AP1000除氧器液位控制分析及改进研究.docx

1、AP1000 除氧器液位控制分析及改进研究 摘要：除氧器是核电厂常规岛侧重要的设备，不断地提供给水至蒸汽发生器，除氧器液位的稳定控制是保证二回路系统安全运行的重要因素。文章主要分析 AP1000 核电厂除氧器液位控制系统的原理，并就除氧器液位控制系统与给水控制系统的接口信号问题提出合理的建议，以优化除氧器液位控制系统的性能。 下载 关键词：顺序控制； NPSH 控制；堆跟机；信号传输 中图分类号： TM623 文献标识码： A 文章编号： 1009-2374（ 2014）11-0131-03 除氧器是核电站常规岛不可或缺的一部分，为了保证除氧器的安全稳定运行，除了需要安全可靠的工艺参数设计外，

2、更需要正确合理的控制系统。在 AP1000 核电机组中，除氧器液位控制系统采用单冲量控制模式，另外在甩负荷工况下还设置 NPSH控制。本文主要分析 AP1000核电机组除氧器液位控制系统原理，并根据当前 NPSH 控制的特点，结合除氧器控制系统 与给水控制系统的接口信息，分析当前控制方式存在的问题，提出在 NPSH 控制中使用核岛安全系统送出的给水隔离信号，增加控制系统的稳定性。 1 控制方案及分析 1.1 除氧器运行特点 在 AP1000核电厂中，二回路采用七级抽汽来加热凝结水和给水，除氧器位于四级低加之后，两级高加之前，相当于第五级加热器，由高压缸排汽的抽汽来加热，用于除去二回路水中的溶解

3、氧以及不凝气体，以保证给水品质，减少腐蚀，保护二回路设备。 除氧器有两种运行模式：定压运行和滑压运行。在机组启停阶段，高压缸 排汽温度及压力不足，此时，需要用主蒸汽来加热除氧器，以保证除氧器运行在一定的压力，这种运行方式就是定压运行。当高压缸排汽参数满足要求时，此时通过高压排汽抽汽来加热除氧器，随着机组负荷的变化，高压缸排汽参数也在不断变化，除氧器运行的压力也随之变化，需要通过调节抽汽量来控制除氧器压力维持在合适的范围内，这种运行方式就是滑压运行。本文论述的除氧器液位控制主要是在滑压运行工况下，通过控制轴封冷凝器之后的除氧器液位调节阀来进行。 1.2 正常运行工况下除氧器液位控制 机组正常运行

4、时，在自动调节模式 下，除氧器液位测量值经过中值选择后作为调节器的输入信号，调节器的设定值由主控室操纵员设定参与调节的信号有 LT 和 SV，作用如下： （ 1） LT：除氧器液位测量值。为了提高系统的可靠性，除氧器液位由三组差压变送器测量，将测量值通过中值选择器运算后，输出结果作为除氧器液位的反馈信号。 （ 2） SV：除氧器液位设定值。操纵员在主控制室设定除氧器正常运行液位值，实际液位值与设定值有偏差时， PI 调节器运算后输出至除氧器液位控制阀，通过阀门的动作使实际液位趋近于设定液位。 除氧器正常运行时，液位 调节自动控制，除氧器液位 LT作为唯一的调节量，调节器的输出用来控制液位调节阀

5、的开度，维持除氧器液位在设定值。 AP1000 除氧器液位控制阀分为大、小阀，小阀控制流量相对较少，在机组启停阶段主要通过小阀来控制凝结水流量。大、小阀的控制采用顺序控制的方式，主控室不能单独操作大、小阀的开度。在图 1 中， PI1 调节器输出一个总的阀门开度值，开度值经过函数 FX1和 FX2转化后分别输出小阀和大阀的开度值在机组启动阶段，二回路凝结水流量相对较小，主要通过小阀来控制凝结水流量，随着二回路流量的不断增大，小阀和大阀会 先后投入运行，阀门开启时按照先开小阀再开大阀的方式，关闭时按照先关大阀后关小阀的方式，即当 PI1 调节器的输出为 0%时，大小阀均处于关闭状态，随着 PI1

