龐 偉，池 通，胥敬德

（江蘇核電有限公司，江蘇 連云港 222000）

0 引言

M310核電機(jī)組配置3臺(tái)立式蒸汽發(fā)生器，共用給水母管，為實(shí)現(xiàn)3臺(tái)蒸發(fā)器液位控制解耦，設(shè)計(jì)有主給水流量調(diào)節(jié)閥開(kāi)度控制和主給水泵轉(zhuǎn)速控制兩套系統(tǒng)。正常運(yùn)行時(shí)，由主給水泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)維持主給水母管壓力穩(wěn)定，由主給水流量調(diào)節(jié)閥控制進(jìn)入每臺(tái)蒸發(fā)器的給水流量。但是由于立式蒸發(fā)器橫截面小、液位運(yùn)行區(qū)間窄，蒸發(fā)器液位波動(dòng)導(dǎo)致停機(jī)停堆的事件仍然時(shí)有發(fā)生。因此，有必要對(duì)主給水泵調(diào)速方法進(jìn)行優(yōu)化研究[1]。

1 M310主給水泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)原理

目前，國(guó)內(nèi)M310機(jī)組主要采用電-液位置控制VEHS和伺服電機(jī)控制KE1A兩種調(diào)速方案，兩種方案均由壓差調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、勺管位置調(diào)節(jié)3個(gè)閉環(huán)回路串級(jí)組成。

圖1 主給水泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)原理圖Fig.1 Schematic diagram of main feed water pump speed adjustment

1.1 采用電-液位置控制器（VEHS）的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)原理

該類型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)在新建核電機(jī)組得到大量應(yīng)用。由液力耦合器、電源系統(tǒng)、就地調(diào)速PLC、就地液晶操作顯示屏、VEHS（Voith Electro Hydraulic Positioning Controller）、轉(zhuǎn)速及反轉(zhuǎn)探頭、BALLUFF勺管位置傳感器等部分組成。

壓差調(diào)節(jié)回路原理如圖1所示。機(jī)組總蒸汽流量通過(guò)函數(shù)ARE405GD折算成汽水壓差設(shè)定值，ARE001/002/003MP取平均測(cè)得汽水壓差實(shí)測(cè)值，送入壓差調(diào)節(jié)器ARE410RG進(jìn)行PID計(jì)算，輸出主給水泵轉(zhuǎn)速設(shè)定值。該調(diào)節(jié)回路內(nèi)有設(shè)定值站ARE410KU，用于手動(dòng)設(shè)定汽水壓差定值。

轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)回路由就地PLC實(shí)現(xiàn)，PLC接收壓差調(diào)節(jié)器送出的轉(zhuǎn)速設(shè)定值信號(hào)及就地轉(zhuǎn)速探頭測(cè)得的轉(zhuǎn)速實(shí)測(cè)值信號(hào)，求偏差后經(jīng)內(nèi)部PID計(jì)算，并線性化處理，輸出勺管位置設(shè)定值。該調(diào)節(jié)回路內(nèi)有手操器，可以手動(dòng)設(shè)定轉(zhuǎn)速定值。

當(dāng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)回路處于自動(dòng)調(diào)節(jié)狀態(tài)時(shí)，轉(zhuǎn)速設(shè)定值的變化需通過(guò)斜坡轉(zhuǎn)化，避免大階躍擾動(dòng)。當(dāng)處于備用狀態(tài)的主給水泵standby啟動(dòng)時(shí)，自動(dòng)切除斜坡轉(zhuǎn)化函數(shù)，投入快速啟動(dòng)函數(shù)，保證備用泵及時(shí)帶載。PLC通過(guò)轉(zhuǎn)速設(shè)定值和實(shí)測(cè)值的偏差，自動(dòng)調(diào)整PID參數(shù)，同時(shí)設(shè)置的線性化曲線能夠提高執(zhí)行機(jī)構(gòu)線性度，保障調(diào)節(jié)品質(zhì)。

勺管位置調(diào)節(jié)回路由就地的VEHS實(shí)現(xiàn)。VEHS是Voith公司生產(chǎn)的采用電磁工作原理的勺管位置控制器，安裝在主給水泵液力耦合器勺管控制機(jī)構(gòu)旁。VEHS接收來(lái)自調(diào)速PLC的勺管位置定值，以及BALLUFF勺管位置傳感器反饋的實(shí)測(cè)值，經(jīng)內(nèi)部PID電路運(yùn)算，通過(guò)電磁力調(diào)節(jié)器控制4/3閥閥芯的位置，改變勺管活塞兩側(cè)腔室的充油量，帶動(dòng)勺管移動(dòng)，控制主給水泵轉(zhuǎn)速。

