徐志輝， 劉道光，項洪一

(中廣核工程有限公司，廣東 陽江 529941)

0 引言

某核電站采用壓水堆技術，其除氧器壓力控制系統(tǒng)基于非安全級數(shù)字化控制系統(tǒng)(HOLLIAS-MACS6)實現(xiàn)。除氧器壓力控制關系到一回路和二回路的穩(wěn)定。在機組瞬態(tài)響應過程中，其控制回路邏輯組態(tài)正確、各項參數(shù)合理是對控制系統(tǒng)的基本要求。

3號機組30%滿功率(full power,FP)平臺跳機不跳堆試驗(驗證汽輪機跳機后反應堆控制系統(tǒng)將機組主要參數(shù)維持或回調(diào)至正常運行區(qū)間的能力)過程中，除氧器保壓邏輯觸發(fā)滯后，除氧器內(nèi)壓力快速下降，主給水泵出現(xiàn)反轉(zhuǎn)信號，未能實現(xiàn)保壓功能。經(jīng)分析，除氧器主蒸汽進氣調(diào)節(jié)閥的保壓邏輯組態(tài)存在計算缺陷。該缺陷會增大拒動風險。

本文在現(xiàn)有HOLLIAS-MACS6平臺特性的基礎上，構(gòu)建了包含一階慣性單元、微分單元等模塊在內(nèi)的優(yōu)化數(shù)學模型，給定優(yōu)化模型中慣性時間參數(shù)的選擇原則，并依據(jù)Simulink仿真和現(xiàn)場測試驗證了算法的可行性。

1 保壓邏輯控制原理及其風險分析

1.1 保壓邏輯原理

保壓邏輯控制原理[1]如圖1所示。除氧器內(nèi)的壓力，一方面用于保證除氧器正常工作，另一方面用于保證主給水泵入口有一定的吸入壓頭，以防止主給水泵汽蝕。汽機在20%～100%FP范圍內(nèi)甩負荷時，從高壓缸來的抽汽量會突然下降。為了確保除氧器內(nèi)的壓力滿足主給水泵吸入壓頭的要求，需要有主蒸汽進入來維持除氧器壓力，使得除氧器壓力下降速率能為主給水泵所接受。當除氧器壓力下降速率高于0.25 MPa/min時，保壓邏輯觸發(fā)，除氧器主蒸汽進汽調(diào)節(jié)閥立即全開，維持除氧器壓力穩(wěn)定在0.17 MPa左右，保證主給水泵入口有一定的吸入壓頭，以防止主給水泵反轉(zhuǎn)和汽蝕。

圖1 保壓邏輯控制原理圖

圖1中：ADG003MP為現(xiàn)場壓力測點；GD為閥值比較；RS為觸發(fā)器；ADG003VV為閥門開度指令。

1.2 保壓邏輯風險分析

①保壓邏輯拒動風險分析。

跳機后如保壓邏輯未觸發(fā)或觸發(fā)延遲，則除氧器內(nèi)壓力迅速下降的趨勢就不能得到緩解，主給水泵可能出現(xiàn)反轉(zhuǎn)和汽蝕，同時除氧器內(nèi)液位會因閃蒸而快速上升。液位的快速上升會導致除氧器給水隔離閥關閉。給水隔離閥關閉之后，除氧器液位又會快速下降，存在引發(fā)給水泵跳閘風險，需再次開啟給水隔離閥。給水隔離閥的再次開啟需要前置調(diào)節(jié)閥全部關閉，且隔離閥的突然打開，很可能引起凝結(jié)水泵出口壓力以及噴淋水壓力低，噴淋水壓力低于定值后會觸發(fā)凝汽器故障信號，如疊加P10(2/4 功率量程中子通量測量值超過定值)信號，會產(chǎn)生自動停堆信號，導致反應堆停堆。

