裴振坤

( 中廣核工程有限公司，廣東省深圳市518124)

除氧器保壓控制策略在寧德核電站的應(yīng)用

裴振坤

( 中廣核工程有限公司，廣東省深圳市518124)

通過對寧德核電站1號機組除氧器工作原理、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、運行方式的研究，對除氧器保壓控制策略的設(shè)計目的、適用工況、探測原理及實現(xiàn)方法等進(jìn)行了深入地分析?？偨Y(jié)了調(diào)試期間出現(xiàn)的問題及解決方案，在機組進(jìn)行跳機不跳堆、甩50%負(fù)荷至汽輪機額定轉(zhuǎn)速等典型瞬態(tài)試驗時，對除氧器保壓控制策略的響應(yīng)首次進(jìn)行了全面驗證，結(jié)果顯示除氧器蒸汽壓力控制平穩(wěn)，相關(guān)經(jīng)驗具有一定的借鑒意義。

核電站；除氧器；自動控制；瞬態(tài)工況

0 引 言

福建寧德核電站一期建設(shè)4臺百萬kW級壓水堆核電機組，采用中廣核集團(tuán)具有自主品牌的CPR1000技術(shù)，單機裝機容量1 089 MW。工程采用大連日立機械設(shè)備公司生產(chǎn)的型號為GC-6000/GS-410淋水盤式單體臥式無頭除氧器，除氧器總長48.5 m，內(nèi)徑4.4 m，總?cè)莘e718 m3，最高工作壓力0.86 MPa，最高工作溫度178.1 ℃，最低穩(wěn)定運行壓力0.17 MPa，額定出力5 982.5 t/h。機組正常運行時，除氧器蒸汽流量維持在200 t/h，除氧器采取定壓與滑壓相結(jié)合的運行方式。鑒于淋水盤式除氧器的結(jié)構(gòu)特點，為防止損壞內(nèi)部淋水盤，除氧器要求內(nèi)部壓降速率小于0.2 MPa/min[1]。除氧器保壓控制策略可以在機組甩負(fù)荷等瞬態(tài)工況下快速打開主蒸汽至除氧器壓力調(diào)節(jié)閥，保證除氧器壓力控制平穩(wěn)，并降低由于除氧器壓力下降過低造成主給水泵發(fā)生汽蝕的風(fēng)險[2]。

目前國內(nèi)學(xué)者對大容量發(fā)電機組的除氧器選型及瞬態(tài)過程進(jìn)行了大量的理論分析及仿真計算，但對核電機組除氧器瞬態(tài)工況下壓力控制的實際應(yīng)用、出現(xiàn)問題及解決方案研究較少。本文采用了除氧器壓力設(shè)定值數(shù)字化的計算方法，將給定值直接作為除氧器甩負(fù)荷壓力控制器的設(shè)定值輸入，通過設(shè)定值的階躍增加，甩負(fù)荷壓力控制器快速控制主蒸汽至除氧器壓力調(diào)節(jié)閥的開度，甩負(fù)荷壓力控制器與正常壓力控制器的輸出相互跟蹤，實現(xiàn)無擾切換。通過寧德核電站1號機組啟動試驗期間進(jìn)行的典型瞬態(tài)試驗，獲得了機組的實際瞬態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)，對試驗情況進(jìn)行了深入分析，對除氧器保壓控制策略在數(shù)字化控制系統(tǒng)實現(xiàn)過程中出現(xiàn)的典型問題進(jìn)行了及時處理。

1 除氧器介紹

1.1 除氧器工作原理

除氧器的基本功能是加熱給水并去除給水中的氧和其他不凝結(jié)氣體，保證向給水泵連續(xù)提供含氧量合格的給水，以最大限度減少對蒸汽發(fā)生器、汽機及其熱力系統(tǒng)中輔機、管道閥門等的腐蝕。除氧器熱力除氧的原理是以亨利定律和道爾頓定律作為理論基礎(chǔ)的，即任何一個容器內(nèi)混合氣體的總壓力等于各種組成氣體分壓力之和[3]。在一定溫度下，溶于水中的氣體與自水中離析的氣體處于動平衡狀態(tài)時，單位體積水中溶解的氣體量和水面上該氣體的分壓力成正比[4]。當(dāng)給水被定壓加熱時，隨著水的蒸發(fā)過程不斷加強，水面上蒸汽的分壓力逐漸升高，相應(yīng)水面上其他氣體的分壓力不斷降低。當(dāng)水被加熱到除氧器壓力下的飽和溫度時，水蒸氣的分壓力就會接近水面上的全壓力，水面上各種氣體的分壓力將趨近于0，從而溶解于水中的氣體就會從水中溢出而被除去。

