某核電疏水排氣系統(tǒng)緊急疏水閥控制分析與優(yōu)化

郭順青

（中核集團(tuán)三門核電有限公司，浙江 臺(tái)州 317112）

0 引言

某核電疏水排氣系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱HDS）主要在凝結(jié)水系統(tǒng)、主給水系統(tǒng)以及汽水分離系統(tǒng)、再熱器系統(tǒng)間傳輸疏水，與凝結(jié)水系統(tǒng)及主蒸汽系統(tǒng)配合達(dá)到防止汽輪機(jī)進(jìn)水和提高汽輪機(jī)熱效率的目的[1]。

HDS 疏水分為汽水再熱分離器疏水、高壓加熱器疏水和低壓加熱器疏水三部分，每個(gè)加熱器及疏水箱的輸水管道上都有一條直接與凝汽器相連的緊急疏水管道，該管道具備快速疏水能力，單臺(tái)機(jī)組共有24 個(gè)同類型的緊急疏水閥。汽輪機(jī)正常功率運(yùn)行情況下疏水逐級(jí)流入下級(jí)加熱器再利用，降低汽輪機(jī)熱量的損失，異常情況下疏水可以由緊急疏水管道直接流入凝汽器，以防止加熱器或者疏水箱滿水流入汽輪機(jī)，對(duì)汽輪機(jī)葉片等設(shè)備造成損害[2]。

圖1 高加疏水流程圖Fig.1 Pressure heater drainage flow chart

1 技術(shù)背景

1.1 控制原理

從電廠啟動(dòng)開始，HDS 即自動(dòng)控制給水加熱器和疏水箱的水位。以圖1 高加疏水器為例，加熱器液位由3 個(gè)液位變送器中選實(shí)時(shí)測(cè)量液位，加熱器疏水包括一條直接與凝汽器相連的緊急疏水管道和一條逐級(jí)自流到下級(jí)加熱器的疏水管路，機(jī)組運(yùn)行期間加熱器疏水器通過正常疏水閥控制逐級(jí)自流到下級(jí)疏水器，當(dāng)疏水不暢導(dǎo)致疏水液位高時(shí)，緊急疏水閥動(dòng)作以維持液位在設(shè)定值范圍。

圖2 為高加疏水器的液位設(shè)計(jì)圖，疏水器液位的控制邏輯是基于Ovation 平臺(tái)實(shí)現(xiàn)的，液位控制范圍設(shè)計(jì)為-200mm ～+1100mm，正常疏水閥（NWL）的控制定值為0mm，緊急疏水閥的控制定值為+100mm，高液位（HWL）的設(shè)定值為+150mm。當(dāng)達(dá)到高液位定值后會(huì)聯(lián)鎖上游疏水閥關(guān)閉使加熱器隔離，同時(shí)聯(lián)鎖到疏水器的抽汽逆止閥關(guān)閉停止抽汽，高高（HHWL）液位定值為+900mm；當(dāng)達(dá)到高高液位定值后會(huì)進(jìn)一步聯(lián)鎖關(guān)閉抽汽電動(dòng)截止閥，防止疏水器中的水進(jìn)入汽輪機(jī)，對(duì)汽輪機(jī)造成損害[3]。

1.2 故障現(xiàn)象

某核電在2020 年4 月份功率運(yùn)行期間，發(fā)現(xiàn)7 號(hào)高加緊急疏水閥氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)頻繁充排氣，經(jīng)調(diào)取歷史數(shù)據(jù)如圖3 所示，該閥門指令在96.3%～100%（對(duì)應(yīng)閥位在0%～3.7%）左右頻繁波動(dòng)，且該情況自運(yùn)行以來一直存在，繼續(xù)排查機(jī)組的其他緊急疏水閥，確認(rèn)存在相同的問題，其開度指令信號(hào)均在小開度范圍波動(dòng)，但由于定位器對(duì)小開度信號(hào)響應(yīng)靈敏度的不同，僅部分閥門出現(xiàn)頻繁開啟、關(guān)閉的波動(dòng)現(xiàn)象；2020 年8 月，現(xiàn)場(chǎng)人員發(fā)現(xiàn)7 號(hào)高加緊急疏水閥氣動(dòng)頭異常，進(jìn)一步確認(rèn)發(fā)現(xiàn)，該緊急疏水閥連接螺栓松脫、氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)傾斜，氣動(dòng)頭與執(zhí)行機(jī)構(gòu)基座上共有8 顆螺栓斷裂了5 顆，僅靠剩余3 顆螺栓受力，閥門出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p壞。

