jié)閥的設(shè)定值比正常疏水調(diào)節(jié)閥高一個(gè)臺(tái)階，危急疏水調(diào)節(jié)閥介入時(shí)間延遲。針對(duì)這幾種情況，對(duì)加熱器水位控制和保護(hù)邏輯進(jìn)行優(yōu)化。

3.1.1 暫態(tài)工況下的虛假水位應(yīng)對(duì)

在甩負(fù)荷的暫態(tài)過(guò)程中，差壓式液位變送器測(cè)量原理的固有特性，在殼側(cè)壓力出現(xiàn)瞬態(tài)變化，變送器正壓側(cè)水柱被吸出，進(jìn)而導(dǎo)致了虛假水位信號(hào)的產(chǎn)生，如圖3所示，LT1021產(chǎn)生了較為嚴(yán)重的虛高水位，致使三取中值算法的液位信號(hào)達(dá)到H3解列值觸發(fā)加熱器的隔離。為了防止虛假水位導(dǎo)致加熱器非預(yù)期解列，在保留加熱器H3液位開(kāi)關(guān)三取二邏輯算法的解列功能的同時(shí)，取消高低壓加熱器差壓式液位變送器的H3值解列加熱器的功能，此優(yōu)化措施可滿足汽輪機(jī)防進(jìn)水導(dǎo)則的要求，能夠確保系統(tǒng)的安全有效，在機(jī)組的后續(xù)瞬態(tài)試驗(yàn)和機(jī)組運(yùn)行期間未出現(xiàn)虛假水位導(dǎo)致的加熱器解列。

3.1.2 減少調(diào)節(jié)閥超馳開(kāi)關(guān)引起液位擾動(dòng)

從圖4中可以看出，疏水箱的液位LT1021B隨正常疏水閥的開(kāi)關(guān)，出現(xiàn)了大幅的頻繁的擾動(dòng)。為了避免疏水閥超馳開(kāi)關(guān)對(duì)液位的大幅擾動(dòng)，經(jīng)系統(tǒng)評(píng)估后，取消了疏水閥的調(diào)節(jié)控制邏輯中H1值超馳全開(kāi)正常疏水調(diào)節(jié)、L1值超馳全關(guān)正常疏水調(diào)節(jié)的功能，僅保留調(diào)節(jié)功能并對(duì)PID環(huán)節(jié)的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，加快調(diào)節(jié)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性?？刂七壿嬓薷暮蠼?jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證的效果見(jiàn)圖5和圖6，從圖中可以看出，邏輯優(yōu)化后，閥門(mén)與水位的穩(wěn)定性得到了明顯的改善。

圖3 甩負(fù)荷試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)的虛假水位情況Fig.3 False level during load rejection test

圖4 水位保護(hù)邏輯修改Fig.4 Modification of level protection logic

圖5 低壓加熱器疏水調(diào)節(jié)閥開(kāi)關(guān)與水位變化情況-改善前Fig.5 Position of drain control valve and level change of LP-before improvement

圖6 疏水調(diào)節(jié)閥控制邏輯修改Fig.6 Modification of the control logic of the drain control valve

3.1.3 增加危急疏水閥的定值切換功能

6號(hào)高加和低加疏水箱危急疏水調(diào)節(jié)閥的設(shè)定值為H1值，這種設(shè)置使危急疏水調(diào)節(jié)閥在甩負(fù)荷或低加疏水泵跳閘時(shí)打開(kāi)存在延遲，增加了高水位解列的風(fēng)險(xiǎn)。為了甩負(fù)荷時(shí)，有必要使危急疏水閥在此瞬態(tài)工況下提前介入調(diào)節(jié)，加大疏水調(diào)節(jié)的能力，防止水位快速升高。因此，在危急疏水閥的控制邏輯中，增加了調(diào)節(jié)設(shè)定值的切換功能，具體的切換策略如下文描述，邏輯修改如圖7所示。

圖7 低壓加熱器疏水調(diào)節(jié)閥開(kāi)關(guān)與水位變化情況-改善后Fig.7 Position of drain control valve and level change of low-pressure heater-after improvement

