核電機(jī)組主給水泵小流量再循環(huán)閥的研究

夏春雷

（中核核電運(yùn)行管理有限公司運(yùn)行三處，浙江 嘉興 314000）

0 引言

主給水系統(tǒng)（APA 系統(tǒng)）是核電站常規(guī)島二回路的重要系統(tǒng)，承擔(dān)著向蒸汽發(fā)生器提供給水的重要功能，而APA 泵則是主給水系統(tǒng)的核心，對(duì)整個(gè)核電站的安全、穩(wěn)定運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。

核電主給水泵的流量調(diào)節(jié)是隨蒸汽發(fā)生器的負(fù)荷而變化的，在啟動(dòng)時(shí)或在低負(fù)荷時(shí)，給水泵很可能在給水量很小或給水量為零的情況下運(yùn)行，給水在泵體內(nèi)長時(shí)間受葉輪摩擦生熱，使水溫升高，水溫升高到一定程度上會(huì)發(fā)生汽化，造成汽蝕，對(duì)給水泵造成損壞。為避免上述現(xiàn)象的發(fā)生，在給水泵出口至除氧器水箱之間設(shè)置了小流量再循環(huán)系統(tǒng)，在給水泵啟動(dòng)初期或給水流量極小的情況下，可打開再循環(huán)系統(tǒng)，將一部分給水引回至除氧器水箱，以確保有部分水量流過泵體，而不致使泵內(nèi)水溫過高造成汽化；當(dāng)給水流量處于正常情況下，再循環(huán)系統(tǒng)將關(guān)閉。

1 給水泵小流量再循環(huán)閥控制方法

再循環(huán)閥的控制方法一般分為開關(guān)式控制和連續(xù)式控制。

1.1 開關(guān)式控制

采用開關(guān)式控制，優(yōu)點(diǎn)在于控制簡單；主要缺點(diǎn)是開關(guān)式閥不能連續(xù)調(diào)節(jié)，開關(guān)閥門時(shí)會(huì)對(duì)主給水泵出口壓力和下游流量造成較大沖擊、擾動(dòng)。

1.2 連續(xù)式控制

為保證給水流量調(diào)節(jié)的穩(wěn)定及提高經(jīng)濟(jì)性，再循環(huán)閥控制也可以采用連續(xù)式控制，主要優(yōu)點(diǎn)是可實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)節(jié)，避免對(duì)下游造成流量擾動(dòng)；但控制相對(duì)較為復(fù)雜，多了一個(gè)控制環(huán)節(jié)。

再循環(huán)閥連續(xù)控制方法主要有單一曲線函數(shù)控制、PID 調(diào)節(jié)控制和回滯函數(shù)控制。

1.2.1 單一曲線函數(shù)控制

一個(gè)單一曲線函數(shù)F（x）， 由F（x）直接給出給水泵入口流量和再循環(huán)閥開度指令的關(guān)系曲線（閥門的開曲線和關(guān)曲線為同一條曲線）。 采用該控制方法在機(jī)組運(yùn)行過程中有可能閥門動(dòng)作頻繁， 幅度較大， 在閥門的開關(guān)瞬間會(huì)引起給水流量的大幅度波動(dòng)， 而流量的波動(dòng)又影響閥門的動(dòng)作， 既不利于給水泵的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行， 也會(huì)使整個(gè)給水系統(tǒng)震蕩。

1.2.2 PID 調(diào)節(jié)控制

PID 調(diào)節(jié)使用單沖量、 閉環(huán)反饋控制再循環(huán)閥，PID 調(diào)節(jié)器根據(jù)給水泵入口最小流量設(shè)定值與實(shí)際給水泵入口流量的偏差輸出再循環(huán)閥開度控制指令，從而實(shí)現(xiàn)最小流量的連續(xù)控制。 PID 調(diào)節(jié)器的控制方法簡潔明確， 但給水系統(tǒng)在不同的負(fù)荷區(qū)域時(shí)控制對(duì)象特性SG 負(fù)荷變化較大， 易使PID 調(diào)節(jié)器產(chǎn)生過調(diào)， 對(duì)給水系統(tǒng)擾動(dòng)較大。