圖2 高加疏水器液位設(shè)計(jì)圖Fig.2 Pressure heater drainage flow chart

圖3 7號(hào)高加緊急疏水閥響應(yīng)趨勢(shì)Fig.3 Response trend of 7 HP heater emergency drain valve

圖3 中，HDS-LT028-1-MED 為7 號(hào)高加疏水器液位值；HDS-V033B-DMD 為7 號(hào)高加緊急疏水閥閥門指令。

1.3 原因分析

查看設(shè)計(jì)文件，里面對(duì)正常疏水和緊急疏水閥控制有很明確的定義。正常疏水和緊急疏水控制閥定值分級(jí)設(shè)置目的就是緊急疏水閥只有在正常疏水閥全開達(dá)到最大疏水能力后，緊急疏水閥才會(huì)起作用，而目前現(xiàn)場(chǎng)高加正常疏水閥在中間開度調(diào)節(jié)時(shí)，緊急疏水閥卻在頻繁的波動(dòng)，這種情況是不符合設(shè)計(jì)文件要求的。

根據(jù)邏輯配置緊急疏水閥的指令受高加液位值控制，調(diào)取7 號(hào)高加疏水器液位的歷史數(shù)據(jù)如圖4 所示，發(fā)現(xiàn)液位長(zhǎng)期在±16mm 左右波動(dòng)，液位的波動(dòng)經(jīng)過PID 運(yùn)算后會(huì)使緊急疏水閥指令在95.9%～100%（對(duì)應(yīng)閥位為0%～4.1%）之間波動(dòng)，因此導(dǎo)致閥門頻繁動(dòng)作的原因可能有兩方面：其一，疏水器正常疏水閥PID 參數(shù)配置不合適導(dǎo)致；其二，緊急疏水閥自身PID 參數(shù)設(shè)置不合理導(dǎo)致。

圖4 7號(hào)高加緊急疏水閥響應(yīng)歷史趨勢(shì)Fig.4 Response history trend of 7 HP heater emergency drain valve

圖5 調(diào)整PID參數(shù)后緊急疏水閥響應(yīng)趨勢(shì)Fig.5 Response trend of 7 HP heater emergency drain valve after adjusting PID parameters

為確認(rèn)其根本原因，在機(jī)組正常運(yùn)行期間對(duì)高加正常疏水閥PID 參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)行小幅調(diào)整后觀察發(fā)現(xiàn)高加疏水器液位波動(dòng)與之前相比無明顯變化，緊急疏水閥指令仍在96.1%～100%（對(duì)應(yīng)閥位在0%～3.9%）之間頻繁不動(dòng)，趨勢(shì)圖如圖5 所示。另外，高加疏水器液位的波動(dòng)相比其他高加疏水器液位波動(dòng)稍大，但是該液位波動(dòng)經(jīng)過機(jī)組甩負(fù)荷、階躍降功率等驗(yàn)證性試驗(yàn)?zāi)軌驖M足機(jī)組設(shè)計(jì)要求，故排除正常疏水閥PID 參數(shù)配置不合適的原因?qū)е戮o急疏水閥頻繁動(dòng)作。繼續(xù)檢查緊急疏水閥邏輯參數(shù)，確認(rèn)PID 算法中存在Hard Inhibit Behavior 一項(xiàng)參數(shù)配置為Disabled，在西門子、施耐德PLC 的PID 算法都沒有這個(gè)參數(shù)，只有Ovation 的PID 算法里面有這個(gè)參數(shù)配置，該參數(shù)的解釋如下：配置為Enabled 時(shí)，當(dāng)PID 輸出達(dá)到輸出限值時(shí)會(huì)維持在輸出限值不變，只有當(dāng)輸入偏差反向后，閥門輸出才會(huì)相應(yīng)改變；配置為Disabled，當(dāng)PID 輸出達(dá)到輸出限值時(shí)，只要偏差的變化方向是使PID 離開限值位置，閥門輸出就會(huì)改變，也就是說液位快速?gòu)?mm 漲到10mm 時(shí)，即使離設(shè)定值100mm 還有比較遠(yuǎn)的距離，但閥門也會(huì)小幅打開，故確認(rèn)緊急疏水閥波動(dòng)的原因?yàn)榫o急疏水閥邏輯參數(shù)配置不合適。

