于 航,劉道光,欒振華

(中廣核工程有限公司，廣東 深圳 518124)

0 引言

改進型百萬千瓦級壓水堆(CPR1000)核電站機組在調(diào)試啟動階段，需要執(zhí)行電動主給水泵系統(tǒng)單泵運行觸發(fā)汽輪機快速甩負荷(run back，RB)試驗。試驗主要驗證以下兩項內(nèi)容。在一臺電動主給水泵跳泵，且備用電動主給水泵未聯(lián)啟工況下，設(shè)滿功率為FP,機組以200%FP/min的速率快速降至50%FP功率平臺的過程中，控制系統(tǒng)將機組主要參數(shù)維持在穩(wěn)定區(qū)間的能力。在一臺電動主給水泵檢修工況下，驗證機組運行的最高安全功率水平。

RB試驗過程中，二回路負荷會快速下降，一回路在“堆—機”協(xié)調(diào)的控制下，通過功率棒調(diào)節(jié)堆芯功率快速下降，以匹配二回路功率；機組RB信號觸發(fā)后，汽機負荷以200%FP/min速率下降。由于突然失去了一臺電動主給水泵供水，主給水流量瞬間大幅下降。蒸汽發(fā)生器(steam generater，SG)液位在壓水效應及突然失去主給水的雙重影響下，先迅速下降，再快速上升。若SG液位下降至低液位(-0.9 m)疊加汽/水流量不匹配信號，或者SG液位下降至低低液位(-1.26 m)，則觸發(fā)反應堆跳堆保護[1]。執(zhí)行試驗的功率越高，則經(jīng)濟效益越明顯。但由于高功率平臺主蒸汽流量需求會相應增大，亦會增加SG液位低低觸發(fā)跳堆的風險。

王云偉等采用先進的圖形化建模工具，對給水調(diào)節(jié)的控制邏輯和控制策略進行了1∶1仿真研究[1]。楊宗偉等在嶺澳二期核電站進行了蒸發(fā)器水位控制系統(tǒng)試驗[2]。劉道光等在陽江核電廠1#機組對給水控制系統(tǒng)旁路閥進行了優(yōu)化[3]。陳智等對嶺澳核電站蒸汽發(fā)生器給水控制系統(tǒng)改進方案進行了仿真驗證[4]。周世梁、劉玉燕等基于魯棒PID迭代優(yōu)化方法，設(shè)計了蒸汽發(fā)生器水位控制系統(tǒng)的PID型主控制器，并整定了蒸汽發(fā)生器水位控制系統(tǒng)的主控制器參數(shù)[5-6]。萬偉等基于Petr理論，對某第三代核電站主給水系統(tǒng)進行了工況建模[7]。

1 某核電廠機組RB試驗分析

某核電廠1#機組RB試驗前功率約77%FP， 1#、3#電動主給水泵運行。1#機組RB試驗結(jié)果如圖1所示。

圖1 1#機組RB試驗結(jié)果 Fig.1 Results of unit 1 RB test

試驗過程中，1#電動主給水泵跳閘，“汽—水”壓差突然下降，3#電動主給水泵轉(zhuǎn)速指令在控制器調(diào)節(jié)下短時間內(nèi)輸出至最大值5 254 r/min。隨著3#電動主給水泵轉(zhuǎn)速的提升，主給水流量迅速增加，SG液位在達到最低點后開始回調(diào)；隨著“汽—水”壓差的提升，3#電動主給水泵逐漸轉(zhuǎn)速回調(diào)，SG液位調(diào)節(jié)恢復至正常水平。3個環(huán)路中，2環(huán)路SG液位降至最低，為-0.85 m。

某核電廠2#機組RB試驗前功率約76%FP， 2#、3#電動主給水泵運行。試驗過程中，3#電動主給水泵跳閘，3個環(huán)路中2環(huán)路SG液位降至最低，為-0.75 m。2#機組RB試驗SG液位/電動主給水泵轉(zhuǎn)速變化趨勢如圖2所示。