1.2 除氧器正常運行方式

控制除氧器內(nèi)的壓力，一方面可以保證除氧器的除氧效果，為機組連續(xù)提供含氧量合格的給水。另一方面可保證主給水泵入口有足夠的吸入壓頭，以防止主給水泵發(fā)生汽蝕。為提高經(jīng)濟(jì)效益，本機組除氧器采取定壓和滑壓相結(jié)合的運行方式，設(shè)計了輔助蒸汽至除氧器壓力調(diào)節(jié)閥、主蒸汽至除氧器壓力調(diào)節(jié)閥、除氧器抽汽逆止閥，2個主蒸汽至除氧器排放閥共同實現(xiàn)正常工況下除氧器的壓力調(diào)節(jié)和事故工況下接受旁路系統(tǒng)排放的蒸汽，除氧器系統(tǒng)流程如圖1所示[5]。

圖1 除氧器系統(tǒng)流程簡圖

(1)機組啟動初期無負(fù)荷期間，除氧器采用輔助蒸汽作為加熱汽源，控制除氧器壓力在0.143 MPa；

(2)機組低負(fù)荷運行期間，采用主蒸汽經(jīng)調(diào)節(jié)閥減壓后作為除氧器的加熱汽源，壓力控制在0.17 MPa；

(3)機組高負(fù)荷運行期間，機組功率在270 MW時除氧器抽汽逆止閥前壓力超過0.17 MPa，主蒸汽至除氧器壓力調(diào)節(jié)閥逐漸關(guān)閉，在機組功率超過300 MW時，主蒸汽至除氧器壓力調(diào)節(jié)閥完全關(guān)閉，至此除氧器由定壓運行轉(zhuǎn)入滑壓運行，除氧器蒸汽壓力隨機組負(fù)荷在0.17至0.83 MPa之間變動。此時系統(tǒng)能允許發(fā)生最大為10%負(fù)荷的階躍下降而不需利用新蒸汽來保持除氧器的壓力[6]。

1.3 除氧器快開控制及閉鎖

當(dāng)機組發(fā)生汽機跳閘等瞬態(tài)工況時，除氧器保壓控制策略生效，主蒸汽至除氧器壓力調(diào)節(jié)閥迅速開大，有效減小除氧器壓力的下降速率。主蒸汽至除氧器排放閥作為旁路系統(tǒng)的第4組閥門，下列任一條件滿足時將受旁路系統(tǒng)快開信號的控制：

(1)反應(yīng)堆跳堆且一回路溫度比設(shè)定值高20 ℃；

(2)機組功率<50%、旁路系統(tǒng)處于溫度控制模式、當(dāng)發(fā)生短電網(wǎng)故障(2 min內(nèi)機組功率下降超過15%)未跳堆且一回路溫度比設(shè)定值高14.9 ℃；

(3)機組功率<50%、旁路系統(tǒng)處于溫度控制模式、當(dāng)核功率>40%時發(fā)生跳機未跳堆且一回路溫度比設(shè)定值高14.9 ℃。

為防止反應(yīng)堆一回路過冷或排放蒸汽時高溫導(dǎo)致除氧器損壞，當(dāng)下列任一條件觸發(fā)時，主蒸汽至除氧器壓力調(diào)節(jié)閥及主蒸汽至除氧器排放閥將被閉鎖打開，主蒸汽至除氧器閥門的閉鎖指令優(yōu)先于閥門快開指令及正常調(diào)節(jié)指令[7]：

(1)反應(yīng)堆跳堆延時50 s后；

(2)一回路溫度<284 ℃；

(3)除氧器水位≥0.8 m；

(4)凝汽器到除氧器的給水喪失。

2 除氧器保壓控制策略實現(xiàn)

