“華龍一號”汽輪機旁路系統大氣排放閥控制系統的優化

鄭時波，張慶國，張鈞浩

（中國核電工程有限公司 華東分公司，福建 福清 350318）

反應堆功率不能像汽輪發電機負荷那樣快速地改變。在汽機負荷發生大幅度下降時汽機旁路系統（TSC和TSA）將主蒸汽直接排放到凝汽器和除氧器或者排放到凝汽器和大氣中，從而為反應堆提供一個“人為”的負荷降低核蒸汽供應系統（NSSS）中溫度和壓力的瞬態變化幅度。汽機旁路系統大氣排放閥用于控制二回路的主蒸汽壓力。被控量為二回路主蒸汽壓力，其設定值分為內部設定值和外部設定值；外部設定值由運行人員根據機組狀態設定；內部設定值為固定值（7.75 MPa）[1]。在汽機旁路系統大氣排放閥模擬驗證過程中通過模擬設定值與測量值的偏差能夠實現閥門的開關，但在驗證過程中發現在實測值大于設定值范圍內減小實測值時閥門會關一下，然后慢慢開到100%存在一個擾動現象。在實測值小于設定值范圍內增大實測值時閥門會打開然后會慢慢關閉，存在隨實測值增大閥門會提前動作的現象。以上兩種現象與設計不符，尤其是第二種現象在設定值由內部給定值模式切換到外部給定值模式時設定值會跟蹤當前實測值即主蒸汽壓力次高值導致閥門開閥，不能實現無擾切換。此外該系統所有的大氣排放調節閥在 BUP模式下由內給定值模式切換到外給定值模式時，設定值會變為上一次的外給定值無法實現無擾切換。以上兩種情況均會在機組正常運行期間系統正常操作時可能導致閥門異常開閥，誤觸發機組安全動作影響機組穩定運行。

1 PI控制問題導致閥門異常開關的原因分析及解決方法

1.1 PI控制問題導致閥門異常開關原因分析

汽輪機旁路系統大氣排放發閥（TSA）的調節與控制主要通過PI控制來進行，該系統的控制組態在安全級DCS系統平臺中實現。其中P部分為比例部分，通過設定值與實測值的差值作為偏差（Xw）乘以比例系數（KP）從而輸出閥門開度。I部分為積分部分，通過設定值與實測值的差值作為偏差（Xw）乘以掃描周期（Tcyc）除以積分時間（TR）再乘以比例系數后加上一個掃描周期（Tcyc）之前的積分部分閥門開度從而輸出積分部分最終的閥門開度，積分部分的閥位開度在一定范圍內是不斷地累加的。閥門閥位最終輸出為P部分和I部分的輸出閥位相加（PI計算公式如下）。

因此驗證過程中發現如果設定值與實測值偏差較大（偏差絕對值Xw＞0.19 MPa）閥門會迅速地全開或全關，此時主要是PI控制的比例部分起作用（比例系數K=-526 %/MPa），當設定值與實測值偏差較小（偏差絕對值Xw＜0.19 MPa）時PI控制的比例部分會瞬間給閥門一個開度，然后由于模擬驗證過程中偏差一直存在，積分部分會持續累加一個與比例部分開關閥方向相同的閥門開度會使閥門慢慢地到全開或全關，此過程符合PI控制的原理。

通過模擬驗證時在組態圖中將P部分和I部分的閥位輸出數值分別記錄發現當設定值設為7.75 MPa實測值為7.77 MPa時P部分輸出的閥位在 6.75%左右I部分輸出的閥位在持續增加至 93.25%左右后停止，閥門最終輸出為100%與期望值一致。然而當設定值為7.75 MPa實測值改為7.75 MPa時P部分輸出的閥位瞬間變為為 0%部分的閥位輸出保持之前的 93.25%左右不動，因為此時設定值與實測值的偏差為0，I部分的閥位輸出不再變化此時閥門最終輸出為93.25%，因此閥門會從100%關到93.25%后不動與期望值不一致。若設定值維持7.75 MPa不變，以上實測值從7.77 MPa改到大于7.75 MPa的任一數值閥門最終輸出會有一個關閥動作然后由于偏差Xw不為 0，I部分的閥位輸出會緩慢增加到閥門最終輸出100%為止，由于P部分因偏差存在有閥位輸出，I部分的閥位輸出將會停止在93.75%～100%，整個過程中閥門會存在一個由關到全開的擾動與期望值不一致。

