除氧器保壓控制策略在寧德核電站的應用

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、內部結構、運行方式的研究，對除氧器保壓控制策略的設計目的、適用工況、探測原理及實現方法等進行了深入地分析。總結了調試期間出現的問題及解決方案，在機組進行跳機不跳堆、甩50%負荷至汽輪機額定轉速等典型瞬態試驗時，對除氧器保壓控制策略的響應首次進行了全面驗證，結果顯示除氧器蒸汽壓力控制平穩，相關經驗具有一定的借鑒意義。

核電站；除氧器；自動控制；瞬態工況

0 引 言

福建寧德核電站一期建設4臺百萬kW級壓水堆核電機組，采用中廣核集團具有自主品牌的CPR1000技術，單機裝機容量1 089 MW。工程采用大連日立機械設備公司生產的型號為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，內徑4.4 m，總容積718 m3，最高工作壓力0.86 MPa，最高工作溫度178.1 ℃，最低穩定運行壓力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合的運行方式。鑒于淋水盤式除氧器的結構特點，為防止損壞內部淋水盤，除氧器要求內部壓降速率小于0.2 MPa/min[1]。除氧器保壓控制策略可以在機組甩負荷等瞬態工況下快速打開主蒸汽至除氧器壓力調節閥，保證除氧器壓力控制平穩，并降低由于除氧器壓力下降過低造成主給水泵發生汽蝕的風險[2]。

目前國內學者對大容量發電機組的除氧器選型及瞬態過程進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工況下壓力控制的實際應用、出現問題及解決方案研究較少。本文采用了除氧器壓力設定值數字化的計算方法，將給定值直接作為除氧器甩負荷壓力控制器的設定值輸入，通過設定值的階躍增加，甩負荷壓力控制器快速控制主蒸汽至除氧器壓力調節閥的開度，甩負荷壓力控制器與正常壓力控制器的輸出相互跟蹤，實現無擾切換。通過寧德核電站1號機組啟動試驗期間進行的典型瞬態試驗，獲得了機組的實際瞬態響應數據，對試驗情況進行了深入分析，對除氧器保壓控制策略在數字化控制系統實現過程中出現的典型問題進行了及時處理。

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氣體，保證向給水泵連續提供含氧量合格的給水，以最大限度減少對蒸汽發生器、汽機及其熱力系統中輔機、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的，即任何一個容器內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]。當給水被定壓加熱時，隨著水的蒸發過程不斷加強，水面上蒸汽的分壓力逐漸升高，相應水面上其他氣體的分壓力不斷降低。當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

控制除氧器內的壓力，一方面可以保證除氧器的除氧效果，為機組連續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，以防止主給水泵發生汽蝕。為提高經濟效益，本機組除氧器采取定壓和滑壓相結合的運行方式，設計了輔助蒸汽至除氧器壓力調節閥、主蒸汽至除氧器壓力調節閥、除氧器抽汽逆止閥，2個主蒸汽至除氧器排放閥共同實現正常工況下除氧器的壓力調節和事故工況下接受旁路系統排放的蒸汽，除氧器系統流程如圖1所示[5]。

圖1 除氧器系統流程簡圖

(1)機組啟動初期無負荷期間，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)機組低負荷運行期間，采用主蒸汽經調節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節閥逐漸關閉，在機組功率超過300 MW時，主蒸汽至除氧器壓力調節閥完全關閉，至此除氧器由定壓運行轉入滑壓運行，除氧器蒸汽壓力隨機組負荷在0.17至0.83 MPa之間變動。此時系統能允許發生最大為10%負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

當機組發生汽機跳閘等瞬態工況時，除氧器保壓控制策略生效，主蒸汽至除氧器壓力調節閥迅速開大，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的第4組閥門，下列任一條件滿足時將受旁路系統快開信號的控制：

(1)反應堆跳堆且一回路溫度比設定值高20 ℃；

(2)機組功率<50%、旁路系統處于溫度控制模式、當發生短電網故障(2 min內機組功率下降超過15%)未跳堆且一回路溫度比設定值高14.9 ℃；

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

為防止反應堆一回路過冷或排放蒸汽時高溫導致除氧器損壞，當下列任一條件觸發時，主蒸汽至除氧器壓力調節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先于閥門快開指令及正常調節指令[7]：

(1)反應堆跳堆延時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

2.1 保壓控制策略的意義及原理

機組在300 MW以上高負荷運行期間，除氧器處于滑壓運行狀態，除氧器壓力跟隨機組負荷的變化而變動。除氧器滑壓運行帶來的主要問題是：機組負荷變動時除氧器內水溫的變化滯后于除氧器壓力的變化。在負荷驟升時，除氧器壓力較溫度上升速度更快，導致除氧效果惡化。在負荷驟降時，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險，并容易導致主給水泵汽蝕[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下降。但僅靠主蒸汽至除氧器壓力調節閥正常的PID調節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確判斷機組是否處于甩負荷工況, 邏輯如圖2所示。