各調(diào)節(jié)回路設(shè)計(jì)了手自動(dòng)無(wú)擾切換，自動(dòng)模式下，手動(dòng)設(shè)定值跟蹤調(diào)節(jié)器輸出；手動(dòng)模式下，調(diào)節(jié)器輸出跟蹤手動(dòng)設(shè)定值。進(jìn)行模式切換時(shí)，設(shè)定值變化受到速率限制，不會(huì)發(fā)生大階躍。其中，速率限制的大小可以通過(guò)DCS組態(tài)修改。為了減小切換過(guò)程對(duì)機(jī)組的擾動(dòng)，還需要選擇合適的切換點(diǎn)。

以2、3號(hào)泵停運(yùn)，1號(hào)泵啟動(dòng)后投自動(dòng)為例：

1）啟泵后，APA101KU及APA001KU已置于手動(dòng)模式，手動(dòng)調(diào)整APA001KU到0%（對(duì)應(yīng)3950RPM）。

2）點(diǎn)擊APA101KC上的“RAISE”按鈕，逐步升轉(zhuǎn)速，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到3950RPM時(shí)，通過(guò)APA101KU將就地調(diào)速柜投自動(dòng)。此時(shí)，就地調(diào)速柜內(nèi)的PLC開(kāi)始工作，自動(dòng)跟蹤APA001KU發(fā)出的手動(dòng)轉(zhuǎn)速設(shè)定值。

3）調(diào)整APA001KU的手動(dòng)轉(zhuǎn)速設(shè)定值，當(dāng)與APA002KU、APA003KU收到的自動(dòng)轉(zhuǎn)速設(shè)定值基本一致時(shí)，將APA001KU投自動(dòng)，完成整個(gè)調(diào)節(jié)系統(tǒng)手動(dòng)模式向自動(dòng)模式的切換。

以1、2號(hào)泵運(yùn)行，1號(hào)泵切換至3號(hào)泵運(yùn)行為例：

a）將APA003KU置于手動(dòng)位置，調(diào)整手動(dòng)轉(zhuǎn)速設(shè)定值到0%（3950RPM）。

b）將APA103KU置于手動(dòng)位置，通過(guò)點(diǎn)擊APA301KC的“LOWER”按鈕，將勺管位置調(diào)節(jié)至最小后，啟動(dòng)APA3號(hào)泵。

c）點(diǎn)擊APA301KC上的“RAISE”按鈕，逐步升轉(zhuǎn)速。d）轉(zhuǎn)速升至3950RPM后，將APA103KU置自動(dòng)。

e）手動(dòng)調(diào)節(jié)APA003KU，逐步升轉(zhuǎn)速。

f） 當(dāng)APA003KU的手動(dòng)轉(zhuǎn)速設(shè)定值與APA001/002KU收到的自動(dòng)轉(zhuǎn)速設(shè)定值基本一致時(shí)，將003KU置自動(dòng)。

g）將APA001KU置手動(dòng)，并逐步減小輸出，到輸出0%時(shí)，將APA101KU置手動(dòng)。

h）通過(guò)APA101KC逐步降低1號(hào)泵轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速降到最低時(shí)，手動(dòng)停泵。

1.2 采用伺服電機(jī)控制器（KE1A）的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)原理

該類型的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)在大亞灣、秦山二期等早期M310機(jī)組有應(yīng)用，它由S5控制器、勺管位置控制器KE1A及外圍繼電器控制電路等幾個(gè)部分組成。

其中，S5 PLC控制器主要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)模式下勺管位置設(shè)定值的計(jì)算，通過(guò)接收轉(zhuǎn)速設(shè)定值和轉(zhuǎn)速反饋值，經(jīng)PID運(yùn)算，得到勺管位置設(shè)定值，并送到KE1A中。

圖2 主給水泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)柜原理圖Fig.2 Schematic diagram of the main feed water pump speed control cabinet