2 優(yōu)化與可行性分析

2.1 優(yōu)化方案

根據(jù)上述分析可知，HDS 緊急疏水閥的頻繁波動(dòng)是由于緊急疏水閥PID 參數(shù)配置不合適導(dǎo)致，為減少緊急疏水閥的頻繁波動(dòng)，延長(zhǎng)閥門的使用壽命，避免因閥門頻繁動(dòng)作導(dǎo)致的故障造成汽輪機(jī)熱量損失，給機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行帶來隱患，故提出以下兩種方案對(duì)高加緊急疏水閥的控制邏輯參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

方案一：將緊急疏水閥PID 中的Hard Inhibit Behavior參數(shù)配置為Enabled。

方案二：不改變PID 中的Hard Inhibit Behavior 參數(shù)配置，對(duì)緊急疏水閥的指令函數(shù)FX 進(jìn)行優(yōu)化。

2.2 可行性分析

對(duì)于方案一， 緊急疏水閥PID 中的Hard Inhibit Behavior 參數(shù)配置修改為Enabled，也就是說當(dāng)PID 輸出達(dá)到輸出限值時(shí)會(huì)維持在輸出限值不變，只有當(dāng)輸入偏差反向后即疏水器液位上漲超過+100mm 后，緊急疏水閥的輸出才會(huì)發(fā)生變化，閥門才會(huì)動(dòng)作以防止疏水器的液位繼續(xù)升高。修改配置后延緩了閥門對(duì)于液位的響應(yīng)，可能會(huì)導(dǎo)致疏水器液位上漲的程度要高于未修改該配置的液位，然而在設(shè)計(jì)文件中明確了為避免疏水器中的水進(jìn)入汽輪機(jī)的主要防御措施是靠?jī)杉?jí)聯(lián)鎖定值，即高液位和高高液位的聯(lián)鎖，而緊急疏水閥配置的目的主要是防止疏水器液位進(jìn)一步上漲觸發(fā)加熱器隔離而影響汽輪機(jī)的熱效率，另外從疏水器液位設(shè)計(jì)圖可以看出，即使液位漲到了高高液位，也只是到了疏水器的中心線位置，疏水器液位定值的設(shè)計(jì)是很保守的，即使把PID 中的Hard Inhibit Behavior 參數(shù)配置修改為Enabled，對(duì)HDS 系統(tǒng)的影響也是非常小的，也不會(huì)對(duì)汽輪機(jī)的進(jìn)水保護(hù)產(chǎn)生影響。

對(duì)于方案二，對(duì)緊急疏水閥的指令函數(shù)FX 進(jìn)行優(yōu)化，即不改變PID 中的Hard Inhibit Behavior 參數(shù)配置，在線修改閥門指令上游的函數(shù)如圖6 所示，將0 ～4.999 范圍內(nèi)的閥位指令輸出100%指令維持閥門全關(guān)，該種方案能有效抑制0%～5%閥位的小幅波動(dòng)，即閥位指令大于95%時(shí)閥門不動(dòng)作。對(duì)于系統(tǒng)的影響分析，修改PID 出口的指令曲線閉鎖大于95%（對(duì)應(yīng)于5%閥位開度）的指令，對(duì)應(yīng)的流量?jī)H占緊急疏水閥的2.5%左右；另外，修改曲線后不影響PID 的響應(yīng)，雖然前5%指令不動(dòng)作，后面的95%因曲線的比例增益變大閥門會(huì)動(dòng)作更快，所以對(duì)緊急疏水閥的正常調(diào)節(jié)及疏水功能基本無影響，對(duì)疏水閥的疏水能力的影響也非常小，不會(huì)對(duì)汽輪機(jī)的進(jìn)水保護(hù)產(chǎn)生影響。

