華龍一號(hào)汽動(dòng)泵控制系統(tǒng)分析與改進(jìn)

李洪 鄭健偉 王沖

福建福清核電有限公司 福建福清 350318

根據(jù)HAF102《核動(dòng)力廠設(shè)計(jì)安全規(guī)定》的要求，核電廠需要設(shè)計(jì)專設(shè)安全設(shè)施，以防止造成反應(yīng)堆堆芯損傷或需要采取場(chǎng)外干預(yù)措施的放射性釋放，并能使核動(dòng)力廠回到安全狀態(tài)，輔助給水系統(tǒng)屬于此類專設(shè)安全設(shè)施。在任一正常給水系統(tǒng)發(fā)生事故時(shí)，輔助給水系統(tǒng)運(yùn)行，能夠確保向蒸汽發(fā)生器供應(yīng)適量的水，以導(dǎo)出堆芯余熱，直到反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)達(dá)到余熱排出系統(tǒng)可投入的狀態(tài)。

輔助給水系統(tǒng)設(shè)計(jì)有兩臺(tái)電動(dòng)泵和汽動(dòng)泵，保證在即使出現(xiàn)電動(dòng)泵由于失電等原因?qū)е聼o法正常啟動(dòng)時(shí)的工況，仍能采用主蒸汽作為動(dòng)力的汽動(dòng)泵仍可保證系統(tǒng)具備導(dǎo)出堆芯熱的功能余熱。

1 控制系統(tǒng)

汽動(dòng)泵的控制系統(tǒng)為閉環(huán)控制系統(tǒng)，其主要功能為轉(zhuǎn)速控制，使轉(zhuǎn)速維持在設(shè)定值范圍內(nèi)。為了保證汽動(dòng)泵的安全運(yùn)行，控制系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了大流量限制機(jī)制功能。

控制系統(tǒng)的檢測(cè)裝置包括速度探頭和差壓流量計(jì)，控制器采用數(shù)字式調(diào)速器，執(zhí)行機(jī)構(gòu)為氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥，被控對(duì)象為汽動(dòng)泵轉(zhuǎn)速或流量。正常運(yùn)行時(shí)，調(diào)速器為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)模式[1]。汽動(dòng)泵的轉(zhuǎn)速通過安裝在中央水室水平側(cè)和垂直側(cè)的兩個(gè)探頭監(jiān)測(cè)，并將信號(hào)傳送到具備PID計(jì)算功能的調(diào)速器，經(jīng)PID計(jì)算后輸出控制信號(hào)至氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥，控制汽動(dòng)泵的蒸汽流量使其轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在設(shè)定值范圍內(nèi)。當(dāng)流量超過安全限值時(shí)，控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)為流量限制模式，通過安裝在汽動(dòng)泵出口的差壓流量計(jì)測(cè)得的流量信號(hào)，觸發(fā)流量限制模式，輸出此前跟蹤轉(zhuǎn)速控制的閥位限值至氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥，進(jìn)而控制汽動(dòng)泵的蒸汽流量使其流量穩(wěn)定在設(shè)定值范圍內(nèi)。

2 控制系統(tǒng)的分析與改進(jìn)

2.1 流量測(cè)量方式改進(jìn)

大流量限制系統(tǒng)設(shè)置的作用是保護(hù)汽動(dòng)泵在事故工況下，將泵的出口流量控制在系統(tǒng)和泵組可接受的范圍內(nèi)[2]。

由于汽動(dòng)泵的轉(zhuǎn)速可調(diào)節(jié)，大流量限制系統(tǒng)采用降低泵轉(zhuǎn)速來限制出口流量的方式。在泵的出口主管道上的直管段部分設(shè)置流量計(jì)測(cè)量流量，現(xiàn)有的大流量限制方案需設(shè)置流量測(cè)量管線和儀表，流量測(cè)量管線要求有一定長度的直管段，同時(shí)需保證汽動(dòng)泵整體滿足抗震要求，無疑加大了汽動(dòng)泵的設(shè)計(jì)難度，且調(diào)速器和核級(jí)差壓變送器均不具備開方運(yùn)算的能力，造成控制系統(tǒng)繁雜、故障點(diǎn)多。

通過利用輔助給水系統(tǒng)自有流量計(jì)進(jìn)行出口流量測(cè)量。輔助給水系統(tǒng)自有流量計(jì)分別測(cè)量三個(gè)環(huán)路的流量，將測(cè)得的環(huán)路流量送至DCS系統(tǒng)進(jìn)行開方和加法運(yùn)算，將處理后的流量值送至調(diào)速器。改進(jìn)后，由于流量測(cè)量管線的取消，汽動(dòng)泵的設(shè)計(jì)將得到簡化，抗震性能將得到提升，經(jīng)濟(jì)性得到提升。

2.2 控制邏輯改進(jìn)