6、调节器的输出不断增大至 ?%，小阀开至最大，大阀全关，当 PI1调节器的输出继续增大时，大阀逐渐开启，小阀保持最大开度位置，当 PI1调节器的输出逐渐增大至 100%时，小阀开度最大，大阀全开。阀门关闭时，大小阀关闭的顺序与开启顺序相反。 1.3 甩负荷工况下除氧器液位控制 NPSH 控制：在机组运行过程中，当汽轮机发生甩负荷时，除氧器加热蒸汽迅速减 少，除氧器内部压力和温度也随之降低。由于液态水比热容较高，除氧器内部温度变化总是滞后于压力变化，因此，汽机甩负荷时，给水泵入口的压力要低于当前水温对应的汽化压力，可能造成给水泵的气蚀，影响系统稳定性和设备寿命。为了防止这些不安全工况发生，在 AP

7、1000 核电机组中，甩负荷工况下，为除氧器液位调节设置了 NPSH 控制，即净正吸入压头（ NetPositiveSuctionHead）控制，来保证在甩负荷工况下给水泵的压头，确保系统及设备安全运行，因此，一旦机组发生甩负荷，立即触发NPSH 控制。 液位控制分析 ：汽机运行时，如果一级蒸汽压力在 t 时间内下降超过P+Kt ，控制系统将会产生快速甩负荷信号，其中， P 为压力变化定值， K为单位时间内压力变化系数。在除氧器液位自动控制情况下，快速甩负荷将触发 NPSH控制命令，除氧器液位控制进入 NPSH控制模式。在这种模式下，为了保证机组在低负荷下安全运行，要限制进入除氧器的凝结水流量

8、，来保证除氧器内部压力不会快速下降。限制凝结水流量有两种模式：一级限流模式和二级限流模式。 一级限流模式：机组正常运行时，除氧器液位处于自动控制，只要有快速甩负荷信号产生，除氧器液位控制 系统将进入凝结水一级限流模式，进而触发 NPSH 控制命令。 二级限流模式：除氧器液位控制系统在一级限流模式下，如果伴随有汽轮机跳机信号，将触发二级限流，加速关闭除氧器液位控制阀。 NPSH 控制模式下，除氧器液位控制过程如图 3 所示。除氧器液位偏差信号经过 PI1调节器运算后产生一个阀门开度信号，凝结水流量偏差信号经过PI2 调节器运算后产生另一个阀门开度信号，两个开度信号的低值就是当前阀门的阀位值，这样

9、做会加速调节过程。其中，液位偏差为当前液位实测值与触发限流前液位设定值的偏差，流量偏差为当前凝 结水流量实测值与触发限流量前凝结水流量 % 的偏差。在 NPSH 控制模式下，除氧器液位控制阀也是采用大、小阀顺序控制的方式，和正常运行时的控制方式一致。 在 NPSH 控制模式下，一旦有以下条件中的任何一个发生，将退出凝结水限流模式。条件有：凝结水流量大于给水流量超过 10 秒、除氧器水箱液位低于 -1100mm、甩负荷小于 30%的情况下限流超过 60 秒、甩负荷大于 30%的情况下限流超过 600 秒、手动复位 NPSH 控制模式。 2 除氧器液位控制系统改进研究 2.1 存在问题 在 NPS

10、H控制 模式下，如果发生二级限流，即快速甩负荷和汽轮机跳机同时发生，则立即加速关闭除氧器液位控制阀，除氧器内进水立即停止，存水有可能不足以供水给核岛，影响蒸汽发生器冷却。当前这种设计，默认的一个前条件是汽机跳机时反应堆一定跳堆，即堆跟机模式，但是 AP1000核电厂的核岛设计方却未遵循此模式。在核岛反应堆功率控制逻辑中，当汽轮机跳机时，反应堆功率固然下降，但不一定跳堆，反应堆功率可通过快速降功率、汽机旁排系统以及反应堆功率控制系统控制在一定范围内。 2.2 改进方案 除氧器液位控制逻辑当前存在的问 题，主要是由常规岛方和核岛方的设计理念不同造成，因此，不同的设计方之间的接口一定要定义清晰。影响