圖6 緊急疏水閥指令函數(shù)FX修改圖Fig.6 Modification diagram of emergency drain valve command function FX

圖7 修改Hard Inhibit Behavior配置后緊急疏水閥響應(yīng)仿真趨勢(shì)Fig.7 Simulation trend of emergency drain valve after modifying Hard Inhibit Behavior configuration

圖8 優(yōu)化指令函數(shù)FX后緊急疏水閥響應(yīng)趨勢(shì)Fig.8 Response trend of emergency drain valve after optimize instruction function FX

2.3 仿真與調(diào)試驗(yàn)證

對(duì)于方案一在實(shí)驗(yàn)室模擬現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際液位在±16mm 之間波動(dòng)，從仿真圖7 中可以看出，更改配置后緊急疏水閥指令在100%保持不變，只有當(dāng)液位值超過設(shè)定值100mm時(shí)，緊急疏水閥才會(huì)正常響應(yīng)，但是在實(shí)驗(yàn)室仿真時(shí)發(fā)現(xiàn)PID 中的Hard Inhibit Behavior 參數(shù)配置需要通過軟件下裝的形式進(jìn)行修改，無法在線下裝，需要控制器離線才能下裝，因控制器上帶的設(shè)備較多，在機(jī)組運(yùn)行期間整個(gè)控制器離線對(duì)電廠的安全運(yùn)行危害較大。

對(duì)于方案二可以在線修改緊急輸水閥的指令函數(shù)，對(duì)緊急疏水閥的指令函數(shù)FX 優(yōu)化方案進(jìn)行調(diào)試試驗(yàn)，從調(diào)試結(jié)果圖8 中可以看出，在機(jī)組正常運(yùn)行期間可以有效抑制緊急疏水閥因疏水器液位的小幅波動(dòng)導(dǎo)致的閥門頻繁動(dòng)作。

從以上驗(yàn)證結(jié)果可知，兩種方案都能解決緊急疏水閥的頻繁波動(dòng)問題，方案一能夠徹底解決緊急疏水閥受其設(shè)定值以下液位波動(dòng)的影響，且符合設(shè)計(jì)文件對(duì)緊急疏水閥控制功能和能力的要求，但目前機(jī)組處于功率運(yùn)行模式，執(zhí)行PID 的Hard Inhibit Behavior 參數(shù)修改風(fēng)險(xiǎn)較大，故先執(zhí)行方案二對(duì)指令函數(shù)FX 進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到抑制或者減緩閥門頻繁波動(dòng)的問題，等機(jī)組停下來之后再執(zhí)行方案一對(duì)PID 配置參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

3 結(jié)論

本文以某核電高加緊急疏水閥頻繁波動(dòng)問題為研究對(duì)象，提出針對(duì)此問題的解決方案，并經(jīng)仿真和調(diào)試驗(yàn)證通過此次優(yōu)化能有效解決緊急疏水閥頻繁波動(dòng)的問題，避免因閥門的頻繁波動(dòng)導(dǎo)致閥門損壞事件發(fā)生，進(jìn)而影響汽輪機(jī)的熱效率和產(chǎn)生汽輪機(jī)進(jìn)水的風(fēng)險(xiǎn)，因此該優(yōu)化方案能提高整個(gè)電廠的經(jīng)濟(jì)效益，保證機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行；同時(shí)，該優(yōu)化方案可以應(yīng)用到該機(jī)組其他23 個(gè)緊急疏水閥的控制邏輯上面，另外也為其他電廠解決緊急疏水閥頻繁波動(dòng)問題提供借鑒，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。