(1)正常穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，6號(hào)高加的正常疏水調(diào)節(jié)閥的水位設(shè)定值為NWL=0 mm，急疏水調(diào)節(jié)閥的水位設(shè)定值為H1=+38 mm。當(dāng)發(fā)生快速甩負(fù)荷時(shí)，正常疏水的逐級(jí)自流功能喪失。為了保證疏水快速和穩(wěn)定，將6號(hào)高加危急疏水調(diào)節(jié)閥的設(shè)定值由+38 mm切換至0 mm；而在機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，以機(jī)組負(fù)荷大于20%且抽汽側(cè)開(kāi)始投入為判據(jù)，將危急疏水閥的調(diào)節(jié)設(shè)定值由0 mm切換回+38 mm。

(2)同樣的考慮，低加疏水箱的危急疏水閥的調(diào)節(jié)設(shè)定值在快速甩負(fù)荷或低加疏水泵停運(yùn)時(shí)由+100 mm切換至0 mm；在低加疏水泵恢復(fù)運(yùn)行時(shí)，由0 mm切換回+100 mm。

邏輯優(yōu)化后的機(jī)組甩負(fù)荷試驗(yàn)中，未出現(xiàn)過(guò)高加因疏水不及時(shí)而導(dǎo)致的解列，證明了優(yōu)化策略的合理性和有效性。

3.2 低加疏水泵流量限制邏輯優(yōu)化

低加疏水泵多次由于流量高跳閘，如圖8所示，低加疏水箱水位波動(dòng)，致使低加疏水泵出口正常疏水調(diào)節(jié)閥隨疏水箱液位升高迅速打開(kāi)，進(jìn)而導(dǎo)致低加疏水泵出現(xiàn)流量高跳閘，這種情況在負(fù)荷擾動(dòng)期間出現(xiàn)過(guò)多次。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，通過(guò)增加低加疏水泵流量限制功能，對(duì)調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)回路進(jìn)行優(yōu)化，具體控制策略如下，修改后邏輯詳見(jiàn)圖9。

圖9 危急疏水調(diào)節(jié)閥水位設(shè)定值切換邏輯Fig.9 Switch logic of level setting of critical drain control valve

(1)在低加疏水泵流量超過(guò)某個(gè)高于額定流量而未達(dá)到跳閘值時(shí)，限制正常疏水調(diào)節(jié)閥的閥位以避免疏水泵超流量。該設(shè)定值在綜合考慮泵的特性以及閥門(mén)動(dòng)作延遲慣性等因素之后，選擇為288 t/h。低加疏水泵流量限制后，如果低加疏水箱的液位升高到高一水位，低加疏水箱的危急疏水將打開(kāi)，自動(dòng)調(diào)節(jié)低加疏水箱的液位。

(2) 低加疏水箱液位下降到低于+20 mm后，解除正常疏水閥的限位，恢復(fù)正常疏水調(diào)節(jié)閥液位自動(dòng)調(diào)節(jié)功能。

3.3 閉鎖MSR疏水的控制邏輯優(yōu)化

MSR的正常疏水在正常運(yùn)行時(shí)輸送到7號(hào)高加殼側(cè)，在對(duì)應(yīng)列7號(hào)高加或6號(hào)高加液位達(dá)到H3值后，高加解列，MSR正常疏水被隔離，MSR危急疏水自動(dòng)打開(kāi)，疏水排往凝汽器。在調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)在汽輪機(jī)主機(jī)廠的控制邏輯中，加熱器H3水位出現(xiàn)時(shí)關(guān)閉MSR正常疏水調(diào)節(jié)閥，由于高加H3水位解列后，疏水全部打開(kāi)，H3信號(hào)快速消失，而MSR側(cè)的閉鎖邏輯中無(wú)保持功能，就會(huì)出現(xiàn)高加已退出運(yùn)行且高三水位信號(hào)消失后水側(cè)閥門(mén)已關(guān)閉但MSR疏水仍會(huì)進(jìn)入高加，導(dǎo)致加熱器超壓的問(wèn)題。在進(jìn)行切除1臺(tái)高加的瞬態(tài)試驗(yàn)時(shí)，就發(fā)生了高加水側(cè)超壓導(dǎo)致的水側(cè)安全閥動(dòng)作。