同樣當設定值為7.75 MPa實測值為7.74 MPa時P部分的閥位輸出在-5%左右I部分的閥位輸出會由之前的 93.5%緩慢降到 5%左右后停止，閥門最終輸出為0%與期望值一致。而在設定值為 7.75 MPa不變將實測值由 7.74 MPa改為7.75 MPa時P部分的閥位輸出瞬間變為0%由于偏差為0此時I部分會保持在5%左右停止閥位最終輸出為 5%，若設定值保持 7.75 MPa不變實測值由7.74 MPa改為7.74～7.75 MPa由于偏差Xw不為零閥門會有一個小的開度（小于5%）然后再關閉，整個過程表現為實測值在小于設定值閥位內增加時閥門會異常開啟（具體驗證情況見表1）。

表1 5TSA系統修改前PI控制驗證情況Table 1 PI control verification before modification of the 5TSA system

綜上所述導致實測值在大于設定值范圍內減小時閥門會有一個關的擾動以及實測值在小于設定值范圍內增大時閥門會異常開啟的原因在于當設定值與實測值的偏差一直存在時閥門PI控制中的積分部分（I）的閥位輸出由于比例部分（P）的存在不能到 0%或 100%，經核實組態圖發現切除積分使積分部分閥位輸出停止的邏輯為PI控制輸出的閥位下限0%和閥位上限100%。

1.2 PI控制問題導致閥門異常開關的解決方法

根據上述原因分析，為消除設定值與實測值的偏差變化時閥門異常動作的影響制定的解決方法有如下幾點。

（1） 對已經運行機組的汽機旁路系統大氣排放閥的功能圖進行分析，借鑒同類電廠該問題的處理方法。通過運用SIVAT模擬軟件對已運行機組的組態圖進行制圖后驗證，發現當設定值與實測值偏差一直存在且當偏差Xw為正值時PI控制輸出降到 0%后會有一個低限輸出邏輯到PI控制的I部分使I部分的輸出置0然后通過模擬使設定值與實測值偏差為0，此時P部分的閥位輸出為0%，I部分的閥位輸出保持之前的0%不變閥位最終輸出為0%沒有異常開閥動作或異常擾動，在設定值由內給定值模式切換到外給定值模式后閥門也不會突開能夠實現無擾切換。當模擬設定值與實測值偏差一直存在且偏差一直為負值（偏差絕對值Xw＜0.19 MPa）時閥門緩慢開到100%，然后模擬偏差為 0后閥門仍然會有一個關閥動作，原因與上面的描述一致，即閥門開到100%后I部分的閥位輸出沒有到100%就提前停止。因核電廠在正常運行中汽機旁路系統大氣排放閥一直處于關閉狀態只有在主蒸汽壓力高于設定值時才會開閥，在閥門全開時的關閥擾動對機組影響不大且閥門很少會出現全開的情況，此條與預期不一致的閥門動作可持保留意見（驗證情況見表2）。

表2 同行電廠GCT-A系統PI控制驗證情況Table 2 PI control verification of the GCT-A system in similar power plants

（2） 由于已經分析清楚閥門異常動作的原因，經過討論方案定為在PI控制器的I部分的閥位輸出處增加低限LL= 0%和高限UL= 100%的限制模塊并將觸發這兩個限值的邏輯引到停止積分處同時刪除原PI控制輸出的低限和高限到停止積分處的邏輯，考慮到手自動切換時由于積分作用的干擾會存在一個很小的擾動，將閥門切手動狀態的邏輯也引到了停止積分功能處。

通過運用SIVAT模擬軟件對修改的組態進行DCS下裝前模擬，設定值在內外給定值模式相互切換時能夠實現無擾，設定值與實測值偏差按照編好的程序在各種情況下模擬時閥門動作與預期一致閥門在手自動切換過程中能夠實現無擾切換（修改后的PI控制組態圖見圖1）。