2.1 保壓控制策略的意義及原理

機組在300 MW以上高負(fù)荷運行期間，除氧器處于滑壓運行狀態(tài)，除氧器壓力跟隨機組負(fù)荷的變化而變動。除氧器滑壓運行帶來的主要問題是：機組負(fù)荷變動時除氧器內(nèi)水溫的變化滯后于除氧器壓力的變化。在負(fù)荷驟升時，除氧器壓力較溫度上升速度更快，導(dǎo)致除氧效果惡化。在負(fù)荷驟降時，高壓缸排汽壓力迅速下降，除氧器壓力較溫度下降速度更快，有損壞除氧器淋水盤的風(fēng)險，并容易導(dǎo)致主給水泵汽蝕[8]。在除氧器選型、安裝高度、主給水泵選型均已確定情況下，解決上述問題行之有效的辦法就是快速投入新汽源，阻止除氧器壓力持續(xù)下降。但僅靠主蒸汽至除氧器壓力調(diào)節(jié)閥正常的PID調(diào)節(jié)已不能迅速將閥門開大維持除氧器壓力在0.17 MPa，除氧器壓力將發(fā)生較大下降。通過檢測除氧器抽汽逆止閥前壓力下降速率的大小可準(zhǔn)確判斷機組是否處于甩負(fù)荷工況, 邏輯如圖2所示。

圖2 除氧器保壓邏輯簡圖

2.2 除氧器壓力設(shè)定值的形成

當(dāng)控制系統(tǒng)檢測到除氧器抽汽逆止閥前壓力下降速率大于0.003 MPa/s時，機組處于甩負(fù)荷工況，觸發(fā)除氧器保壓模式生效。此時記憶除氧器壓力，延時45 s后，在此基礎(chǔ)上增加0.36 MPa的偏置作為初始設(shè)定值。除氧器壓力設(shè)定值在偏置生效后即以0.1 MPa/min的速率下降，當(dāng)設(shè)定值下降為0或除氧器抽汽逆止閥前壓力比除氧器壓力高0.016 MPa時復(fù)位除氧器保壓模式。除氧器壓力設(shè)定值形成邏輯見圖3。除氧器壓力設(shè)定值的時間函數(shù)是根據(jù)機組熱平衡圖并通過瞬態(tài)仿真計算所得，見圖4。通過對除氧器壓力設(shè)定值的定量計算，計算結(jié)果直接作為甩負(fù)荷時除氧器壓力控制器的設(shè)定值輸入，可快速控制主蒸汽至除氧器壓力調(diào)節(jié)閥打開一定開度，使新蒸汽快速進(jìn)入除氧器，在滿足現(xiàn)有除氧器壓力控制系統(tǒng)基本性能要求的基礎(chǔ)上，提高了除氧器壓力控制的響應(yīng)速度及控制精度。

圖3 除氧器壓力定值形成回路

圖4 除氧器壓力設(shè)定值的時間函數(shù)

2.3 除氧器給水控制策略

結(jié)合機組的實際運行特性，機組在大于50%功率平臺發(fā)生甩負(fù)荷或跳機不跳堆等工況50 s后機組的給水溫度將大幅下降，除氧器水位采用單回路控制的響應(yīng)較慢將導(dǎo)致大量低溫給水進(jìn)入除氧器，使除氧器內(nèi)壓力迅速下降，大幅降低主給水泵的汽蝕余量。為配合除氧器保壓控制策略的成功應(yīng)用，保證主給水泵的安全運行[9]，除氧器給水控制設(shè)計了除氧器水位控制與給水流量控制雙模式控制策略，除氧器保壓模式生效時處于流量控制模式，可快速實現(xiàn)對除氧器供水的限制。正常運行時處于水位控制模式，可保證除氧器水位穩(wěn)定，2種控制策略可以自動實現(xiàn)無擾切換。除氧器給水調(diào)節(jié)采取雙閥控制，可由操縱員通過開關(guān)來選擇參與控制的閥門，給水流量控制模式的邏輯見圖5。在符合設(shè)計的瞬態(tài)工況發(fā)生時，除氧器給水調(diào)節(jié)自動切換為流量控制模式，被調(diào)量為低加出口流量。

