某核电疏水排气系统紧急疏水阀控制分析与优化

郭顺青

（中核集团三门核电有限公司，浙江 台州 317112）

0 引言

某核电疏水排气系统（以下简称HDS）主要在凝结水系统、主给水系统以及汽水分离系统、再热器系统间传输疏水，与凝结水系统及主蒸汽系统配合达到防止汽轮机进水和提高汽轮机热效率的目的[1]。

HDS 疏水分为汽水再热分离器疏水、高压加热器疏水和低压加热器疏水三部分，每个加热器及疏水箱的输水管道上都有一条直接与凝汽器相连的紧急疏水管道，该管道具备快速疏水能力，单台机组共有24 个同类型的紧急疏水阀。汽轮机正常功率运行情况下疏水逐级流入下级加热器再利用，降低汽轮机热量的损失，异常情况下疏水可以由紧急疏水管道直接流入凝汽器，以防止加热器或者疏水箱满水流入汽轮机，对汽轮机叶片等设备造成损害[2]。

图1 高加疏水流程图Fig.1 Pressure heater drainage flow chart

1 技术背景

1.1 控制原理

从电厂启动开始，HDS 即自动控制给水加热器和疏水箱的水位。以图1 高加疏水器为例，加热器液位由3 个液位变送器中选实时测量液位，加热器疏水包括一条直接与凝汽器相连的紧急疏水管道和一条逐级自流到下级加热器的疏水管路，机组运行期间加热器疏水器通过正常疏水阀控制逐级自流到下级疏水器，当疏水不畅导致疏水液位高时，紧急疏水阀动作以维持液位在设定值范围。

图2 为高加疏水器的液位设计图，疏水器液位的控制逻辑是基于Ovation 平台实现的，液位控制范围设计为-200mm ～+1100mm，正常疏水阀（NWL）的控制定值为0mm，紧急疏水阀的控制定值为+100mm，高液位（HWL）的设定值为+150mm。当达到高液位定值后会联锁上游疏水阀关闭使加热器隔离，同时联锁到疏水器的抽汽逆止阀关闭停止抽汽，高高（HHWL）液位定值为+900mm；当达到高高液位定值后会进一步联锁关闭抽汽电动截止阀，防止疏水器中的水进入汽轮机，对汽轮机造成损害[3]。

1.2 故障现象

某核电在2020 年4 月份功率运行期间，发现7 号高加紧急疏水阀气动执行机构频繁充排气，经调取历史数据如图3 所示，该阀门指令在96.3%～100%（对应阀位在0%～3.7%）左右频繁波动，且该情况自运行以来一直存在，继续排查机组的其他紧急疏水阀，确认存在相同的问题，其开度指令信号均在小开度范围波动，但由于定位器对小开度信号响应灵敏度的不同，仅部分阀门出现频繁开启、关闭的波动现象；2020 年8 月，现场人员发现7 号高加紧急疏水阀气动头异常，进一步确认发现，该紧急疏水阀连接螺栓松脱、气动执行机构倾斜，气动头与执行机构基座上共有8 颗螺栓断裂了5 颗，仅靠剩余3 颗螺栓受力，阀门出现严重损坏。

图2 高加疏水器液位设计图Fig.2 Pressure heater drainage flow chart

图3 7号高加紧急疏水阀响应趋势Fig.3 Response trend of 7 HP heater emergency drain valve

图3 中，HDS-LT028-1-MED 为7 号高加疏水器液位值；HDS-V033B-DMD 为7 号高加紧急疏水阀阀门指令。

1.3 原因分析

查看设计文件，里面对正常疏水和紧急疏水阀控制有很明确的定义。正常疏水和紧急疏水控制阀定值分级设置目的就是紧急疏水阀只有在正常疏水阀全开达到最大疏水能力后，紧急疏水阀才会起作用，而目前现场高加正常疏水阀在中间开度调节时，紧急疏水阀却在频繁的波动，这种情况是不符合设计文件要求的。

根据逻辑配置紧急疏水阀的指令受高加液位值控制，调取7 号高加疏水器液位的历史数据如图4 所示，发现液位长期在±16mm 左右波动，液位的波动经过PID 运算后会使紧急疏水阀指令在95.9%～100%（对应阀位为0%～4.1%）之间波动，因此导致阀门频繁动作的原因可能有两方面：其一，疏水器正常疏水阀PID 参数配置不合适导致；其二，紧急疏水阀自身PID 参数设置不合理导致。

图4 7号高加紧急疏水阀响应历史趋势Fig.4 Response history trend of 7 HP heater emergency drain valve

图5 调整PID参数后紧急疏水阀响应趋势Fig.5 Response trend of 7 HP heater emergency drain valve after adjusting PID parameters

为确认其根本原因，在机组正常运行期间对高加正常疏水阀PID 参数进行调整，进行小幅调整后观察发现高加疏水器液位波动与之前相比无明显变化，紧急疏水阀指令仍在96.1%～100%（对应阀位在0%～3.9%）之间频繁不动，趋势图如图5 所示。另外，高加疏水器液位的波动相比其他高加疏水器液位波动稍大，但是该液位波动经过机组甩负荷、阶跃降功率等验证性试验能够满足机组设计要求，故排除正常疏水阀PID 参数配置不合适的原因导致紧急疏水阀频繁动作。继续检查紧急疏水阀逻辑参数，确认PID 算法中存在Hard Inhibit Behavior 一项参数配置为Disabled，在西门子、施耐德PLC 的PID 算法都没有这个参数，只有Ovation 的PID 算法里面有这个参数配置，该参数的解释如下：配置为Enabled 时，当PID 输出达到输出限值时会维持在输出限值不变，只有当输入偏差反向后，阀门输出才会相应改变；配置为Disabled，当PID 输出达到输出限值时，只要偏差的变化方向是使PID 离开限值位置，阀门输出就会改变，也就是说液位快速从0mm 涨到10mm 时，即使离设定值100mm 还有比较远的距离，但阀门也会小幅打开，故确认紧急疏水阀波动的原因为紧急疏水阀逻辑参数配置不合适。

