M310核電機組主給水泵調(diào)速優(yōu)化研究

龐 偉，池 通，胥敬德

（江蘇核電有限公司，江蘇 連云港 222000）

0 引言

M310核電機組配置3臺立式蒸汽發(fā)生器，共用給水母管，為實現(xiàn)3臺蒸發(fā)器液位控制解耦，設(shè)計有主給水流量調(diào)節(jié)閥開度控制和主給水泵轉(zhuǎn)速控制兩套系統(tǒng)。正常運行時，由主給水泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)維持主給水母管壓力穩(wěn)定，由主給水流量調(diào)節(jié)閥控制進入每臺蒸發(fā)器的給水流量。但是由于立式蒸發(fā)器橫截面小、液位運行區(qū)間窄，蒸發(fā)器液位波動導(dǎo)致停機停堆的事件仍然時有發(fā)生。因此，有必要對主給水泵調(diào)速方法進行優(yōu)化研究[1]。

1 M310主給水泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)原理

目前，國內(nèi)M310機組主要采用電-液位置控制VEHS和伺服電機控制KE1A兩種調(diào)速方案，兩種方案均由壓差調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、勺管位置調(diào)節(jié)3個閉環(huán)回路串級組成。

圖1 主給水泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)原理圖Fig.1 Schematic diagram of main feed water pump speed adjustment

1.1 采用電-液位置控制器（VEHS）的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)原理

該類型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)在新建核電機組得到大量應(yīng)用。由液力耦合器、電源系統(tǒng)、就地調(diào)速PLC、就地液晶操作顯示屏、VEHS（Voith Electro Hydraulic Positioning Controller）、轉(zhuǎn)速及反轉(zhuǎn)探頭、BALLUFF勺管位置傳感器等部分組成。

壓差調(diào)節(jié)回路原理如圖1所示。機組總蒸汽流量通過函數(shù)ARE405GD折算成汽水壓差設(shè)定值，ARE001/002/003MP取平均測得汽水壓差實測值，送入壓差調(diào)節(jié)器ARE410RG進行PID計算，輸出主給水泵轉(zhuǎn)速設(shè)定值。該調(diào)節(jié)回路內(nèi)有設(shè)定值站ARE410KU，用于手動設(shè)定汽水壓差定值。

轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)回路由就地PLC實現(xiàn)，PLC接收壓差調(diào)節(jié)器送出的轉(zhuǎn)速設(shè)定值信號及就地轉(zhuǎn)速探頭測得的轉(zhuǎn)速實測值信號，求偏差后經(jīng)內(nèi)部PID計算，并線性化處理，輸出勺管位置設(shè)定值。該調(diào)節(jié)回路內(nèi)有手操器，可以手動設(shè)定轉(zhuǎn)速定值。

當(dāng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)回路處于自動調(diào)節(jié)狀態(tài)時，轉(zhuǎn)速設(shè)定值的變化需通過斜坡轉(zhuǎn)化，避免大階躍擾動。當(dāng)處于備用狀態(tài)的主給水泵standby啟動時，自動切除斜坡轉(zhuǎn)化函數(shù)，投入快速啟動函數(shù)，保證備用泵及時帶載。PLC通過轉(zhuǎn)速設(shè)定值和實測值的偏差，自動調(diào)整PID參數(shù)，同時設(shè)置的線性化曲線能夠提高執(zhí)行機構(gòu)線性度，保障調(diào)節(jié)品質(zhì)。

勺管位置調(diào)節(jié)回路由就地的VEHS實現(xiàn)。VEHS是Voith公司生產(chǎn)的采用電磁工作原理的勺管位置控制器，安裝在主給水泵液力耦合器勺管控制機構(gòu)旁。VEHS接收來自調(diào)速PLC的勺管位置定值，以及BALLUFF勺管位置傳感器反饋的實測值，經(jīng)內(nèi)部PID電路運算，通過電磁力調(diào)節(jié)器控制4/3閥閥芯的位置，改變勺管活塞兩側(cè)腔室的充油量，帶動勺管移動，控制主給水泵轉(zhuǎn)速。

各調(diào)節(jié)回路設(shè)計了手自動無擾切換，自動模式下，手動設(shè)定值跟蹤調(diào)節(jié)器輸出；手動模式下，調(diào)節(jié)器輸出跟蹤手動設(shè)定值。進行模式切換時，設(shè)定值變化受到速率限制，不會發(fā)生大階躍。其中，速率限制的大小可以通過DCS組態(tài)修改。為了減小切換過程對機組的擾動，還需要選擇合適的切換點。

以2、3號泵停運，1號泵啟動后投自動為例：

1）啟泵后，APA101KU及APA001KU已置于手動模式，手動調(diào)整APA001KU到0%（對應(yīng)3950RPM）。

2）點擊APA101KC上的“RAISE”按鈕，逐步升轉(zhuǎn)速，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到3950RPM時，通過APA101KU將就地調(diào)速柜投自動。此時，就地調(diào)速柜內(nèi)的PLC開始工作，自動跟蹤APA001KU發(fā)出的手動轉(zhuǎn)速設(shè)定值。

3）調(diào)整APA001KU的手動轉(zhuǎn)速設(shè)定值，當(dāng)與APA002KU、APA003KU收到的自動轉(zhuǎn)速設(shè)定值基本一致時，將APA001KU投自動，完成整個調(diào)節(jié)系統(tǒng)手動模式向自動模式的切換。