由機組熱平衡圖和除氧器動態(tài)模型的仿真計算結(jié)果可知，流量設(shè)定值為流量模式觸發(fā)時間的函數(shù)[10]，流量模式觸發(fā)350 s后，即流量設(shè)定值從3 924 t/h逐步減小為2 520 t/h時，自動切換為水位控制模式，給水流量設(shè)定值時序見圖6。機組發(fā)生甩負(fù)荷等工況55 s后，給水溫度大幅降低時通過迅速減少除氧器給水流量設(shè)定值保持除氧器壓力穩(wěn)定，為主給水泵提供足夠的安全汽蝕余量[11]。

圖5 除氧器給水流量控制模式邏輯簡圖

圖6 給水流量設(shè)定值時序圖

3 問題分析及解決方案

(1)二次保壓失敗。模擬除氧器保壓試驗過程中，在進(jìn)行第2次保壓試驗時保壓模式被提前復(fù)位，導(dǎo)致保壓控制失敗。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，在第1次保壓試驗成功后，除氧器壓力設(shè)定值的時間函數(shù)輸出保持為負(fù)值，除氧器保壓模式壓力設(shè)定值≤0。當(dāng)再次啟動保壓控制時，由于DCS信號采集、邏輯運算需一定周期[12]，保壓模式生效第1個運算周期內(nèi)除氧器壓力設(shè)定值的偏置尚未計算為0.36 MPa，除氧器保壓模式的壓力設(shè)定值仍≤0，導(dǎo)致保壓模式被提前復(fù)位，保壓控制失敗。因此，在除氧器保壓模式壓力設(shè)定值≤0復(fù)位保壓模式的邏輯中增加了1 s的延時模塊，有效規(guī)避了DCS運算周期帶來的時間差[13]，確保了除氧器保壓控制的正確動作。

(2)除氧器壓力變送器、除氧器抽汽逆止閥前壓力變化率的量程設(shè)置不滿足現(xiàn)場需求。機組在滿功率運行時除氧器抽汽逆止閥前壓力為0.83 MPa，該平臺發(fā)生甩負(fù)荷工況，根據(jù)保壓邏輯在45 s后設(shè)定值將在原基礎(chǔ)上自動增加0.36 MPa，設(shè)定值瞬間可以達(dá)到1.19 MPa，而除氧器壓力變送器量程設(shè)置為0～1 MPa，不滿足現(xiàn)場需求，后將量程變更為0～1.2 MPa。除氧器抽汽逆止閥前壓力變化率的量程原設(shè)置為0～1.2 MPa/s，實際發(fā)生甩負(fù)荷工況時除氧器抽汽逆止閥前壓力將迅速下降，變化率為負(fù)值，原量程無法滿足控制需求。將除氧器抽汽逆止閥前壓力變化率量程修改為-0.05～0.05 MPa/s，經(jīng)驗證可滿足現(xiàn)場需求。

(3)保壓模式被頻繁觸發(fā)。汽輪機沖轉(zhuǎn)期間由于除氧器抽汽逆止閥前壓力波動導(dǎo)致除氧器保壓模式被頻繁觸發(fā)，主蒸汽至除氧器壓力調(diào)節(jié)閥不斷開大，致使除氧器壓力、溫度持續(xù)升高，間接提高了備用主給水泵機械密封水的出口溫度，有造成主給水泵失去備用的風(fēng)險，也不利于除氧器的安全運行。為防止變送器波動導(dǎo)致除氧器保壓邏輯誤觸發(fā)，對除氧器抽汽逆止閥前壓力增加了1 s的一節(jié)慣性環(huán)節(jié)再進(jìn)行變化率判斷。由于機組在270 MW及以下負(fù)荷運行時，除氧器抽汽逆止閥前壓力<0.17 MPa，除氧器蒸汽尚未由高壓缸排汽供應(yīng)。此時保壓模式的生效對除氧器壓力控制無益，建議后續(xù)可在除氧器保壓模式生效邏輯中增加機組低負(fù)荷時的閉鎖條件。

