除氧器液位控制策略技術研究

李力

(國核電力規劃設計研究院，北京　100095)

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除氧器液位控制策略技術研究

李力

(國核電力規劃設計研究院，北京100095)

摘要：針對除氧器液位控制系統中存在的延遲特性、除氧器進出口的流量干擾等因素，結合單沖量和三沖量控制模式的優點，提出了基于除氧器液位信號，并以除氧器的流入量信號和除氧器的流出量信號作為物質平衡基礎的單沖量-三沖量復合控制策略，提出了基于不同負荷的控制模式切換方法和基于主凝結水流量的調節閥輸出控制方法。該控制策略克服了系統中的延遲特性和干擾問題，對負荷發生變化后能以較短的響應時間和較小的超調量使系統達到新的平衡，控制效果優于僅依靠液位信號進行控制的單沖量方法。

關鍵詞：除氧器液位;三沖量控制模式;模式切換;閥位輸出控制

0引言

不論在常規火電廠還是在核電廠中，除氧器液位都是機組運行的一個重要控制參數。但是由于除氧器液位控制系統存在較大的延遲特性,除氧器進口存在較多的進水流量來源以及除氧器出口給水流量隨著功率的變化而變化等特性，單純依靠除氧器液位信號對除氧器液位進行控制已不能滿足系統對穩定性、快速性和準確性的要求，往往會引起系統的調節時間過長、超調量過大，甚至振蕩。

本文以非能動安全先進核電廠AP1000的除氧器液位控制系統[1]為依托，在設計過程中根據機組不同的負荷采用不同的控制模式：單沖量控制模式和三沖量控制模式，并在控制模式切換過程中通過對凝結水主調節閥和凝結水副調節閥的輸出進行控制，從而避免除氧器液位出現劇烈波動，改善系統的動態性能。

1除氧器液位控制工藝系統構成及其特性

1.1系統構成

除氧器液位控制工藝系統主要由凝結水泵、凝結水主調節閥、凝結水副調節閥、低壓加熱器、除氧器、給水泵、高壓加熱器、蒸汽發生器、汽輪機、凝汽器、各水汽管道、流量儀表、液位儀表以及控制器等構成，如圖1所示。其中，凝結水由凝結水泵從凝汽器中引出，凝結水主調節閥和凝結水副調節閥根據除氧器液位信號、主凝結水流量信號和給水流量信號給出合適的閥門開度讓凝結水通過，從而維持除氧器液位在設定值附近，在經過低壓加熱器對凝結水加熱后進入除氧器對凝結水進行除氣和除氧，然后向給水泵提供符合化學特性要求的給水，通過高壓加熱器對給水進行加熱后進入蒸汽發生器，給水在蒸汽發生器中吸收來自核島的能量后轉變成蒸汽推動汽輪機發電，經過降熵后的蒸汽進入凝汽器冷凝后轉變成凝結水，這樣就完成一次大循環。

圖1　除氧器液位控制工藝流程示意

1.2系統特性

由于系統中給水、凝結水、疏水，特別是抽汽對除氧器液位的影響存在一定的延時性，給系統引入了較大的延遲特性，給控制帶來了困難。

另外，除氧器進口的流量來源比較復雜，它由很多部分組成。最大的組成部分是主凝結水流量，其他部分還包括高壓缸抽氣來、高壓加熱器(以下簡稱高加)疏水來、汽水分離再熱器疏水來、蒸汽發生器排污冷凝來等，這些流量來源有的是間歇式去除氧器的，有的是隨著負荷的變化而變化的，這些因素都給除氧器液位控制帶來了干擾。

在正常工況下，低壓加熱器的疏水匯集到凝結水管道，然后同凝結水一起進入除氧器。由于串級控制系統中副回路具有快速調節作用，能有效地克服發生于副回路的擾動影響[2]，因此，將凝結水流量儀表設置在除氧器的進口，使低壓加熱器的疏水包含在流量調節的副回路中。

由于給水流量較大，對除氧器液位的影響非常大，因此，提出采用前饋控制方式來改善給水流量變化對除氧器液位的影響。

2控制策略分析

2.1三冗余算法

除氧器液位控制系統中的除氧器液位儀表、主凝結水流量儀表以及給水流量儀表均采用三冗余儀表設置方案。若三冗余的每個儀表都處于有效信號，則采用中值選擇算法，每個儀表都將作為中值選擇算法的輸入值，算法的輸出為3個儀表中處于中間的信號值。若其中的一個儀表失效或其與中值選擇算法的輸出值偏差比較大時，需要把該測量通道在控制系統中解列出來，剩下2個儀表取平均后參與控制[3]。