以1、2號泵運行，1號泵切換至3號泵運行為例：

a）將APA003KU置于手動位置，調(diào)整手動轉(zhuǎn)速設(shè)定值到0%（3950RPM）。

b）將APA103KU置于手動位置，通過點擊APA301KC的“LOWER”按鈕，將勺管位置調(diào)節(jié)至最小后，啟動APA3號泵。

c）點擊APA301KC上的“RAISE”按鈕，逐步升轉(zhuǎn)速。d）轉(zhuǎn)速升至3950RPM后，將APA103KU置自動。

e）手動調(diào)節(jié)APA003KU，逐步升轉(zhuǎn)速。

f） 當(dāng)APA003KU的手動轉(zhuǎn)速設(shè)定值與APA001/002KU收到的自動轉(zhuǎn)速設(shè)定值基本一致時，將003KU置自動。

g）將APA001KU置手動，并逐步減小輸出，到輸出0%時，將APA101KU置手動。

h）通過APA101KC逐步降低1號泵轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速降到最低時，手動停泵。

1.2 采用伺服電機控制器（KE1A）的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)原理

該類型的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)在大亞灣、秦山二期等早期M310機組有應(yīng)用，它由S5控制器、勺管位置控制器KE1A及外圍繼電器控制電路等幾個部分組成。

其中，S5 PLC控制器主要實現(xiàn)自動模式下勺管位置設(shè)定值的計算，通過接收轉(zhuǎn)速設(shè)定值和轉(zhuǎn)速反饋值，經(jīng)PID運算，得到勺管位置設(shè)定值，并送到KE1A中。

圖2 主給水泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)柜原理圖Fig.2 Schematic diagram of the main feed water pump speed control cabinet

KE1A的工作模式分為自動和手動兩種。在自動模式下，KE1A接收從S5 PLC計算出來的勺管位置設(shè)定值，并與勺管位置傳感器的位置反饋信號比較，驅(qū)動勺管伺服電機，調(diào)整勺管的實際位置，從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。在手動模式下，KE1A接收從主控室送來的升降速命令，直接調(diào)整勺管位置。KE1A的功能類似于使用電-液位置控制器調(diào)速系統(tǒng)VEHS、S7和手自動切換繼電器。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)原理與采用VEHS的調(diào)速系統(tǒng)類似，不再贅述。

2 存在的典型問題

1）就地PLC控制柜一般安裝在汽輪機廠房主給水泵附近，環(huán)境溫度高、空氣濕度難以保證，目前各核電機組主要通過增加控制柜空調(diào)的方式解決。

2）部分核電機組PLC控制柜只設(shè)計了一路電源，供電可靠性不高。

3）VEHS電液調(diào)節(jié)與伺服電機調(diào)節(jié)比較，存在失電情況下，只能將勺管至于最小位置，導(dǎo)致主給水泵轉(zhuǎn)速突降為零，存在停機停堆風(fēng)險。

4）大部分M310機組主給水泵只配置一個或兩個轉(zhuǎn)速探頭，單一探頭故障就可能導(dǎo)致停機停堆。

5）大部分M310機組主給水泵只有一種手動升降轉(zhuǎn)速速率，每次點擊轉(zhuǎn)速變化50RPM～100RPM，導(dǎo)致手自動切換過程中轉(zhuǎn)速波動大。

3 改進方案

為避免上文的各項典型問題，筆者所在機組在設(shè)計初期就與廠家、設(shè)計院制定了一系列改進措施，包括：

1）增加冗余電源模塊，使用兩路不同的廠用電源供電。

2）增加冗余通訊模塊，提高與DCS的信號傳輸可靠性。

3）增加升降轉(zhuǎn)速速率選擇功能，當(dāng)選擇慢速檔位時，每次點擊轉(zhuǎn)速變化10RPM～20RPM。

4）配置3個轉(zhuǎn)速探頭，采用“三取中”控制模式。

5）增加勺管保位閥，失電時保持勺管位置不變，避免轉(zhuǎn)速突降。

國內(nèi)個別三十萬核電機組取消了就地調(diào)速柜內(nèi)用于轉(zhuǎn)速自動調(diào)節(jié)的PLC，保留手動調(diào)節(jié)PLC，在電站一層控制系統(tǒng)中增加勺管位置調(diào)節(jié)。自動模式時，就地PLC接收控制系統(tǒng)發(fā)出的勺管位置設(shè)定值，進行線性化處理，輸出勺管位置定值給VEHS。手動模式時，PLC直接接收升降勺管命令，并輸出到就地的VEHS，控制勺管位置。

該方案簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了設(shè)備可靠性，但是缺少轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)回路，沒有實現(xiàn)原有備用啟動時快速帶載和變PID調(diào)節(jié)的功能[2]，但其將就地PLC轉(zhuǎn)速控制功能向電站一層控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)化的思路值得借鑒。

利用DCS系統(tǒng)完整實現(xiàn)主給水泵調(diào)速功能，同時保證調(diào)節(jié)品質(zhì)和響應(yīng)能力不降低，應(yīng)當(dāng)是M310機組主給水泵調(diào)速進一步優(yōu)化的方向。

4 結(jié)束語

M310核電機組主給水泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)對機組安全穩(wěn)定運行至關(guān)重要，本文對國內(nèi)核電機組常用的幾種調(diào)速方式進行了分析比較，介紹了筆者所在機組已落實的改進和進一步優(yōu)化構(gòu)想，為后續(xù)機組的方案設(shè)計提供參考。