核電站汽輪機高壓缸入口壓力控制模式優化

張庚秋

哈爾濱汽輪機廠有限責任公司 黑龍江哈爾濱 150090

核電站汽輪機控制系統，分為兩個層次，能夠針對汽輪機高壓缸及低壓缸進行壓力模式控制。汽輪機控制系統的軟件系統提供了人機界面操作模塊，能夠針對速度、加速度的快速變量輸出控制信號，控制高壓或低壓調節閥，從而針對速度加速度的反饋值，進行快速調節。

1 汽輪機高壓缸入口壓力控制模式分析

1.1 高壓缸入口壓力模式調節控制原理分析

高壓缸入口壓力模式的調節控制，實際上就是基于一個簡單的PID控制調節器。其基礎原理與普通PID控制調節器沒有較大的區別。主要是利用PID控制調節器，實現正反輸入方向的兩方面功能。一是通過正向作用，使高壓缸入口壓力得到壓制，實現壓力控制功能；二是利用反向作用，使高壓缸入口壓力獲得提升，實現反應堆控制模式的功率提升。在具體實踐過程中，為實現兩種功能的切換，還需設計復雜的切換邏輯，配合實現兩種功能。當高壓缸實測入口壓力小于壓力參考值時，高壓缸入口壓力模式的蒸汽限制，輸出為核定值的105%，這時有效蒸汽指令最大值為100%，同時是各個控制回路的選擇，不會對105%的高壓缸入口壓力模式輸出蒸汽限制起到限制作用。當高壓缸實測入口壓力值大于壓力參考值時，高壓缸入口壓力模式的輸出蒸汽限制，會逐步控制壓力控制斜率曲線，直到高壓缸入口壓力模式的輸出蒸汽限制值，下降并小于有效蒸汽指令，由此進入限制控制模式，完成汽輪機控制系統功率控制，對高壓缸入口壓力模式的取代[1]。

1.2 高壓缸入口壓力子模式切換原理分析

高壓缸入口壓力子模式切換原理是，完成工作狀態與未工作狀態的切換。工作狀態的切換，會依照機組的運行模式，進行相應子模式的選擇。相應的子模式包含正常運作模式、反應堆運行模式。高壓缸入口壓力正常模式與高壓缸入口壓力反應堆模式的切換，由模式切換邏輯信號進行控制。當反應堆功率上升到96%Pn時，就會發射一個時長為10秒的邏輯信號。如何攻率未達到96%Pn，則高壓高入口壓力模式會繼續保持在正常模式控制，當達到百分之96篇時，模式就會根據邏輯信號切換正常模式至反應堆模式。

1.3 高壓缸入口壓力模式運行分析

高壓缸入口壓力子模式運行，包含正常模式運行及反應堆模式運行。正常模式運行，在汽輪機組正常啟動后，投入高壓缸入口壓力模式控制，路口實測壓力會與設置壓力參考值進行比較，比較后將差值送入PI調節器進入調節輸出。切換至反應堆模式運行時，機組到達96%Pn，強制機組停止繼續自動提升功率，檢測各系統處于和相關的完全可用信號，操作員手動啟動升功率過程，確保核功率始終處于穩定安全的調節下，逐步到達滿功率，防止升功率最后階段出現反應堆超功率事件。

1.4 高壓缸入口壓力模式的缺陷分析

高壓缸入口壓力模式，存在正常模式與反應堆模式的內在需求沖突。正常模式對外部因素導致的功率異常上升工況，可以進行快速響應，遏制功率上升，防止反應堆超功率運行事件。正常模式能夠防止汽輪機快速功率躍升工況，控制過程簡單，可以較好的實現控制需求。而反應堆模式要應對未釋放前的正常模式功率保護功能，以及釋放后的PI曲線反向作用功率提升功能，因此反應堆模式所需的PI控制曲線更為復雜。因此，正常模式反應堆模式釋放前壓力控制以及反應堆模式釋放后的功率提升，均使用PID調節器，促使一個壓力控制傾斜率，會引發反應堆模式釋放過程的震蕩發散；過小的壓力控制傾斜率，失去功率異常上升快速保護響應能力，同時反應堆壓力模式釋放完畢后，機組功率存在不確定性，這些都違背了反應堆模式釋放動作的設計初衷[2]。高壓缸實測入口壓力回路，沒有設計死區。這種情況會導致入口實測壓力值直接進入PID調節器，進行控制調節。導致高壓缸入口壓力控制模式，為“控制—退出—控制—退出”這一循環投退過程。這種過程對于反應堆模式釋放過程的影響，更為明顯。這也是造成波動，甚至是振蕩的主要原因之一。此外上位機負荷控制模式與高壓缸入口壓力模式存在切除轉換的問題。由復合控制模式轉化到高壓缸入口壓力模式，采用的是一入一出的切除模式，這一模式，在切除后直接進行高壓缸入口壓力模式的投入，僅保留一種模式的運行。如果投入后高壓缸入口壓力模式出現了非預期的瞬態，那么機組功率會受到嚴重的影響。

2 核電站汽輪機高壓缸入口壓力控制模式優化

2.1 增加高壓缸入口實測壓力死區設計

無論是在正常模式控制，還是在反應堆模式釋放前后的控制中。高壓入口實測壓力都是共用的現場反饋信號。因此，應當首先解決高壓缸入口實測壓力回路的死區設計問題。死區設計的優化思路為，當高壓缸實測壓力與壓力參考值之間的差值大于死區環節的數值時，該差值將被送入到PID調節器進行控制輸入，直到高壓缸實測壓力回到死區環節之內為止[3]。

2.2 增加反應堆模式釋放環節獨立PI 控制器

針對正常壓力控制與反應堆模式釋放后功率提升，共用一套PI參數的設計，不能夠更好的解決反應堆模式釋放后機組功率震蕩發散的問題。因此要設計一套專用于反應堆模式釋放后功率提升控制的PI參數。通過增加新的PI參數，設置獨立PID控制器，能夠徹底解決高壓缸入口壓力模式PI調節問題。優化思路為，增加一套新的PI參數，在高壓缸入口壓力模式壓力控制及反應堆模式釋放后功率提升控制時，徹底分開。增加反應堆模式釋放環節專用PID參數。優化后的反應堆模式，初始狀態中新增了反應堆釋放模式、PI控制斜率狀態。降低的斜率值也只是降低PI調節的響應速率，有利于反應堆模式釋放過程的穩定。優化后的試驗曲線表明，在反應堆模式釋放前后的壓力控制過程中，這一PI控制器的加入，能夠改善壓力波動幅度，保證機組功率在高壓缸入口壓力模式下維持穩定，達到預期的優化效果。