圖2 2#機組RB試驗結(jié)果 Fig.2 Results of unit 2 RB test

分析1#和2#機組試驗數(shù)據(jù)可知，電動主給水泵RB試驗過程中，由于突然失去1臺電動主給水泵供水，機組功率迅速下降， SG液位波動劇烈。在控制系統(tǒng)的自動響應下，液位逐漸恢復至穩(wěn)定。在整個試驗過程中，“SG液位低”觸發(fā)跳堆的風險明顯增加。試驗前的功率越高，則這種風險越大。為防止機組跳堆，機組正常運行階段電動主給水單泵檢修時，機組功率必須降至80%FP以下。在此種情況下，機組運行功率較低，會導致經(jīng)濟效益較差。因此，在保證機組安全運行的前提下，通過優(yōu)化電動主給水泵系統(tǒng)控制邏輯的方式，提高RB試驗的功率，可有效提升機組經(jīng)濟效益，降低機組跳堆的風險，進而提高機組運行的安全穩(wěn)定性。

2 電動主給水跳泵觸發(fā)試驗優(yōu)化

2.1 電動主給水系統(tǒng)控制原理分析

CPR1000機組電動主給水泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)通過PI控制器來實現(xiàn)。其中，“汽—水”壓差隨蒸汽負荷變化的函數(shù)程序為參考定值，“汽—水”壓差實測值為過程量[8]。電動主給水泵轉(zhuǎn)速控制調(diào)節(jié)原理如圖3所示。當在一臺電動主給水泵跳閘時，“汽—水”壓差迅速下降。在PI控制器作用下，運行的電動主給水泵轉(zhuǎn)速迅速提升，以提升“汽—水”壓差，增加給水流量。在此調(diào)節(jié)過程中，由于“汽—水”差壓不足，導致給水流量偏低。

圖3 轉(zhuǎn)速控制調(diào)節(jié)原理圖 Fig.3 Schematic diagram of the speed control and regulation

2.2 控制邏輯優(yōu)化方案研究

分析1#/2#機組試驗數(shù)據(jù)及電動主給水系統(tǒng)控制邏輯可知，由于PI控制器調(diào)節(jié)存在一定程度的延遲，轉(zhuǎn)速指令從初始的轉(zhuǎn)速提升至最高轉(zhuǎn)速(5 254 r/min)耗時約28～30 s。若能通過優(yōu)化控制邏輯，縮短轉(zhuǎn)速提升時間，能在很大程度上緩解試驗過程中電動主給水泵供水能力不足的現(xiàn)象。

優(yōu)化方案(見圖3虛線框內(nèi)所示控制邏輯優(yōu)化部分)如下。

①電動主給水泵RB信號出現(xiàn)后，將電動主給水泵控制器切換至手動，同時將泵轉(zhuǎn)速直接調(diào)整至最高值。

②延時3～5 s后，取消控制器手動控制，使電動主給水泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)根據(jù)“汽—水”差壓信號自動控制。

控制邏輯優(yōu)化后，若RB信號觸發(fā)，則在運電動主給水泵轉(zhuǎn)速會在短時間內(nèi)提升至最大，迅速增加主給水流量，優(yōu)化SG液位控制；同時，通過提升功率來執(zhí)行RB試驗，給機組帶來經(jīng)濟效益。

3 某核電廠3#機組觸發(fā)試驗分析

3.1 優(yōu)化邏輯3#機組RB試驗

控制邏輯優(yōu)化現(xiàn)場變更實施完成后，先后兩次進行電動主給水泵RB試驗，以驗證此方案的正確性。第1次RB試驗執(zhí)行功率平臺約80%FP， 1#、3#電動主給水泵運行。試驗過程中，3#電動主給水泵跳閘，3個環(huán)路中2環(huán)路SG液位降至最低，為-0.648 m。3#機組第1次RB試驗結(jié)果如圖4所示。對比1#/2#機組試驗數(shù)據(jù)可知，控制系統(tǒng)有較大程度的優(yōu)化。