圖1 修改后的5TSA系統PI控制組態圖Fig.1 Modified configuration of PI control of the 5TSA system

2 切BUP模式后閥門內外給定值模式無法實現無擾切換的原因分析及解決方法

2.1 切 BUP模式后閥門內外給定值模式無法實現無擾切換的原因分析

根據設計文件汽機旁路系統大氣排放閥要求在 IIC模式下內外給定值模式切換、閥門手自動切換，BUP模式下內外給定值模式切換、閥門手自動切換，IIC模式與BUP模式相互切換，DAS模式與RPS模式相互切換時均需實現無擾切換，即切換時閥門不能夠動作。經過對以上切換逐一驗證，發現當閥門切換至BUP模式后設定值由內給定值模式（7.75 MPa）切換至外給定值模式時設定值不能跟蹤主蒸汽壓力次高值，這種情況會導致切換時閥門異常動作不能實現無擾切換。經過進一步驗證和對組態圖進行分析，發現當閥門切換至BUP模式后且設定值在內給定值模式時從非安全級機柜（NC）到安全級機柜（1E）的主蒸汽壓力次高值信號會被BUP控制信號切掉然后保留切換時的主蒸汽壓力次高值，此時設定值跟蹤的不是實時的主蒸汽壓力次高值，所以設定值由內給定值模式切換至外給定值模式后設定值會變為BUP切換時的主蒸汽壓力次高值，這種情況可能會導致閥門動作無法實現無擾切換存在閥門異常動作的風險。

2.2 切 BUP模式后閥門內外給定值模式無法實現無擾切換的解決方法

根據2.1的原因分析結合組態內SPG模塊的特性，為實現切BUP模式后閥門由內給定值模式切換到外給定值模式時能夠實現無擾切換制定了以下方案：

在組態圖中增加兩個選擇塊，均由BUP控制信號進行切換。對于第一個選擇模塊，當BUP控制信號不存在時選擇模塊選擇之前已有的IIC信號通道，當BUP控制信號存在時選擇增加的主蒸汽壓力次高值信號作為內給定值模式下設定值的跟蹤值。對于第二個選擇塊，當BUP控制信號不存在時選擇模塊選擇之前已有的給定值控制通道，當BUP控制信號存在時也選擇給定值控制通道，但是由于SPG模塊在給定值信號為1即為外給定值模式時會閉鎖BUP盤臺上設定值的加減信號，所以需在BUP控制信號存在時選擇塊選擇的給定值控制信號上增加一個1 s的脈沖塊。這樣當切到BUP模式后閥門設定值模式由內給定值模式切換的外給定值模式時設定值會跟蹤實時的主蒸汽壓力值，此時閥門不會動作，1 s后便可以通過 BUP盤臺上對應設定值的加減按鈕根據需要改變設定值，這樣既實現了BUP模式下內給定模式切到外給定值模式時的無擾切換又保證了切到外給定值模式后BUP能夠根據需要改變設定值（修改情況見圖2）。

圖2 修改后的5TSA系統內外給定值切換組態圖Fig.2 Modified configuration of switching between internal and external given values in the 5TSA system

3 異常情況下系統的功能優化

3.1 設定值和實測值失效時閥門的動作分析及存在缺陷

汽機旁路系統大氣排放閥通過設定值和實測值的偏差來實現閥門的開關從而達到對主蒸汽壓力的控制，即主蒸汽壓力在一定范圍內是跟隨設定值的變化而變化的。以上過程要求閥門是在自動的情況下實現的即閉環控制。由于信號通道故障或機柜失電等其他因素的影響，當閥門的設定值或實測時失效時閥門的狀態將會出現不確定性從而影響機組的安全。通過對優化前的組態進行分析發現以下問題。

（1） 當設定值失效時設定值會保持失效前的值不變，此時將無法通過改變設定值來控制主蒸汽壓力或一回路溫度并且設定值失效時沒有相關報警或提示，會影響操作員對系統的即時干預。

（2） 當實測值失效時實測值會保持失效前的值不變不能跟蹤實時的主蒸汽壓力值，當實時主蒸汽壓力下降后操作員更改設定值減小時閥門可能會誤開可能會觸發機組安全動作影響機組安全運行并且實測值失效時沒有相關報警或提示同樣會影響操作員對系統的即時干預。