2 优化与可行性分析

2.1 优化方案

根据上述分析可知，HDS 紧急疏水阀的频繁波动是由于紧急疏水阀PID 参数配置不合适导致，为减少紧急疏水阀的频繁波动，延长阀门的使用寿命，避免因阀门频繁动作导致的故障造成汽轮机热量损失，给机组的安全经济运行带来隐患，故提出以下两种方案对高加紧急疏水阀的控制逻辑参数进行优化。

方案一：将紧急疏水阀PID 中的Hard Inhibit Behavior参数配置为Enabled。

方案二：不改变PID 中的Hard Inhibit Behavior 参数配置，对紧急疏水阀的指令函数FX 进行优化。

2.2 可行性分析

对于方案一， 紧急疏水阀PID 中的Hard Inhibit Behavior 参数配置修改为Enabled，也就是说当PID 输出达到输出限值时会维持在输出限值不变，只有当输入偏差反向后即疏水器液位上涨超过+100mm 后，紧急疏水阀的输出才会发生变化，阀门才会动作以防止疏水器的液位继续升高。修改配置后延缓了阀门对于液位的响应，可能会导致疏水器液位上涨的程度要高于未修改该配置的液位，然而在设计文件中明确了为避免疏水器中的水进入汽轮机的主要防御措施是靠两级联锁定值，即高液位和高高液位的联锁，而紧急疏水阀配置的目的主要是防止疏水器液位进一步上涨触发加热器隔离而影响汽轮机的热效率，另外从疏水器液位设计图可以看出，即使液位涨到了高高液位，也只是到了疏水器的中心线位置，疏水器液位定值的设计是很保守的，即使把PID 中的Hard Inhibit Behavior 参数配置修改为Enabled，对HDS 系统的影响也是非常小的，也不会对汽轮机的进水保护产生影响。

对于方案二，对紧急疏水阀的指令函数FX 进行优化，即不改变PID 中的Hard Inhibit Behavior 参数配置，在线修改阀门指令上游的函数如图6 所示，将0 ～4.999 范围内的阀位指令输出100%指令维持阀门全关，该种方案能有效抑制0%～5%阀位的小幅波动，即阀位指令大于95%时阀门不动作。对于系统的影响分析，修改PID 出口的指令曲线闭锁大于95%（对应于5%阀位开度）的指令，对应的流量仅占紧急疏水阀的2.5%左右；另外，修改曲线后不影响PID 的响应，虽然前5%指令不动作，后面的95%因曲线的比例增益变大阀门会动作更快，所以对紧急疏水阀的正常调节及疏水功能基本无影响，对疏水阀的疏水能力的影响也非常小，不会对汽轮机的进水保护产生影响。

图6 紧急疏水阀指令函数FX修改图Fig.6 Modification diagram of emergency drain valve command function FX

图7 修改Hard Inhibit Behavior配置后紧急疏水阀响应仿真趋势Fig.7 Simulation trend of emergency drain valve after modifying Hard Inhibit Behavior configuration

图8 优化指令函数FX后紧急疏水阀响应趋势Fig.8 Response trend of emergency drain valve after optimize instruction function FX

2.3 仿真与调试验证

对于方案一在实验室模拟现场实际液位在±16mm 之间波动，从仿真图7 中可以看出，更改配置后紧急疏水阀指令在100%保持不变，只有当液位值超过设定值100mm时，紧急疏水阀才会正常响应，但是在实验室仿真时发现PID 中的Hard Inhibit Behavior 参数配置需要通过软件下装的形式进行修改，无法在线下装，需要控制器离线才能下装，因控制器上带的设备较多，在机组运行期间整个控制器离线对电厂的安全运行危害较大。

对于方案二可以在线修改紧急输水阀的指令函数，对紧急疏水阀的指令函数FX 优化方案进行调试试验，从调试结果图8 中可以看出，在机组正常运行期间可以有效抑制紧急疏水阀因疏水器液位的小幅波动导致的阀门频繁动作。

从以上验证结果可知，两种方案都能解决紧急疏水阀的频繁波动问题，方案一能够彻底解决紧急疏水阀受其设定值以下液位波动的影响，且符合设计文件对紧急疏水阀控制功能和能力的要求，但目前机组处于功率运行模式，执行PID 的Hard Inhibit Behavior 参数修改风险较大，故先执行方案二对指令函数FX 进行优化，以达到抑制或者减缓阀门频繁波动的问题，等机组停下来之后再执行方案一对PID 配置参数进行优化。

3 结论

本文以某核电高加紧急疏水阀频繁波动问题为研究对象，提出针对此问题的解决方案，并经仿真和调试验证通过此次优化能有效解决紧急疏水阀频繁波动的问题，避免因阀门的频繁波动导致阀门损坏事件发生，进而影响汽轮机的热效率和产生汽轮机进水的风险，因此该优化方案能提高整个电厂的经济效益，保证机组的安全稳定运行；同时，该优化方案可以应用到该机组其他23 个紧急疏水阀的控制逻辑上面，另外也为其他电厂解决紧急疏水阀频繁波动问题提供借鉴，具有广泛的应用价值。