第2次RB試驗執(zhí)行功率平臺約84%FP， 1#、3#號電動主給水泵運行。試驗過程中，3#電動主給水泵跳閘，三個環(huán)路中2環(huán)路SG液位最低，為-0.816 m。3#機組第2次RB試驗結(jié)果如圖5所示。提升功率執(zhí)行試驗后，機組跳堆風險仍可控。

圖4 3#機組RB試驗結(jié)果(第1次) Fig.4 Results of unit 3 RB test(the first time test)

圖5 3#機組RB試驗結(jié)果(第2次) Fig.5 Results of unit 3 RB test(the second time test)

3.2 優(yōu)化效果

經(jīng)過分析機組的4次RB試驗過程，可發(fā)現(xiàn)在控制邏輯優(yōu)化后3#機組試驗數(shù)據(jù)優(yōu)于1#/2#機組。試驗數(shù)據(jù)如表1所示。

由表1可知，實施此優(yōu)化方案后，機組的控制性能有較大程度的提升，RB試驗功率最高達到了84%FP(由2#機組的最低76%FP提升至最高84%FP)。試驗過程中，SG液位最低至-0.816 m，相較-0.9 m的危險閾值仍有裕量。試驗結(jié)果表明，該方案在提升機組安全性及經(jīng)濟性方面具有良好的效果。

表1 電動主給水泵RB試驗數(shù)據(jù)Tab.1 Test data of motor-driven feed water pump during RB

4 結(jié)束語

通過優(yōu)化控制邏輯的方法，提升了電動主給水泵RB工況下給水控制系統(tǒng)的性能，取得了良好的效果。試驗結(jié)果表明：該方案在RB試驗工況觸發(fā)的瞬間，可迅速提升主給水流量，減小反應堆跳堆風險，提升機組安全運行質(zhì)量。后續(xù)機組在電動主給水泵單泵檢修工

況下均可在此功率平臺進行，有效提升了機組的經(jīng)濟效益。

該研究方法已成功應用于某核電廠3#機組，后續(xù)可推廣至CPR1000其他在建機組。該方法對EPR、華龍一號、AP1000等三代機組也具有一定的參考價值。

參考文獻:

[1] 王云偉,周海翔,王黎澤,等.非能動安全型核電站給水調(diào)節(jié)控制方案仿真驗證[J].自動化儀表,2013,34(5):62-65.

[2] 楊宗偉,欒振華,張旭峰.嶺澳核電站二期工程3號機組反應堆控制系統(tǒng)啟動試驗研究[J].廣東電力，2011(4):34-38.

[3] 劉道光,李賢民,張小磊,等.陽江核電廠1號機組旁路閥優(yōu)化策略研究[J].核動力工程,2016,37(4):87-89.

[4] 陳智,張英,張帆,等.嶺澳核電站蒸汽發(fā)生器水位控制系統(tǒng)改進方案仿真研究[J].核動力工程， 2010(4):66-70.

[5] 周世梁,劉玉燕.魯棒PID控制器的H_∞回路成形優(yōu)化設(shè)計及其在蒸汽發(fā)生器水位控制中的應用[J].原子能科學技術(shù)，2013(6):996-1002.

[6] 劉玉燕,周世梁.蒸汽發(fā)生器水位PID控制器的H_∞回路成形優(yōu)化[J].熱能動力工程，2013(4):395-401.

[7] 萬偉,董慕杰,劉瑋,等.基于Petri網(wǎng)理論的核電站主給水系統(tǒng)建模及其可靠性分析[J].熱力發(fā)電,2013(12):17-21.

[8] 濮繼龍.廣東大亞灣核電站運行教程[M].北京：原子能出版社,1999:85-86.