2.2單沖量與三沖量控制模式及其切換方式

為了克服系統延遲特性、除氧器進出口流量干擾等因素給控制系統帶來的影響，提出了基于除氧器液位信號，以除氧器流入量信號和除氧器流出量信號作為物質平衡基礎的單沖量與三沖量控制策略[4]，并解決了在切換過程中的大擾動問題。除氧器液位控制邏輯如圖2所示。

圖2　除氧器液位控制邏輯

在單沖量控制模式下，來自除氧器液位三冗余算法的輸出值被用作調節凝結水主調節閥或凝結水副調節閥的唯一控制輸入值，以達到除氧器液位設定值。

單沖量調節器采用傳統數字PID控制器[5]，其原理可以表述為：除氧器液位誤差信號e(k)為PID控制器的輸入信號，u(k)為PID控制器的輸出信號，則有

在三沖量控制模式下，除氧器液位控制是基于除氧器液位信號，以除氧器的流入量信號和除氧器的流出量信號作為物質平衡基礎來實現的[6]。在AP1000機組中，它們是：除氧器液位三冗余算法的輸出值信號，去每臺蒸汽發生器給水流量之和并經過溫度、壓力補償的信號，經過校正后的主凝結水流量信號，其中被調節量是除氧器液位，擾動量是除氧器出口的給水流量，調節量是主凝結水流量。該控制策略由串級控制和前饋控制構成。其中，串級控制系統包含了主回路和副回路2個閉環控制回路。在主回路中，除氧器的實測液位與設定值進行比較，得到的液位誤差信號經過液位調節器進行運算，給出由于液位所計算出的主凝結水流量需求，同時前饋控制器根據給水流量信號計算出由于給水流量變化所需要補充的主凝結水流量需求，兩者相加得出總的主凝結水流量需求，并以此作為副回路中流量調節器的設定值。在副回路中，實測的主凝結水流量經過校正后與總的主凝結水流量需求比較，經過流量調節器進行運算，給出凝結水主流量的調節值，進而確定凝結水主調節閥或凝結水副調節閥的開度值，最終達到控制除氧器液位的目的。采用由除氧器進出口水流量的串級控制和前饋控制策略，比采用單純的根據除氧器液位的單沖量控制方法能夠更快地反映除氧器液位變化的趨勢。三沖量的引入提高了主凝結水流量的調節速度，但當除氧器液位與設定值偏差較大時，除氧器液位調節器將對整個除氧器液位控制系統起支配作用。

去每臺蒸汽發生器給水流量之和基本可以代表除氧器出口的流量。除氧器進口的流量比較復雜，因為它是由很多部分組成的，最大的組成部分是主凝結水流量，其他部分還包括高壓缸抽氣來、高加疏水來、汽水分離再熱器疏水來、蒸汽發生器排污冷凝來等，這些信號不可能都用來控制除氧器液位，但是一般情況下，這些流量與主凝結水流量呈一定的線性關系，因此可以對主凝結水流量進行校正，采用校正后的信號來代表除氧器進口的流量。三沖量控制模式結構如圖3所示。

圖3　三沖量控制模式結構

在啟動與低負荷情況下，由于給水與凝結水流量非常低而無法提供有效的流量測量信號，這時采用僅以除氧器液位信號為控制器輸入的單沖量控制模式。當流量達到全負荷給水流量某個百分比水平后，控制模式自動切換至三沖量控制模式。當給水流量降低至全負荷的另外一個百分比以下時，經過一段時間延遲后，控制模式自動切換回單沖量控制模式。時間延時的目的是防止單沖量與三沖量切換過程中出現的較大流量波動，從而防止除氧器液位的劇烈波動。同時采用閥位跟蹤技術：當控制系統處于單沖量控制模式時，三沖量的流量調節器的輸出跟蹤單沖量調節器的輸出；當控制系統處于三沖量控制模式時，單沖量調節器的輸出跟蹤三沖量的流量調節器的輸出。