1.2.3 回滯函數(shù)控制

根據(jù)制造廠提供的給水泵流量保護(hù)定值選擇再循環(huán)閥的關(guān)閉和開啟方向函數(shù)F1（x）和F2（x）， 隨著再循環(huán)流量的增加，F(xiàn)1（x）給定閥門關(guān)閉方向的開度；隨著再循環(huán)流量的減小， F2（x）給定閥門開啟方向的開度。 F1（x）與F2（x）之間的間隙區(qū)域表征了再循環(huán)閥關(guān)閉與開啟方向轉(zhuǎn)換過程中的間隙大小， 在該間隙范圍的流量變動(dòng)不改變閥門開度。 這樣， 相當(dāng)于給再循環(huán)閥的控制特性增加了具有非線性的間隙環(huán)節(jié)，間隙特性可消除流量測量誤差以及給水流量波動(dòng)對(duì)再循環(huán)閥控制的干擾。間隙特性環(huán)節(jié)是由F1（x）和F2（x）組成， 再循環(huán)閥開度指令在F1（x）與F2（x）以及上、下限所包圍的回滯帶區(qū)域內(nèi)隨流量變化， 間隙特性環(huán)節(jié)輸出閥門開度指令。

2 秦二廠1、2 號(hào)核電機(jī)組給水泵小流量再循環(huán)閥控制

2.1 小流量管線布置和設(shè)計(jì)（以A 泵為例）

每臺(tái)電動(dòng)主給水泵組設(shè)有一個(gè)最小流量系統(tǒng)，該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流量為每臺(tái)泵設(shè)計(jì)額定流量的27%（27%×2298.5 m3/h=620 m3/h ）。 最小流量系統(tǒng)的抽出點(diǎn)在壓力級(jí)泵出口止回閥的上游，在最小流量系統(tǒng)管線上裝有氣動(dòng)最小流量閥、隔離閥和一個(gè)減壓裝置（多級(jí)節(jié)流孔板）。可調(diào)節(jié)孔板裝在靠近除氧器處，使最小流量系統(tǒng)保持足夠的壓力，以避免發(fā)生閃蒸。 隔離閥裝在最小流量閥兩側(cè)，供維修最小流量閥時(shí)用。 最小流量系統(tǒng)管線將水排回除氧器（ADG 系統(tǒng)）。 為了控制最小流量閥，在前置泵出口和壓力級(jí)泵進(jìn)口之間連接管線中設(shè)有一套流量測量裝置。

2.2 小流量再循環(huán)閥控制

2.2.1 控制方法

小流量循環(huán)閥控制是通過跨接在前置泵和壓力級(jí)泵之間管線上的壓差表APA104MPd 送到001AR參與APA 106 VL 流量控制。 最小流量再循環(huán)閥的控制是完全獨(dú)立的雙位控制，是借助電磁閥操作的氣關(guān)式氣動(dòng)閥。 當(dāng)電動(dòng)主給水泵的轉(zhuǎn)速降低時(shí)，給水流量低于定值時(shí)差壓26.2IN.H2O（6.53 kPa）全開最小流量再循環(huán)閥。 當(dāng)電動(dòng)主給水泵停運(yùn)或跳閘時(shí)，也應(yīng)全開最小流量再循環(huán)閥。給水流量高于定值時(shí)差壓164IN.H2O（40.85 kPa）關(guān)閉最小流量再循環(huán)閥。

最小流量控制閥的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是泵組中唯一需要?dú)鈩?dòng)操作的設(shè)備。失去氣源將導(dǎo)致最小流量控制閥全開。失去220 V 交流電源使最小流量控制系統(tǒng)上的電磁閥不通電而使最小流量控制閥開啟。最小流量控制閥的關(guān)閉時(shí)間為3 秒。最小流量系統(tǒng)控制閥設(shè)有就地試驗(yàn)開啟和關(guān)閉的按鈕。

2.2.2 實(shí)際運(yùn)行中的運(yùn)用

當(dāng)汽輪機(jī)升負(fù)荷時(shí)，主給水泵開始按負(fù)荷要求向蒸汽發(fā)生器供水。 再循環(huán)閥是一個(gè)氣動(dòng)隔離閥，它被設(shè)計(jì)成根據(jù)泵的運(yùn)行流量自動(dòng)控制，在泵運(yùn)行流量低時(shí)開啟確保泵的最小運(yùn)行流量；流量增加后再循環(huán)閥關(guān)閉以降低泵運(yùn)行電流。 控制方式見圖1。

在向蒸汽發(fā)生器供水以前， 給水調(diào)節(jié)閥關(guān)閉，再循環(huán)流量為泵設(shè)計(jì)流量的27%（620 m3/h）， 返回至除氧器。 為響應(yīng)蒸汽發(fā)生器的需求，給水調(diào)節(jié)控制閥開始開啟，泵運(yùn)行流量為引漏流量（27%設(shè)計(jì)流量）和進(jìn)入兩臺(tái)蒸汽發(fā)生器流量的總和。