②保壓邏輯動作風險分析。

針對保壓邏輯觸發(fā)后的風險[2-6],在全范圍模擬機上對其進行驗證，模擬工況及驗證結(jié)果如下。

在線性負荷變化試驗降負荷過程中，使除氧器主蒸汽進汽調(diào)節(jié)閥全開，一回路因此過冷，溫度調(diào)節(jié)棒沒有繼續(xù)下插反而上提；降至目標負荷后，使除氧器主蒸汽進汽調(diào)節(jié)閥關閉。因為主給水流量控制系統(tǒng)控制缺少除氧器這部分常規(guī)島分量，導致主給水流量控制系統(tǒng)閥門關小，再加上壓水效應，蒸汽發(fā)生器液位最低降至-0.95 m。

在停堆試驗中，使除氧器主蒸汽進汽調(diào)節(jié)閥在停堆后全開，此時一回路的剩余熱量無法滿足除氧器主蒸汽進汽調(diào)節(jié)閥全開帶走的熱量，導致一回路過冷，壓力快速下降幾近失控。緊急關閉主蒸汽系統(tǒng)主蒸汽隔離閥才遏制壓力下降。

根據(jù)以上模擬機驗證的結(jié)果可知，保壓邏輯觸發(fā)后，除氧器主蒸汽進汽調(diào)節(jié)閥的快速開啟會導致一回路過冷,存在超功率的風險,同時會引起主給水流量控制系統(tǒng)、蒸汽發(fā)生器水位的擾動，在低功率時影響更大。這給機組的控制和安全帶來很大的不確定性。

保壓邏輯控制回路是否合理尤為關鍵，既要避免拒動風險，也要避免誤動風險。

2 保壓邏輯組態(tài)優(yōu)化

2.1 優(yōu)化前保壓邏輯組態(tài)缺陷分析

優(yōu)化前保壓邏輯組態(tài)等效圖如圖2所示。

圖2 優(yōu)化前保壓邏輯組態(tài)等效圖

采用HOLLIAS-MACS6平臺的梯度模塊計算速率，是使用最小二乘法計算一段時間內(nèi)的壓力散點的趨勢，并擬合成一條直線。但該梯度模塊在保壓邏輯處理過程中不是按每秒計算，而是以ΔT的采樣周期計算采集時間T，然后每隔T時間輸出一次變化，且原則上T越大越好。雖然可以減小“最小二乘法”計算時間，但T設置較短時，若壓力值發(fā)生突變，梯度模塊采樣數(shù)量會不足，基于最小二乘法的計算原理，會使突變點貢獻過大，導致斜率增大，增加誤觸發(fā)保壓邏輯的風險。

現(xiàn)場組態(tài)中，梯度模塊統(tǒng)計周期設置為60 s，采樣周期為2 s,則每60 s模塊才能輸出一次壓降斜率計算值，存在明顯的控制滯后問題，也是導致本次事件發(fā)生的原因。

2.2 保壓邏輯的組態(tài)優(yōu)化

優(yōu)化后的保壓邏輯組態(tài)等效如圖3所示。圖3中：MUL為乘法；F01為慣性環(huán)節(jié)；DIEF為微分環(huán)節(jié)；DIV為除法。

圖3 優(yōu)化后保壓邏輯組態(tài)等效圖

優(yōu)化后組態(tài)方案的選擇依據(jù)如下[7-8]。

①HOLLIAS-MACS6平臺中，微分環(huán)節(jié)(DIFF)能以秒為單位實時計算斜率，但模擬圖中兩個定值均按照每分鐘的壓力變化來實現(xiàn)。設計定值與數(shù)字化控制系統(tǒng)分布式控制系統(tǒng)(distributed control system,DCS)組態(tài)二者之間必然存在一個轉(zhuǎn)換關系，同時因為壓力測量儀表是非線性的，采用秒來處理最終數(shù)據(jù)顯然是不合適。新的組態(tài)方案在閾值模塊判斷之前乘以60，仍以每分鐘為計算單位，這樣既滿足設計要求，又符合現(xiàn)場實際。

