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

（中核集團三門核電有限公司，浙江 臺州 317112）

0 引言

某核電疏水排氣系統(tǒng)（以下簡稱HDS）主要在凝結水系統(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，與凝結水系統(tǒng)及主蒸汽系統(tǒng)配合達到防止汽輪機進水和提高汽輪機熱效率的目的[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，單臺機組共有24 個同類型的緊急疏水閥。汽輪機正常功率運行情況下疏水逐級流入下級加熱器再利用，降低汽輪機熱量的損失，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，對汽輪機葉片等設備造成損害[2]。

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

1 技術背景

1.1 控制原理

從電廠啟動開始，HDS 即自動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 個液位變送器中選實時測量液位，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自流到下級加熱器的疏水管路，機組運行期間加熱器疏水器通過正常疏水閥控制逐級自流到下級疏水器，當疏水不暢導致疏水液位高時，緊急疏水閥動作以維持液位在設定值范圍。

圖2 為高加疏水器的液位設計圖，疏水器液位的控制邏輯是基于Ovation 平臺實現(xiàn)的，液位控制范圍設計為-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）的設定值為+150mm。當達到高液位定值后會聯(lián)鎖上游疏水閥關閉使加熱器隔離，同時聯(lián)鎖到疏水器的抽汽逆止閥關閉停止抽汽，高高（HHWL）液位定值為+900mm；當達到高高液位定值后會進一步聯(lián)鎖關閉抽汽電動截止閥，防止疏水器中的水進入汽輪機，對汽輪機造成損害[3]。

1.2 故障現(xiàn)象

某核電在2020 年4 月份功率運行期間，發(fā)現(xiàn)7 號高加緊急疏水閥氣動執(zhí)行機構頻繁充排氣，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%（對應閥位在0%～3.7%）左右頻繁波動，且該情況自運行以來一直存在，繼續(xù)排查機組的其他緊急疏水閥，確認存在相同的問題，其開度指令信號均在小開度范圍波動，但由于定位器對小開度信號響應靈敏度的不同，僅部分閥門出現(xiàn)頻繁開啟、關閉的波動現(xiàn)象；2020 年8 月，現(xiàn)場人員發(fā)現(xiàn)7 號高加緊急疏水閥氣動頭異常，進一步確認發(fā)現(xiàn)，該緊急疏水閥連接螺栓松脫、氣動執(zhí)行機構傾斜，氣動頭與執(zhí)行機構基座上共有8 顆螺栓斷裂了5 顆，僅靠剩余3 顆螺栓受力，閥門出現(xiàn)嚴重損壞。

圖2 高加疏水器液位設計圖Fig.2 Pressure heater drainage flow chart

圖3 7號高加緊急疏水閥響應趨勢Fig.3 Response trend of 7 HP heater emergency drain valve

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

1.3 原因分析

查看設計文件，里面對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設置目的就是緊急疏水閥只有在正常疏水閥全開達到最大疏水能力后，緊急疏水閥才會起作用，而目前現(xiàn)場高加正常疏水閥在中間開度調(diào)節(jié)時，緊急疏水閥卻在頻繁的波動，這種情況是不符合設計文件要求的。

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)液位長期在±16mm 左右波動，液位的波動經(jīng)過PID 運算后會使緊急疏水閥指令在95.9%～100%（對應閥位為0%～4.1%）之間波動，因此導致閥門頻繁動作的原因可能有兩方面：其一，疏水器正常疏水閥PID 參數(shù)配置不合適導致；其二，緊急疏水閥自身PID 參數(shù)設置不合理導致。

圖4 7號高加緊急疏水閥響應歷史趨勢Fig.4 Response history trend of 7 HP heater emergency drain valve