（3） 由于 TSA131/132/133VV 的實測值分別在1E的ⅡP/ⅢP/ⅣP三個通道中進行處理，閥門邏輯也分別在1E的ⅡP/ⅢP/ⅣP三個通道中進行處理，但是 TSA231/232/233VV的實測值分別在1E的ⅡP/ⅢP/ⅣP三個通道中進行處理閥門邏輯卻分別在1E的ⅢP/ⅣP/ⅡP三個通道中進行處理，當三個保護通道的一個通道失電時會導致三個閥門不可用且當中有一個閥門的實測值會變為壞點導致系統對無法對主蒸汽壓力進行有效控制，實測值跨通道的閥門可能會異常關閉。

3.2 設定值和實測值失效時閥門的動作優化

根據以上原因分析，當設定值和實測值失效時解決閥門動作異常或無響應對應的措施有以下幾點。

（1） 當設定值失效時將用于處理設定值質量位的A-DFLT模塊的“S”端的邏輯輸出引到閥門的切手動邏輯和強制手動邏輯處，考慮到當觸發快速冷卻時閥門的切自動功能將設定值質量位觸發到閥門切手動和強制手動的邏輯中添加一個1 s的脈沖塊。這樣當設定值失效后觸發快速冷卻觸發時閥門仍然能夠從手動狀態切換到自動狀態執行快速冷卻功能。

（2） 當實測值失效時將用于處理實測值質量位的A-DFLT模塊的“S”端的邏輯輸出引到閥門的切手動邏輯和強制手動邏輯處，因為當實測值失效時會導致閥門的自動控制功能不可用，因此無需考慮快速冷卻信號的切自動功能，即無需在且手動和強制手動的邏輯中添加1 s脈沖塊。

（3） 當保護通道失電時對于 TSA131/132/133VV來說由于實測值的信號處理和閥門的邏輯處理均在同一個通道，故修改的方案與上述第（2）條一致。對于TSA231/232/233VV來說由于實測值的處理通道與閥門的邏輯處理通道不一致，需在閥門邏輯處理通道的實測值接收端增加一個A-DFLT模塊將此A-DFLT模塊的“S”端的邏輯輸出引到閥門的切手動邏輯和強制手動邏輯處且無需增加1 s脈沖塊。此外還需在閥門邏輯處理通道的實測值質量位接收端增加一個 B-DFLT模塊并且將該模塊的“Subst”和“Default”參數均置 1這樣當上游的實測值質量位失效時該B-DFLT模塊的輸出會置 1，導致下游閥門的切手動邏輯和強制手動邏輯觸發，從而防止閥門誤動（修改情況見圖 3）。

圖3 增加的5TSA系統質量位保護功能組態圖Fig.3 Configuration of the added quality bit protection function of the 5TSA system

通過對已運行的機組相關系統組態進行分析發現已運行機組在閥門切手動后若手動給定值失效閥門會因保護作用直接關閉，而現在調試的機組在閥門切手動后若手動給定值失效則會保持自動切手動時的值主要原因為已運行機組無DAS功能，現在調試的機組在閥門切手動后若手動給定值失效仍可以切換到DAS模式對閥門進行手動控制從而增加的系統控制的穩定性，相比之下現在新一代的機組更為穩定可靠。

4 結論

通過對核電廠汽機旁路系統大氣排放閥的PI控制邏輯和其他相關組態進行分析，指出閥門在模擬驗證過程中的擾動現象的原因為PI控制的 I部分即積分部分在閥門全開或全關后未能積分到100%或0%從而在設定值與實測值偏差改變時會出現擾動導致閥門異常動作。閥門在切換過程中不能夠實現無擾切換的原因為設定值在內給定模式時其追蹤值是上一次輸入的外給定值而非主蒸汽壓力次高值。此外通過增加閥門設定值和實測值失效以及控制通道失電時將相關閥門切到手動模式的邏輯來保證異常情況下系統的安全性能。以上優化能夠很好地解決了閥門正常操作情況下的異常動作和無擾切換以及異常情況下閥門的安全動作問題，為系統的穩定運行及機組的安全性提供了保障。