采用數(shù)字調(diào)速汽動(dòng)泵后可利用轉(zhuǎn)速來控制給水流量。在DCS的人機(jī)界面上設(shè)置轉(zhuǎn)速整定值控制器，通過整定值的設(shè)定對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。設(shè)計(jì)意圖：一是通過流量、揚(yáng)程均降低，泵及其汽輪機(jī)均處于較低負(fù)荷狀態(tài)，利于運(yùn)行；二是揚(yáng)程降低后對(duì)系統(tǒng)包括調(diào)節(jié)閥的沖蝕減??；三是操作方便，且與調(diào)節(jié)閥控制流量的方式互為冗余。通過轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)流量的優(yōu)化設(shè)計(jì)一方面有利于泵和出口調(diào)節(jié)閥運(yùn)行，同時(shí)為系統(tǒng)增加了一則冗余手段，提高了控制性能和可用度[3]。

由于輔助給水系統(tǒng)配置有兩臺(tái)電動(dòng)泵和兩臺(tái)汽動(dòng)泵，機(jī)組狀態(tài)上行或下行期間優(yōu)先使用電動(dòng)泵來進(jìn)行蒸發(fā)器水位調(diào)節(jié)，汽動(dòng)泵的自動(dòng)啟動(dòng)條件為蒸發(fā)器水位低或蒸發(fā)器流量低、一回路冷卻不足等事故工況，汽動(dòng)泵運(yùn)行在高揚(yáng)程、低流量工況下概率很低。

設(shè)計(jì)成轉(zhuǎn)速自動(dòng)調(diào)節(jié)的控制系統(tǒng)。通過建模的方式建立系統(tǒng)背壓、蒸汽入口壓力、需求流量與最佳轉(zhuǎn)速的關(guān)系，并將其轉(zhuǎn)換為DCS系統(tǒng)中的軟件組態(tài)，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到觸發(fā)條件時(shí)，控制系統(tǒng)自動(dòng)改變轉(zhuǎn)速設(shè)定值

改變控制系統(tǒng)可調(diào)速的特性，首先手動(dòng)調(diào)速使用頻率極小，即使是非調(diào)速系統(tǒng)亦能完全實(shí)現(xiàn)輔助給水系統(tǒng)的正常功能和安全功能；其次手動(dòng)可調(diào)速系統(tǒng)使用方法復(fù)雜，設(shè)計(jì)文件和運(yùn)行維修手冊(cè)均未明確界定需要手動(dòng)改變轉(zhuǎn)速設(shè)定值的工況，未明確轉(zhuǎn)速設(shè)定值的計(jì)算方法；再次手動(dòng)可調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)增加了一系列的軟硬件設(shè)計(jì)，增加了故障點(diǎn)，增加了汽動(dòng)泵的運(yùn)行維修難度。

2.3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)改進(jìn)

控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)為氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥，直接安裝在汽動(dòng)泵主汽門下方，其儀控部件緊鄰閥體布置，空間狹小。使用傳統(tǒng)的機(jī)械式定位器和電/氣轉(zhuǎn)換器，由于現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境溫度高，且汽動(dòng)泵運(yùn)行期間管道存在震動(dòng)，電/氣轉(zhuǎn)換器及定位器磨損部件多、穩(wěn)定性差、故障率高。改進(jìn)方案為用遠(yuǎn)程分體式智能定位器替代原電/氣轉(zhuǎn)換器和機(jī)械式定位器。智能閥門定位器是利用數(shù)字平衡(或電平衡)原理來實(shí)現(xiàn)閥位控制的，定位器接受來自控制系統(tǒng)的閥位設(shè)定信號(hào)，通過高精確度的模/數(shù)采樣轉(zhuǎn)換，得到數(shù)字設(shè)定值變量；閥位變化經(jīng)由閥位反饋機(jī)構(gòu)得到閥位電信號(hào)，同樣進(jìn)行高精確度的模/數(shù)采樣轉(zhuǎn)換，得到數(shù)字設(shè)定值變量和閥位變量，兩者經(jīng)過智能控制軟件的SP-PV處理模塊處理，得到閥位控制信號(hào)，經(jīng)由IP 控制與驅(qū)動(dòng)去控制IP 模塊（電氣轉(zhuǎn)換模塊）的動(dòng)作，從而控制氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)氣室的進(jìn)氣與排氣，使閥位到達(dá)設(shè)定點(diǎn)。

3 結(jié)語

通過對(duì)華龍一號(hào)輔助給水汽動(dòng)泵控制系統(tǒng)進(jìn)行分析，得出可進(jìn)行可在如下幾個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)：

（1）可利用輔助給水系統(tǒng)自有的流量計(jì)實(shí)際流量監(jiān)測(cè)的功能，簡化汽動(dòng)泵的儀表及管線設(shè)計(jì)，減小故障點(diǎn)，提升經(jīng)濟(jì)性；

（2）改變控制系統(tǒng)可手動(dòng)調(diào)速的特性，可簡化汽動(dòng)泵的運(yùn)行操作，減小故障點(diǎn)，提高設(shè)備的可靠性；增加對(duì)各個(gè)影響控制系統(tǒng)的信號(hào)監(jiān)測(cè)，有利于故障診斷與分析；

（3）對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行分體式改進(jìn)，可有效緩解由于現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境溫度高、管道震動(dòng)以及原使用的機(jī)械式閥門定位器和電/氣轉(zhuǎn)換器穩(wěn)定性差導(dǎo)致的閥門故障，提升整個(gè)控制系統(tǒng)的可靠性。