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

為確認其根本原因，在機組正常運行期間對高加正常疏水閥PID 參數(shù)進行調(diào)整，進行小幅調(diào)整后觀察發(fā)現(xiàn)高加疏水器液位波動與之前相比無明顯變化，緊急疏水閥指令仍在96.1%～100%（對應閥位在0%～3.9%）之間頻繁不動，趨勢圖如圖5 所示。另外，高加疏水器液位的波動相比其他高加疏水器液位波動稍大，但是該液位波動經(jīng)過機組甩負荷、階躍降功率等驗證性試驗能夠滿足機組設計要求，故排除正常疏水閥PID 參數(shù)配置不合適的原因導致緊急疏水閥頻繁動作。繼續(xù)檢查緊急疏水閥邏輯參數(shù)，確認PID 算法中存在Hard Inhibit Behavior 一項參數(shù)配置為Disabled，在西門子、施耐德PLC 的PID 算法都沒有這個參數(shù)，只有Ovation 的PID 算法里面有這個參數(shù)配置，該參數(shù)的解釋如下：配置為Enabled 時，當PID 輸出達到輸出限值時會維持在輸出限值不變，只有當輸入偏差反向后，閥門輸出才會相應改變；配置為Disabled，當PID 輸出達到輸出限值時，只要偏差的變化方向是使PID 離開限值位置，閥門輸出就會改變，也就是說液位快速從0mm 漲到10mm 時，即使離設定值100mm 還有比較遠的距離，但閥門也會小幅打開，故確認緊急疏水閥波動的原因為緊急疏水閥邏輯參數(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是由于緊急疏水閥PID 參數(shù)配置不合適導致，為減少緊急疏水閥的頻繁波動，延長閥門的使用壽命，避免因閥門頻繁動作導致的故障造成汽輪機熱量損失，給機組的安全經(jīng)濟運行帶來隱患，故提出以下兩種方案對高加緊急疏水閥的控制邏輯參數(shù)進行優(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，對緊急疏水閥的指令函數(shù)FX 進行優(yōu)化。

2.2 可行性分析

對于方案一， 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PID 輸出達到輸出限值時會維持在輸出限值不變，只有當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發(fā)生變化，閥門才會動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于液位的響應，可能會導致疏水器液位上漲的程度要高于未修改該配置的液位，然而在設計文件中明確了為避免疏水器中的水進入汽輪機的主要防御措施是靠兩級聯(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一步上漲觸發(fā)加熱器隔離而影響汽輪機的熱效率，另外從疏水器液位設計圖可以看出，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計是很保守的，即使把PID 中的Hard Inhibit Behavior 參數(shù)配置修改為Enabled，對HDS 系統(tǒng)的影響也是非常小的，也不會對汽輪機的進水保護產(chǎn)生影響。

對于方案二，對緊急疏水閥的指令函數(shù)FX 進行優(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，該種方案能有效抑制0%～5%閥位的小幅波動，即閥位指令大于95%時閥門不動作。對于系統(tǒng)的影響分析，修改PID 出口的指令曲線閉鎖大于95%（對應于5%閥位開度）的指令，對應的流量僅占緊急疏水閥的2.5%左右；另外，修改曲線后不影響PID 的響應，雖然前5%指令不動作，后面的95%因曲線的比例增益變大閥門會動作更快，所以對緊急疏水閥的正常調(diào)節(jié)及疏水功能基本無影響，對疏水閥的疏水能力的影響也非常小，不會對汽輪機的進水保護產(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仿真趨勢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后緊急疏水閥響應趨勢Fig.8 Response trend of emergency drain valve after optimize instruction function FX

2.3 仿真與調(diào)試驗證

對于方案一在實驗室模擬現(xiàn)場實際液位在±16mm 之間波動，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，只有當液位值超過設定值100mm時，緊急疏水閥才會正常響應，但是在實驗室仿真時發(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，因控制器上帶的設備較多，在機組運行期間整個控制器離線對電廠的安全運行危害較大。

對于方案二可以在線修改緊急輸水閥的指令函數(shù)，對緊急疏水閥的指令函數(shù)FX 優(yōu)化方案進行調(diào)試試驗，從調(diào)試結果圖8 中可以看出，在機組正常運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導致的閥門頻繁動作。

從以上驗證結果可知，兩種方案都能解決緊急疏水閥的頻繁波動問題，方案一能夠徹底解決緊急疏水閥受其設定值以下液位波動的影響，且符合設計文件對緊急疏水閥控制功能和能力的要求，但目前機組處于功率運行模式，執(zhí)行PID 的Hard Inhibit Behavior 參數(shù)修改風險較大，故先執(zhí)行方案二對指令函數(shù)FX 進行優(yōu)化，以達到抑制或者減緩閥門頻繁波動的問題，等機組停下來之后再執(zhí)行方案一對PID 配置參數(shù)進行優(yōu)化。

3 結論

本文以某核電高加緊急疏水閥頻繁波動問題為研究對象，提出針對此問題的解決方案，并經(jīng)仿真和調(diào)試驗證通過此次優(yōu)化能有效解決緊急疏水閥頻繁波動的問題，避免因閥門的頻繁波動導致閥門損壞事件發(fā)生，進而影響汽輪機的熱效率和產(chǎn)生汽輪機進水的風險，因此該優(yōu)化方案能提高整個電廠的經(jīng)濟效益，保證機組的安全穩(wěn)定運行；同時，該優(yōu)化方案可以應用到該機組其他23 個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問題提供借鑒，具有廣泛的應用價值。