核电站汽轮机高压缸入口压力控制模式优化

张庚秋

哈尔滨汽轮机厂有限责任公司 黑龙江哈尔滨 150090

核电站汽轮机控制系统，分为两个层次，能够针对汽轮机高压缸及低压缸进行压力模式控制。汽轮机控制系统的软件系统提供了人机界面操作模块，能够针对速度、加速度的快速变量输出控制信号，控制高压或低压调节阀，从而针对速度加速度的反馈值，进行快速调节。

1 汽轮机高压缸入口压力控制模式分析

1.1 高压缸入口压力模式调节控制原理分析

高压缸入口压力模式的调节控制，实际上就是基于一个简单的PID控制调节器。其基础原理与普通PID控制调节器没有较大的区别。主要是利用PID控制调节器，实现正反输入方向的两方面功能。一是通过正向作用，使高压缸入口压力得到压制，实现压力控制功能；二是利用反向作用，使高压缸入口压力获得提升，实现反应堆控制模式的功率提升。在具体实践过程中，为实现两种功能的切换，还需设计复杂的切换逻辑，配合实现两种功能。当高压缸实测入口压力小于压力参考值时，高压缸入口压力模式的蒸汽限制，输出为核定值的105%，这时有效蒸汽指令最大值为100%，同时是各个控制回路的选择，不会对105%的高压缸入口压力模式输出蒸汽限制起到限制作用。当高压缸实测入口压力值大于压力参考值时，高压缸入口压力模式的输出蒸汽限制，会逐步控制压力控制斜率曲线，直到高压缸入口压力模式的输出蒸汽限制值，下降并小于有效蒸汽指令，由此进入限制控制模式，完成汽轮机控制系统功率控制，对高压缸入口压力模式的取代[1]。

1.2 高压缸入口压力子模式切换原理分析

高压缸入口压力子模式切换原理是，完成工作状态与未工作状态的切换。工作状态的切换，会依照机组的运行模式，进行相应子模式的选择。相应的子模式包含正常运作模式、反应堆运行模式。高压缸入口压力正常模式与高压缸入口压力反应堆模式的切换，由模式切换逻辑信号进行控制。当反应堆功率上升到96%Pn时，就会发射一个时长为10秒的逻辑信号。如何攻率未达到96%Pn，则高压高入口压力模式会继续保持在正常模式控制，当达到百分之96篇时，模式就会根据逻辑信号切换正常模式至反应堆模式。

1.3 高压缸入口压力模式运行分析

高压缸入口压力子模式运行，包含正常模式运行及反应堆模式运行。正常模式运行，在汽轮机组正常启动后，投入高压缸入口压力模式控制，路口实测压力会与设置压力参考值进行比较，比较后将差值送入PI调节器进入调节输出。切换至反应堆模式运行时，机组到达96%Pn，强制机组停止继续自动提升功率，检测各系统处于和相关的完全可用信号，操作员手动启动升功率过程，确保核功率始终处于稳定安全的调节下，逐步到达满功率，防止升功率最后阶段出现反应堆超功率事件。

1.4 高压缸入口压力模式的缺陷分析

高压缸入口压力模式，存在正常模式与反应堆模式的内在需求冲突。正常模式对外部因素导致的功率异常上升工况，可以进行快速响应，遏制功率上升，防止反应堆超功率运行事件。正常模式能够防止汽轮机快速功率跃升工况，控制过程简单，可以较好的实现控制需求。而反应堆模式要应对未释放前的正常模式功率保护功能，以及释放后的PI曲线反向作用功率提升功能，因此反应堆模式所需的PI控制曲线更为复杂。因此，正常模式反应堆模式释放前压力控制以及反应堆模式释放后的功率提升，均使用PID调节器，促使一个压力控制倾斜率，会引发反应堆模式释放过程的震荡发散；过小的压力控制倾斜率，失去功率异常上升快速保护响应能力，同时反应堆压力模式释放完毕后，机组功率存在不确定性，这些都违背了反应堆模式释放动作的设计初衷[2]。高压缸实测入口压力回路，没有设计死区。这种情况会导致入口实测压力值直接进入PID调节器，进行控制调节。导致高压缸入口压力控制模式，为“控制—退出—控制—退出”这一循环投退过程。这种过程对于反应堆模式释放过程的影响，更为明显。这也是造成波动，甚至是振荡的主要原因之一。此外上位机负荷控制模式与高压缸入口压力模式存在切除转换的问题。由复合控制模式转化到高压缸入口压力模式，采用的是一入一出的切除模式，这一模式，在切除后直接进行高压缸入口压力模式的投入，仅保留一种模式的运行。如果投入后高压缸入口压力模式出现了非预期的瞬态，那么机组功率会受到严重的影响。

2 核电站汽轮机高压缸入口压力控制模式优化

2.1 增加高压缸入口实测压力死区设计

无论是在正常模式控制，还是在反应堆模式释放前后的控制中。高压入口实测压力都是共用的现场反馈信号。因此，应当首先解决高压缸入口实测压力回路的死区设计问题。死区设计的优化思路为，当高压缸实测压力与压力参考值之间的差值大于死区环节的数值时，该差值将被送入到PID调节器进行控制输入，直到高压缸实测压力回到死区环节之内为止[3]。

2.2 增加反应堆模式释放环节独立PI 控制器

针对正常压力控制与反应堆模式释放后功率提升，共用一套PI参数的设计，不能够更好的解决反应堆模式释放后机组功率震荡发散的问题。因此要设计一套专用于反应堆模式释放后功率提升控制的PI参数。通过增加新的PI参数，设置独立PID控制器，能够彻底解决高压缸入口压力模式PI调节问题。优化思路为，增加一套新的PI参数，在高压缸入口压力模式压力控制及反应堆模式释放后功率提升控制时，彻底分开。增加反应堆模式释放环节专用PID参数。优化后的反应堆模式，初始状态中新增了反应堆释放模式、PI控制斜率状态。降低的斜率值也只是降低PI调节的响应速率，有利于反应堆模式释放过程的稳定。优化后的试验曲线表明，在反应堆模式释放前后的压力控制过程中，这一PI控制器的加入，能够改善压力波动幅度，保证机组功率在高压缸入口压力模式下维持稳定，达到预期的优化效果。