(4)存在模式切換失敗的風(fēng)險。除氧器給水控制由水位控制模式切換為流量控制模式的判斷條件之一為瞬態(tài)工況發(fā)生前機組功率>50%，該條件未設(shè)置后延時功能，在控制系統(tǒng)采集到汽機跳閘或甩負(fù)荷信號時機組功率可能已降低至50%以下，存在模式切換失敗的風(fēng)險。因此，在機組功率>50%條件后增加了3 s的后延時模塊，及時記憶了機組跳閘前的功率水平，確保了除氧器給水控制模式切換的動作準(zhǔn)確。

(5)除氧器給水控制由水位控制模式切換為流量控制模式時，給水流量的初始設(shè)定值為定值(3 924 t/h)，將導(dǎo)致機組低功率甩負(fù)荷時除氧器水位波動較大。因此，可考慮將給水流量的設(shè)定值優(yōu)化為瞬態(tài)工況發(fā)生前機組負(fù)荷的函數(shù)，這樣有利于降低除氧器水位波動，使除氧器給水流量控制模式更好地適應(yīng)多功率平臺下的瞬態(tài)工況。

4 瞬態(tài)工況下除氧器保壓控制策略的響應(yīng)

(1)甩負(fù)荷擾動試驗。機組在50%—15%—50%功率平臺進(jìn)行5%/min負(fù)荷線性變化試驗時，除氧器抽汽逆止閥前壓力變化率為±0.001 MPa/s；機組在30%功率平臺進(jìn)行10%負(fù)荷階躍變化試驗時，除氧器抽汽逆止閥前壓力變化率為±0.001 MPa/s；機組進(jìn)行負(fù)荷線性變化試驗及負(fù)荷階躍變化試驗時，除氧器抽汽逆止閥前壓力的下降速率均小于0.003 MPa/s，除氧器保壓模式未觸發(fā)，主蒸汽至除氧器壓力調(diào)節(jié)閥未開啟，除氧器蒸汽壓力控制平穩(wěn)，滿足設(shè)計要求。

(2)跳機不跳堆及反應(yīng)堆跳堆試驗。機組在50%功率平臺進(jìn)行跳機不跳堆試驗時，除氧器抽汽逆止閥前壓力變化率為±0.002 MPa/s。50%功率平臺進(jìn)行反應(yīng)堆跳堆試驗時，除氧器抽汽逆止閥前壓力變化率為-0.002～0.003 MPa/s，下降速率均未超過0.003 MPa/s，除氧器保壓模式未觸發(fā)。

(3)甩負(fù)荷試驗。機組在50%功率平臺進(jìn)行甩負(fù)荷至汽輪機額定轉(zhuǎn)速試驗，除氧器抽汽逆止閥前壓力變化率為-0.015～0.002 MPa/s，小于-0.003 MPa/s，延時45 s后除氧器保壓模式自動觸發(fā)，除氧器蒸汽壓力設(shè)定值由試驗前的0.339 MPa自動增加到0.699 MPa，主蒸汽至除氧器壓力調(diào)節(jié)閥迅速響應(yīng)開大至35%。隨后設(shè)定值按0.1 MPa/min的速率自動下降，除氧器壓力由除氧器壓力保壓控制器自動調(diào)節(jié)，機組甩負(fù)荷7min 19 s后，除氧器壓力調(diào)節(jié)由保壓控制器自動切換為正常壓力控制器。除氧器保壓模式觸發(fā)期間，除氧器壓力最高為0.368 MPa，最低為0.207 MPa，下降速率為0.025 MPa/min，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于除氧器不高于0.2 MPa/min的要求，有效保證了除氧器和主給水泵的安全運行，具體趨勢見圖7。

1—機組負(fù)荷；2—汽機轉(zhuǎn)速；3—除氧器壓力；4—除氧器抽汽逆止閥前壓力；5—除氧器抽汽逆止閥前壓力變化率；6—除氧器保壓模式設(shè)定值；7—主蒸汽至除氧器壓力調(diào)節(jié)閥開度；8—除氧器保壓模式。