圖1 再循環(huán)閥控制

隨著負(fù)荷上升，泵的運(yùn)行流量隨之上升，再循環(huán)閥的控制如下：

在啟動(dòng)時(shí)， 再循環(huán)閥開啟， 并在泵流量超過67.4%泵額定流量（1 549 m3/h）前保持開啟；在泵流量達(dá)到67.4%泵額定流量時(shí)，再循環(huán)閥關(guān)閉，泵流量降至40.4%泵額定流量（929 m3/h）；再循環(huán)閥關(guān)閉后，蒸汽發(fā)生器流量需求的增加由相應(yīng)增加泵流量來滿足。

隨著負(fù)荷下降，泵的運(yùn)行流量隨之下降，再循環(huán)閥的控制如下：

再循環(huán)閥在泵流量接近27%設(shè)計(jì)流量前保持關(guān)閉；泵流量達(dá)到27%泵額定流量時(shí)，再循環(huán)閥開啟，泵流量增加到54%泵額定流量（1 240 m3/h）；再循環(huán)閥開啟后，蒸汽發(fā)生器需求的任何減少由泵流量相應(yīng)的減少來滿足。 當(dāng)泵運(yùn)行流量達(dá)到27%泵額定流量時(shí)，全部給水流量都通過再循環(huán)閥輸送至除氧器。

3 二廠1、2 號(hào)機(jī)組給水泵小流量再循環(huán)閥的不足

由于二廠1、2 號(hào)機(jī)組給水泵小流量再循環(huán)閥采用開關(guān)式控制，設(shè)計(jì)要求再循環(huán)閥關(guān)閉時(shí)間＜3 s，由于關(guān)閉時(shí)間短，調(diào)節(jié)系統(tǒng)無法及時(shí)響應(yīng)，導(dǎo)致擾動(dòng)。

3.1 滿負(fù)荷下小流量閥的突然動(dòng)作產(chǎn)生的影響（模擬機(jī)試驗(yàn)）

初始參數(shù)：電功率650 MW，APA 的A、B 泵運(yùn)行。A 泵轉(zhuǎn)速5 275 r/min，出口壓力8.65 MPa，給水流量1 923 m3/h，ARE031VL 開 度35%，ARE242VL 開 度100%，A 泵小流量循環(huán)閥APA106VL 關(guān)閉。 B 泵轉(zhuǎn)速5 307 r/min，出口壓力8.63 MPa，給水流量1 935 m3/h，ARE032VL 開度32%，ARE243VL 開度100%，B 泵小流量循環(huán)閥APA206VL 關(guān)閉。

在滿負(fù)荷下，如果開啟APA106VL，兩臺(tái)泵流量都漲到2 200 m3/h， 轉(zhuǎn)速上升到5 600 r/min 左右，出口壓力略有下降，降為8.5 MPa 左右，ARE031/032VL開度上升10%。 2 臺(tái)SG 水位波動(dòng)很小， 自動(dòng)控制穩(wěn)定。 由此可見，滿負(fù)荷下APA106VL 由關(guān)閉位置突然全開， 雖然會(huì)造成兩臺(tái)泵轉(zhuǎn)速上升到極限， 但是ARE031、032VL 開度還有余量，所以可以自動(dòng)完成調(diào)節(jié)功能。 但是，在這種情況下如果把APA106VL 突然關(guān)閉，對(duì)SG 水位影響較大，SG 水位最高到0.32 m 左右， 雖然距離0.84 m 還有一定裕量， 但是要引起重視，如果調(diào)節(jié)不過來可以手動(dòng)干預(yù)。

3.2 實(shí)際機(jī)組中小流量循環(huán)閥異常動(dòng)作產(chǎn)生的影響

3.2.1 209 大修中APA 小流量閥門的異常動(dòng)作

在209 大修后機(jī)組升負(fù)荷過程中APA 小流量閥門動(dòng)作異常， 當(dāng)小流量閥門關(guān)閉時(shí)，APA 泵出口壓力增加，汽水母管壓差增加，給水流量增加，SG 水位上漲，隨后ARE401RC 輸出減小，保持汽水母管壓差穩(wěn)定，ARE 給水閥門也會(huì)動(dòng)作。隨著APA 小流量閥門的關(guān)閉，APA 泵的流量由67.4%下降為40.4%， 實(shí)際機(jī)組上由于APA 泵流量計(jì)的沖水排氣不充分或是定值的偏移，小流量閥門關(guān)閉之后很快就重新開啟，甚至在小流量閥門未全關(guān)之前就已經(jīng)重新開啟了，對(duì)APA泵的電流、 出口壓力、ARE 給水流量和SG 水位都會(huì)產(chǎn)生一點(diǎn)的影響，同時(shí)，APA 泵的振動(dòng)也波動(dòng)較大，與小流量閥門的頻繁動(dòng)作有一定的關(guān)系。以上現(xiàn)象在機(jī)組升至滿功率之后依然存在， 聯(lián)系儀控對(duì)APA A 泵的流量計(jì)進(jìn)行沖水排氣后APA 106VL 完全關(guān)閉，不再頻繁開關(guān)。