KE1A的工作模式分為自動(dòng)和手動(dòng)兩種。在自動(dòng)模式下，KE1A接收從S5 PLC計(jì)算出來(lái)的勺管位置設(shè)定值，并與勺管位置傳感器的位置反饋信號(hào)比較，驅(qū)動(dòng)勺管伺服電機(jī)，調(diào)整勺管的實(shí)際位置，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。在手動(dòng)模式下，KE1A接收從主控室送來(lái)的升降速命令，直接調(diào)整勺管位置。KE1A的功能類似于使用電-液位置控制器調(diào)速系統(tǒng)VEHS、S7和手自動(dòng)切換繼電器。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)原理與采用VEHS的調(diào)速系統(tǒng)類似，不再贅述。

2 存在的典型問(wèn)題

1）就地PLC控制柜一般安裝在汽輪機(jī)廠房主給水泵附近，環(huán)境溫度高、空氣濕度難以保證，目前各核電機(jī)組主要通過(guò)增加控制柜空調(diào)的方式解決。

2）部分核電機(jī)組PLC控制柜只設(shè)計(jì)了一路電源，供電可靠性不高。

3）VEHS電液調(diào)節(jié)與伺服電機(jī)調(diào)節(jié)比較，存在失電情況下，只能將勺管至于最小位置，導(dǎo)致主給水泵轉(zhuǎn)速突降為零，存在停機(jī)停堆風(fēng)險(xiǎn)。

4）大部分M310機(jī)組主給水泵只配置一個(gè)或兩個(gè)轉(zhuǎn)速探頭，單一探頭故障就可能導(dǎo)致停機(jī)停堆。

5）大部分M310機(jī)組主給水泵只有一種手動(dòng)升降轉(zhuǎn)速速率，每次點(diǎn)擊轉(zhuǎn)速變化50RPM～100RPM，導(dǎo)致手自動(dòng)切換過(guò)程中轉(zhuǎn)速波動(dòng)大。

3 改進(jìn)方案

為避免上文的各項(xiàng)典型問(wèn)題，筆者所在機(jī)組在設(shè)計(jì)初期就與廠家、設(shè)計(jì)院制定了一系列改進(jìn)措施，包括：

1）增加冗余電源模塊，使用兩路不同的廠用電源供電。

2）增加冗余通訊模塊，提高與DCS的信號(hào)傳輸可靠性。

3）增加升降轉(zhuǎn)速速率選擇功能，當(dāng)選擇慢速檔位時(shí)，每次點(diǎn)擊轉(zhuǎn)速變化10RPM～20RPM。

4）配置3個(gè)轉(zhuǎn)速探頭，采用“三取中”控制模式。

5）增加勺管保位閥，失電時(shí)保持勺管位置不變，避免轉(zhuǎn)速突降。

國(guó)內(nèi)個(gè)別三十萬(wàn)核電機(jī)組取消了就地調(diào)速柜內(nèi)用于轉(zhuǎn)速自動(dòng)調(diào)節(jié)的PLC，保留手動(dòng)調(diào)節(jié)PLC，在電站一層控制系統(tǒng)中增加勺管位置調(diào)節(jié)。自動(dòng)模式時(shí)，就地PLC接收控制系統(tǒng)發(fā)出的勺管位置設(shè)定值，進(jìn)行線性化處理，輸出勺管位置定值給VEHS。手動(dòng)模式時(shí)，PLC直接接收升降勺管命令，并輸出到就地的VEHS，控制勺管位置。

該方案簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了設(shè)備可靠性，但是缺少轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)回路，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)原有備用啟動(dòng)時(shí)快速帶載和變PID調(diào)節(jié)的功能[2]，但其將就地PLC轉(zhuǎn)速控制功能向電站一層控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)化的思路值得借鑒。

利用DCS系統(tǒng)完整實(shí)現(xiàn)主給水泵調(diào)速功能，同時(shí)保證調(diào)節(jié)品質(zhì)和響應(yīng)能力不降低，應(yīng)當(dāng)是M310機(jī)組主給水泵調(diào)速進(jìn)一步優(yōu)化的方向。

4 結(jié)束語(yǔ)

M310核電機(jī)組主給水泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)對(duì)機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要，本文對(duì)國(guó)內(nèi)核電機(jī)組常用的幾種調(diào)速方式進(jìn)行了分析比較，介紹了筆者所在機(jī)組已落實(shí)的改進(jìn)和進(jìn)一步優(yōu)化構(gòu)想，為后續(xù)機(jī)組的方案設(shè)計(jì)提供參考。