針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，對(duì)MSR疏水閉鎖邏輯進(jìn)行了優(yōu)化，在邏輯中增加MSR疏水至高加的限制功能，在高加高三水位或給水側(cè)閥門(mén)未全開(kāi)的情況下禁止MSR疏水進(jìn)入高加，當(dāng)高加水位恢復(fù)至低于高一值并且水側(cè)投入后才允許MSR疏水再次進(jìn)入。

3.4 增加高低壓加高三液位水側(cè)解列延時(shí)功能

加熱器水位波動(dòng)達(dá)到高三值導(dǎo)致的加熱器解列后，給水側(cè)和抽汽側(cè)同時(shí)隔離。水側(cè)的解列引起給水/或凝結(jié)水流量瞬間變化，會(huì)對(duì)運(yùn)行的另一列加熱器和二回路水系統(tǒng)產(chǎn)生較大擾動(dòng)，可能導(dǎo)致另一列加熱器也隨之解列，這將影響給水或凝結(jié)水供水流量進(jìn)而導(dǎo)致機(jī)組功率。如果加熱器高三水位只是由于過(guò)渡工況引起的瞬時(shí)波動(dòng)，而不是傳熱管泄漏，則不需要立即隔離加熱器水側(cè)。因此，對(duì)加熱器高三水位解列的邏輯增加了延時(shí)解列水側(cè)的優(yōu)化，即：高加高三液位解列時(shí)，汽側(cè)立刻隔離，水側(cè)隔離增加30 s延時(shí)；低加高三液位解列時(shí)，汽側(cè)立刻隔離，水側(cè)隔離增加30 s延時(shí)。延時(shí)設(shè)定值根據(jù)加熱器H3值到汽輪機(jī)抽汽口的水裝量為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算獲得，以保證延時(shí)不會(huì)導(dǎo)致汽輪機(jī)進(jìn)水。

經(jīng)后續(xù)甩負(fù)荷試驗(yàn)和高加解列試驗(yàn)的驗(yàn)證，該優(yōu)化策略能夠有效保證核島給水流量的要求，既保證了給水加熱系統(tǒng)的可靠性，又利于核島運(yùn)行的安全性。

4 優(yōu)化效果驗(yàn)證及建議

4.1 控制邏輯優(yōu)化后的驗(yàn)證

通過(guò)執(zhí)行邏輯優(yōu)化后的瞬態(tài)試驗(yàn)的驗(yàn)證，加熱器疏水系統(tǒng)控制邏輯優(yōu)化使系統(tǒng)和機(jī)組運(yùn)行得到明顯改善：

(1) 避免了高低加虛假水位引起的虛假信號(hào)導(dǎo)致加熱器非預(yù)期解列。

(2) 甩負(fù)荷等工況下危急疏水調(diào)節(jié)閥的定值切換功能使危急疏水提前介入調(diào)節(jié)，有利于加熱器水位穩(wěn)定，降低了加熱器的解列概率。

(3) 加熱器水側(cè)延時(shí)隔離能夠防止加熱器水位瞬時(shí)波動(dòng)時(shí)水側(cè)隔離，有利于機(jī)組主給水系統(tǒng)、凝結(jié)水系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。延時(shí)解列還能保證加熱器傳熱管泄漏發(fā)生時(shí)水側(cè)能夠自動(dòng)隔離，保留了汽輪機(jī)防進(jìn)水功能。

(4) 低加疏水泵流量限制功能能夠有效防止3、4號(hào)低加或疏水箱水位波動(dòng)過(guò)程中低加疏水泵的跳閘，提升了低壓加熱器疏水系統(tǒng)乃至機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的能力。

(5) MSR正常疏水閥打開(kāi)的限制邏輯避免了加熱器在水側(cè)隔離后高能疏水繼續(xù)進(jìn)入而引起的加熱器超壓，并且提升了水位控制的穩(wěn)定性。

4.2 相關(guān)注意事項(xiàng)

4.2.1 加熱器虛假水位處理

為了防止虛假水位的影響，取消了加熱器液位變送器高三水位解列加熱器的條件，避免了暫態(tài)工況下加熱器由于虛假水位造成的非預(yù)期解列，提高了系統(tǒng)及機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性。但是，電站人員需要注意以下情況:

(1)每臺(tái)加熱器設(shè)置3只高三液位保護(hù)用液位開(kāi)關(guān)，采用3選2冗余邏輯，保證動(dòng)作的可靠性。運(yùn)行期間應(yīng)注意對(duì)液位開(kāi)關(guān)進(jìn)行定期試驗(yàn)，以防止液位保護(hù)失效。

(2) 取消液位變送器高三水位解列加熱器的解列功能，運(yùn)行人員應(yīng)多關(guān)注液位高報(bào)警情況，在判斷不屬于虛假液位的情況，當(dāng)液位達(dá)到高三值時(shí)仍應(yīng)隔離加熱器。

4.2.2 MSR疏水邏輯

雖然此次對(duì)邏輯進(jìn)行了優(yōu)化，增加了MSR疏水至高加的限制功能，在7號(hào)高壓加熱器水位恢復(fù)至低于高一值并且水側(cè)投入后才允許MSR疏水進(jìn)入，但仍應(yīng)注意以下事項(xiàng)：

(1)MSR投入時(shí)，MSR到7號(hào)高加的正常疏水閥應(yīng)緩慢打開(kāi)，防止大量疏水突然涌入高加導(dǎo)致高加水位波動(dòng)甚至解列。

(2)高壓加熱器水位波動(dòng)引起高三水位隔離汽側(cè)及MSR正常疏水后，如果高加水側(cè)未隔離并且加熱器水位恢復(fù)到高一值以下，那么當(dāng)MSR正常疏水正常后應(yīng)盡快恢復(fù)高壓加熱器汽側(cè)運(yùn)行。

4.3 進(jìn)一步的改進(jìn)建議

針對(duì)加熱器疏水系統(tǒng)控制邏輯，現(xiàn)場(chǎng)的優(yōu)化解決了當(dāng)前的問(wèn)題，由于現(xiàn)場(chǎng)條件限制，不具備實(shí)施更復(fù)雜變更的條件。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的經(jīng)驗(yàn)，建議后續(xù)機(jī)組進(jìn)行以下處理。

4.3.1 加熱器液位測(cè)量

雖然通過(guò)控制邏輯減少了加熱器的虛假水位的不利影響，但加熱器的水位調(diào)節(jié)仍要依據(jù)差壓式變送器的液位值，因此建議后續(xù)擇機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)：

(1) 為差壓式液位計(jì)的單室平衡容器增加補(bǔ)水管路。

(2) 將差壓式液位計(jì)更換為其他型式的液位計(jì)如導(dǎo)波雷達(dá)式液位計(jì)。

(3)在解決了加熱器虛假液位影響后，恢復(fù)加熱器高三水位保護(hù)的模擬量信號(hào)?；蛟谖聪摷僖何挥绊懙那闆r下將高三水位保護(hù)的模擬量信號(hào)增加一個(gè)延時(shí)躲過(guò)虛假水位的影響。

4.3.2 MSR疏水設(shè)置

后續(xù)工程可以論證增加一路MSR疏水，在高加解列、水位升高、啟停機(jī)或MSR投停等工況下將疏水轉(zhuǎn)到除氧器。

5 結(jié)論

在調(diào)試過(guò)程中，通過(guò)對(duì)加熱器疏水系統(tǒng)控制邏輯的優(yōu)化，解決了現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，確保一號(hào)機(jī)組具備商業(yè)運(yùn)行條件和二號(hào)機(jī)組的調(diào)試的正常開(kāi)展，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)得到優(yōu)化。通過(guò)經(jīng)驗(yàn)反饋，將優(yōu)化的邏輯反饋到了后續(xù)機(jī)組的設(shè)計(jì)當(dāng)中，為AP1000系列機(jī)組的設(shè)計(jì)積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)，為CAP1000系列機(jī)組的批量化建設(shè)和安全穩(wěn)定運(yùn)行奠定了良好的基礎(chǔ).

致謝

本文撰寫(xiě)過(guò)程中得到了各位專(zhuān)家及同事、海陽(yáng)核電業(yè)主調(diào)試部門(mén)及運(yùn)行部門(mén)的大力支持，提供了大量的資料，并提出了許多寶貴的意見(jiàn)。在此深表謝意。