3.2.2 2004 年再循環(huán)閥開關(guān)造成系統(tǒng)擾動(dòng)的事件

2004 年3 月19 日20:30,機(jī)組剛并網(wǎng)后升負(fù)荷并穩(wěn)定在90MWe，發(fā)現(xiàn)兩臺(tái)SG 水位在周期性的波動(dòng)，同時(shí)發(fā)現(xiàn)主蒸汽壓力，控制棒上下波動(dòng)，控制棒振幅在正負(fù)5～7 步， 一回路熱功率波動(dòng)范圍在430～500MWt 左右。 為了分析原因，控制棒放手動(dòng)，給水泵壓差控制投手動(dòng)、轉(zhuǎn)速控制放手動(dòng)，關(guān)閉大閥隔離閥，小閥放手動(dòng)，發(fā)現(xiàn)波動(dòng)依舊，決定汽機(jī)升功率，升功率到100MWe 后，情況也未有改善，然后降功率到60MWe，給水流量振幅減少，一回路控制棒也趨于穩(wěn)定。

后經(jīng)技術(shù)分析， 為2APA102PO 再循環(huán)閥106VL恰好在動(dòng)作流量范圍，106VL 關(guān)閉后主給水泵流量降低， 到達(dá)106VL 開啟定值，106VL 開啟后主給水泵流量上升， 導(dǎo)致106VL 開啟，106VL 頻繁開關(guān)導(dǎo)致主給水泵出口壓力波動(dòng)、影響給水流量，給水流量波動(dòng)大在低負(fù)荷下給水溫度低導(dǎo)致主系統(tǒng)平均溫度波動(dòng)，導(dǎo)致控制棒動(dòng)作，影響反應(yīng)堆熱功率。

4 結(jié)論

（1）在滿負(fù)荷下，一個(gè)再循環(huán)閥的突然開啟對(duì)機(jī)組穩(wěn)定性影響較小，水位控制系統(tǒng)的自動(dòng)動(dòng)作能保證兩臺(tái)SG 的穩(wěn)定。 但是汽水壓差達(dá)不到整定值，APA的高速滿負(fù)荷運(yùn)行可能也會(huì)對(duì)泵產(chǎn)生一定的影響。而滿負(fù)荷情況下小流量閥從全開至全關(guān)影響較大，SG水位波動(dòng)明顯。

（2）由于核電廠不參與調(diào)峰，所以一般不在低負(fù)荷下運(yùn)行。 但是如果有需要，最好不要在小流量閥動(dòng)作的功率平臺(tái)停留， 以免小流量閥頻繁動(dòng)作對(duì)SG 水位產(chǎn)生影響。 特別是在升降負(fù)荷期間，對(duì)小流量閥的動(dòng)作也要加強(qiáng)關(guān)注，確保其動(dòng)作正常。

（3）APA 泵的流量計(jì)出現(xiàn)充水排氣不充分的現(xiàn)象會(huì)對(duì)小流量閥門的控制造成影響，遇到此情況應(yīng)該立即聯(lián)系儀控對(duì)表計(jì)進(jìn)行充水排氣。從流程圖上可以看出，參與小流量閥門控制的流量計(jì)在外側(cè)，可能由于管線較長或者彎頭較多沖水排氣不充分，可以考慮將該流量改造到盡量靠近管道。 另外，也可以參考3、4號(hào)機(jī)組增加小流量閥的控制儀表，增加穩(wěn)定性，減小漂表風(fēng)險(xiǎn)。

總之，小流量閥開關(guān)式控制的擾動(dòng)較大，不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。 可以將再循環(huán)閥更改為調(diào)節(jié)閥，在給水泵總流量上升后，逐步關(guān)閉，以達(dá)到無擾控制的目的。 但是當(dāng)出現(xiàn)大幅度甩負(fù)荷工況時(shí)，主給水流量大幅度下降。 為避免再循環(huán)閥調(diào)節(jié)響應(yīng)的滯后性，可以設(shè)置低流量超馳開啟功能，這樣可以避免主給水泵在零流量工況下運(yùn)行。