②因HOLLIAS-MACS6平臺中微分環(huán)節(jié)是按秒計算的，在組態(tài)實時還要對kPa/s與MPa/min的對等性進行處理，即確保壓力測量值瞬時下降速率超過0.25 MPa/min對應的4.17 kPa/s時不會觸發(fā)保壓邏輯。因此在優(yōu)化后的組態(tài)方案中增加了一階慣性環(huán)節(jié)，它使輸出有數(shù)秒的滯后，不會出現(xiàn)下降速率一超過4.17 kPa/s就觸發(fā)保壓邏輯的問題。

3 基于SIMULINK的仿真模型驗證分析

針對方案中數(shù)學模型的響應特性，基于Simulink仿真平臺搭建仿真模型。仿真方案如圖4所示。依據(jù)現(xiàn)場壓力儀表的實測數(shù)據(jù)，分析一階慣性時間參數(shù)變化對慣性加微分模型響應的影響。仿真測試結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，加入一階慣性環(huán)節(jié)后有明顯的消除毛刺、引入滯后作用，且一階慣性時間越大，對斜率的計算結(jié)果的滯后、失真作用越大，故一階慣性時間不宜過大，考慮前述滯后作用的必要性，在3～5 s內(nèi)較為合適。

圖4 仿真方案圖

圖5 仿真測試結(jié)果

4 現(xiàn)場閥門實際動作驗證

試驗前多次觀察了現(xiàn)場壓力儀表實測數(shù)據(jù)在不同工況下的變化情況，得出其波動特性為：壓降不是平穩(wěn)下降，而是以某一斜率下降,且下降時間大于1 s，小于1 min。選取了30%FP平臺跳機不跳堆期間，保壓邏輯觸發(fā)時段的實測壓力數(shù)據(jù)如圖6所示。

圖6 實測壓力數(shù)據(jù)曲線

綜合上述，可以確定一階慣性環(huán)節(jié)加微分環(huán)節(jié)參數(shù)選擇原則應是抖動的瞬時斜率變化超出限值時不觸發(fā)保壓邏輯，而宏觀斜率超過限值時，及時觸發(fā)保壓邏輯。因此，一階慣性環(huán)節(jié)加微分環(huán)節(jié)的參數(shù)選取需要依據(jù)該數(shù)學模型其本身響應特性及實測壓力波動特性共同確定[9]。

試驗按一階慣性時間分別設置為3 s、4 s、5 s，采用圖6中現(xiàn)場壓力儀表的實測數(shù)據(jù)進行現(xiàn)場試驗，觀察閥門的真實響應。

響應曲線如圖7所示。結(jié)合現(xiàn)場試驗情況以及觀察到的壓力波動特征，為避免壓力變化時響應滯后較多可能帶來拒動風險，保守起見選取了如圖7所示慣性時間為5 s時的試驗結(jié)果：壓力下降較快時15 s全開，較慢時56 s全開。

在后續(xù)的50%FP平臺跳機不跳堆及100%FP平臺跳機不跳堆試驗中，優(yōu)化后的保壓邏輯適當控制，在PID調(diào)節(jié)參數(shù)的配合下，實現(xiàn)了多種復雜瞬態(tài)工況下除氧器壓力的穩(wěn)定控制。在現(xiàn)場閥門換型及工況不同時，只需要微調(diào)慣性時間即可。

圖7 響應曲線圖

5 結(jié)束語

針對瞬態(tài)試驗過程中保壓邏輯組態(tài)缺陷進行了研究，通過DCS平臺特性分析、Simulink平臺仿真驗證，提出了優(yōu)化組態(tài)處理方案。通過現(xiàn)場實際驗證確定了最終處理方案，試驗結(jié)果滿足機組運行要求。保壓邏輯組態(tài)的優(yōu)化對于了解設計意圖與組態(tài)實現(xiàn)之間轉(zhuǎn)換的關鍵點以及確保機組的穩(wěn)定運行都有著十分重要的意義。