圖7機組甩50%負(fù)荷至汽輪機額定轉(zhuǎn)速

Fig.7Rejecting50%loadtoratedspeed

5 結(jié) 語

通過對除氧器保壓控制策略及除氧器給水控制策略的不斷調(diào)整，除氧器保壓模式觸發(fā)正常，除氧器給水控制模式切換準(zhǔn)確。在機組30%、50%功率平臺期間進(jìn)行了負(fù)荷擾動、跳機不跳堆、甩負(fù)荷至空載、甩負(fù)荷至廠用電、反應(yīng)堆跳堆等多種典型瞬態(tài)試驗，除氧器壓力、水位控制平穩(wěn)，除氧器壓力下降速率為0.025MPa/min，滿足除氧器結(jié)構(gòu)的要求，保障了除氧器及主給水泵的穩(wěn)定運行，為機組的安全運行創(chuàng)造了有利條件。寧德核電站除氧器保壓控制策略的成功應(yīng)用可為后續(xù)核電機組的調(diào)試起到一定的借鑒作用。

[1]石建中，薛海青，胡友情.1 000 MW級核電站大型除氧器選型分析[J].發(fā)電設(shè)備，2011，25(3)：15-162.

[2]鄒羅明，范永春. 除氧器暫態(tài)計算影響因素探討[J].電力建設(shè)，2010，31(11)：102-105.

[3]劉星，李平洋，姜成仁. STORK型與淋水盤式除氧器性能比較[J].核動力工程，2009，30(6)：15-18.

[4]楊世銘，陶文銓. 傳熱學(xué)[M]. 北京：高等教育出版社，1998.

[5]廣東核電培訓(xùn)中心. 900 MW壓水堆核電站系統(tǒng)與設(shè)備[M]. 廣東：原子能出版社，2005.

[6]鄭富裕,邵向業(yè),頂云峰. 壓水堆核電廠運行[M]. 北京: 原子能出版社, 1994.

[7]武杰，劉非. 汽輪機跳閘反應(yīng)堆不停堆試驗瞬態(tài)分析與設(shè)計優(yōu)化 [J]. 中國核電，2011，3(4)：351-359.

[8]田豐，徐之昌，劉務(wù)波.國產(chǎn)300 MW機組除氧器暫態(tài)過程試驗研究[J]. 中國電機工程學(xué)報，2003，23(2)：177-182.

[9]王堅. 除氧器布置優(yōu)化及暫態(tài)計算方法[J].電力建設(shè)，2006，27(9)：41-44.

[10]姜成仁，張世軍. 核電站除氧器瞬態(tài)研究[J].核動力工程，2009，30(6)：19-22.

[11]郭玉雙，劉亞全.除氧器運行安全可靠性分析[J].沈陽電力高等專科學(xué)校學(xué)報，2000，2(1)：5-7.

[12]肖大雛. 控制設(shè)備及系統(tǒng)[M]. 北京:中國電力出版社,2006.

[13]孟亞男,佟威. 核電數(shù)字化儀控系統(tǒng)[M]. 北京:中國電力出版社,2006.

(編輯：張小飛)

ApplicationofDeaeratorPressureControlStrategyinNingdeNuclearPowerStation

PEI Zhenkun

(China Nuclear Power Engineering Co., Ltd., Shenzhen 518124,Guangdong Province, China)

Through the research on the working principle, internal structure, and operation mode of deaerator in unit 1 in Ningde nuclear power station, this paper deeply analyzed the design purpose, suitable operating mode, detection principle and implementation method of deaerator pressure control strategy, and summarized the problems that appeared in commissioning stage and their solutions. Then, this paper verified the response of deaerator pressure control strategy in typical transient tests, such as turbine trip and rejecting 50% load to rated speed. The results show that the steam pressure of deaerator can be controlled smoothly. The relevant experience has a certain reference value for other nuclear power station.

nuclear power station; deaerator; automatic control; transient condition

TM 623

： A

： 1000-7229(2014)06-0142-05

10.3969/j.issn.1000-7229.2014.06.027

2013-12-24

：2014-02-17

裴振坤(1981)，男，大學(xué)本科，工程師，現(xiàn)主要從事核電站儀控調(diào)試工作，E-mail:pzk_cn@163.com。