2.3主副閥輸出控制策略

在啟動與低負荷情況下，采用凝結水副調節閥來進行流量調節，凝結水主調節閥這時保持關閉。當給水流量達到滿負荷的30%水平后，凝結水副調節閥將達到全開位置，這時控制系統將給凝結水主調節閥一個階躍的控制信號，令其打開至15%位置，該位置應在其允許的最小位置之上，防止流體對閥本體的侵蝕破壞。與此同時，凝結水副調節閥應部分關閉至40%位置，從而保證主凝結水流量在凝結水主調節閥開啟的前后維持在同一水平，避免除氧器液位的劇烈波動。隨后，在負荷繼續上升時，2個調節閥都將繼續打開，凝結水副調節閥由于其參數設置的比較快，將很快達到全開位置，之后控制系統主要由凝結水主調節閥來控制凝結水流量。同樣，在負荷降低時，當凝結水主調節閥的閥位接近其允許的最小位置附近并且凝結水副調節閥已經關閉到一個位置時，控制系統將讓凝結水主調節閥全關，同時打開凝結水副調節閥，保證主凝結水流量在凝結水主調節閥關閉的前后維持在同一水平，避免除氧器液位的劇烈波動。主副閥輸出控制曲線如圖4所示。

圖4　主副閥輸出控制曲線

3模擬機試驗

為了驗證除氧器液位控制效果，本文在某AP1000機組的模擬機上進行仿真驗證。本試驗以汽輪機快速甩負荷(FCB)工況為例，研究除氧器液位的變化是否在規定范圍，同時比較單沖量和單/三沖量控制模式對負荷擾動的控制效果。

當機組正常運行時，除氧器液位應維持在0.52 m附近，控制要求如下：量程范圍，-1.5～1.5 m；控制精度，0.03 m；超調量，0.15 m；低2設定值，-1.05 m；低1設定值，0.30 m；高1設定值，0.72 m；高2設定值，0.82 m；高3設定值，1.02 m。

當機組進行快速甩負荷試驗時，汽輪機負荷從100%額定負荷瞬時降至0%，然后維持在帶廠用電負荷5%額定負荷。這時主給水流量將快速下降，快速甩負荷時主給水流量變化曲線如圖5所示。主給水流量的快速下降將對除氧器液位帶來外部擾動，快速甩負荷時除氧器液位變化曲線如圖6所示。模擬試驗表明：

(1)采用單/三沖量控制策略時，超調量要小于采用單沖量控制策略；采用單/三沖量控制策略時，超調量為0.06 m，發生在快速甩負荷后70 s；采用單沖量控制策略時，超調量為0.28 m，發生在快速甩負荷后115 s，已經超出了控制要求的范圍，并且已達到高1設定值，這時除氧器放水閥將動作。

(2)采用單/三沖量控制策略時，過渡過程時間要小于采用單沖量控制策略；采用單/三沖量控制策略時，過渡過程時間為425 s；采用單沖量控制策略時，過渡過程時間為940 s。

圖5　快速甩負荷時主給水流量變化曲線

圖6　快速甩負荷時除氧器液位變化曲線

4結束語

單沖量-三沖量復合控制策略根據機組負荷的變化對2種控制模式進行切換，實現了2種控制模式的優勢互補。在負荷較低時，采用基于除氧器液位信號的單沖量控制模式能夠有效地避免由于負荷較低時所帶來的流量測量誤差。在負荷較高時，采用基于除氧器液位信號，并以除氧器的流入量信號和除氧器的流出量信號作為物質平衡基礎的三沖量控制模式能夠更迅速地反映除氧器液位變化的趨勢，提高了主凝結水流量的調節速度，保證了系統動態響應的快速性。基于不同負荷的控制模式切換方法和基于主凝結水流量的調節閥輸出控制方法避免了在控制模式和調節閥切換前后主凝結水流量的大擾動問題，從而大大降低了除氧器液位的劇烈波動。

參考文獻：

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(本文責編：白銀雷)

收稿日期：2015-08-21；修回日期：2016-01-28

中圖分類號：TP273;TK223.5+22

文獻標志碼：A

文章編號：1674-1951(2016)03-0010-04

作者簡介：

李力(1982—)，男，河南新鄉人，工程師，工學碩士，從事電廠自動化控制與智能控制等方面的工作(E-mail:lili@snpdri.com)。