11、除氧器水位的因素不仅与进水量有关系，与出水量同样相关，出水量即为给水流量。给水流量受 PLS（电厂控制系统）与 PMS（保护和安全监测系统）控制，在有蒸汽发生器液位高 3 限等条件出现时， PMS 系统将产生给水隔离信号，关闭给水隔离阀。鉴于以上分析，可以将当前的除氧器液位控制方案做出改进，将 PMS 系统产生的给水隔离信号用做 NPSH 控制的条件，在改进后的除氧器液位控制逻辑中，当汽轮机跳机和甩负荷同时发生时，如果PMS 系统没有 送过来给水隔离信号，即只是在二级限流模式下，除氧器液位控制依旧采用 NPSH 控制方式，会限制进入除氧器的凝结水，但不会完全关闭除氧器液位控制阀，这样会保证除氧

12、器水箱足够的水装量，来维持供水给核岛，不断地冷却蒸汽发生器。如果在二级限流模式下， PMS 系统又送来给水隔离信号，则立即关闭除氧器液位控制阀。当前的改进方案，可以实现核岛设计方跳机不跳堆的理念，针对当前的改进方案，需要关注一个关键点：给水隔离信号的传输方式。在目前设计中， PMS 系统将给水隔离信号通过通讯途径送至 DDS 高速数据网络， PLS 系统可以从高速数据网 络中读取数据，用来控制除氧器液位控制阀，信号传输简图如图 5 所示。 PMS 产生的给水隔离信号经过高速数量网络到 PLS 控制系统，均通过通讯的途径，全程采用冗余结构，即 PMS到 DDS数据网络的通讯是冗余结构，DDS 数

13、量服务器是冗余结构， DDS 数据服务器与 PLS 系统之间的通讯是冗余结构，同时 PLS系统的控制器也是冗余结构，核岛设计方针对此类冗余结构的网络给出的可靠性等级较高，用数据量化为平均无故障时间 108小时。但是根据核电厂其它重要设备的控制方式，如果信号用于控制联锁，则信号需要通过硬接线的方式接入控制 系统，这种通信方式更为可靠。因此，可以再增加一路硬接线，从 PMS 系统的 MTC（通讯柜）柜接到 PLS 系统的控制柜，这样即使网络发生故障，或者通讯协议失效， PLS 控制柜不能正确读取到网络中的信号点信息，也可以使用硬接线点信息，通讯点和硬接线点形成冗余结构，加强了控制系统的可靠性。同时

14、，这样的设计不会增加系统的复杂度，简单且易实现。 3 结语 除氧器液位控制系统是 AP1000核电厂中常规岛侧较为复杂的控制系统，控制逻辑的设计会影响整个系统的调节效果。在核电厂中，常规岛设计方与核岛设计方往往为不 同的机构，两者之间应该提供更为完整的通讯接口，才便于设计各自的逻辑，使整个控制系统更为完整。本文提出使用 PMS系统产生的给水隔离信号作为除氧器液位控制系统的条件，可以使控制系统更为稳定，同时分析实现这种控制方式的关键点。在后期项目的建设中，这样的控制方式值得借鉴，有实际利用价值。 参考文献 王挺，吴文辉，措姆，等 .核电常规岛给水除氧 器水位控制系统建模与仿真 J.电网与清洁能 源， 2011，（ 7） . 顾军，等 .AP1000 核电厂系统与设备 M.北京： 原子能出版社， 2010： 252-254. 王波，杨建蒙 .超临界机组除氧器水位控制特性分 析 J.电站系统工程， 2011， 4（ 27） . 作者简介：马波（ 1985 ），男，甘肃山丹人，中核集团三门核电有限公司调试处助理工程师，研究方向：核电调试。