圖2 除氧器保壓邏輯簡圖

2.2 除氧器壓力設定值的形成

當控制系統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，機組處于甩負荷工況，觸發除氧器保壓模式生效。此時記憶除氧器壓力，延時45 s后，在此基礎上增加0.36 MPa的偏置作為初始設定值。除氧器壓力設定值在偏置生效后即以0.1 MPa/min的速率下降，當設定值下降為0或除氧器抽汽逆止閥前壓力比除氧器壓力高0.016 MPa時復位除氧器保壓模式。除氧器壓力設定值形成邏輯見圖3。除氧器壓力設定值的時間函數是根據機組熱平衡圖并通過瞬態仿真計算所得，見圖4。通過對除氧器壓力設定值的定量計算，計算結果直接作為甩負荷時除氧器壓力控制器的設定值輸入，可快速控制主蒸汽至除氧器壓力調節閥打開一定開度，使新蒸汽快速進入除氧器，在滿足現有除氧器壓力控制系統基本性能要求的基礎上，提高了除氧器壓力控制的響應速度及控制精度。

圖3 除氧器壓力定值形成回路

圖4 除氧器壓力設定值的時間函數

2.3 除氧器給水控制策略

結合機組的實際運行特性，機組在大于50%功率平臺發生甩負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較慢將導致大量低溫給水進入除氧器，使除氧器內壓力迅速下降，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用，保證主給水泵的安全運行[9]，除氧器給水控制設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定，2種控制策略可以自動實現無擾切換。除氧器給水調節采取雙閥控制，可由操縱員通過開關來選擇參與控制的閥門，給水流量控制模式的邏輯見圖5。在符合設計的瞬態工況發生時，除氧器給水調節自動切換為流量控制模式，被調量為低加出口流量。

由機組熱平衡圖和除氧器動態模型的仿真計算結果可知，流量設定值為流量模式觸發時間的函數[10]，流量模式觸發350 s后，即流量設定值從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，給水流量設定值時序見圖6。機組發生甩負荷等工況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定值保持除氧器壓力穩定，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，在進行第2次保壓試驗時保壓模式被提前復位，導致保壓控制失敗。經分析發現，在第1次保壓試驗成功后，除氧器壓力設定值的時間函數輸出保持為負值，除氧器保壓模式壓力設定值≤0。當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個運算周期內除氧器壓力設定值的偏置尚未計算為0.36 MPa，除氧器保壓模式的壓力設定值仍≤0，導致保壓模式被提前復位，保壓控制失敗。因此，在除氧器保壓模式壓力設定值≤0復位保壓模式的邏輯中增加了1 s的延時模塊，有效規避了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置不滿足現場需求。機組在滿功率運行時除氧器抽汽逆止閥前壓力為0.83 MPa，該平臺發生甩負荷工況，根據保壓邏輯在45 s后設定值將在原基礎上自動增加0.36 MPa，設定值瞬間可以達到1.19 MPa，而除氧器壓力變送器量程設置為0～1 MPa，不滿足現場需求，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置為0～1.2 MPa/s，實際發生甩負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，經驗證可滿足現場需求。

(3)保壓模式被頻繁觸發。汽輪機沖轉期間由于除氧器抽汽逆止閥前壓力波動導致除氧器保壓模式被頻繁觸發，主蒸汽至除氧器壓力調節閥不斷開大，致使除氧器壓力、溫度持續升高，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險，也不利于除氧器的安全運行。為防止變送器波動導致除氧器保壓邏輯誤觸發，對除氧器抽汽逆止閥前壓力增加了1 s的一節慣性環節再進行變化率判斷。由于機組在270 MW及以下負荷運行時，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。此時保壓模式的生效對除氧器壓力控制無益，建議后續可在除氧器保壓模式生效邏輯中增加機組低負荷時的閉鎖條件。

(4)存在模式切換失敗的風險。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工況發生前機組功率>50%，該條件未設置后延時功能，在控制系統采集到汽機跳閘或甩負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，給水流量的初始設定值為定值(3 924 t/h)，將導致機組低功率甩負荷時除氧器水位波動較大。因此，可考慮將給水流量的設定值優化為瞬態工況發生前機組負荷的函數，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多功率平臺下的瞬態工況。

4 瞬態工況下除氧器保壓控制策略的響應

(1)甩負荷擾動試驗。機組在50%—15%—50%功率平臺進行5%/min負荷線性變化試驗時，除氧器抽汽逆止閥前壓力變化率為±0.001 MPa/s；機組在30%功率平臺進行10%負荷階躍變化試驗時，除氧器抽汽逆止閥前壓力變化率為±0.001 MPa/s；機組進行負荷線性變化試驗及負荷階躍變化試驗時，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，主蒸汽至除氧器壓力調節閥未開啟，除氧器蒸汽壓力控制平穩，滿足設計要求。

(2)跳機不跳堆及反應堆跳堆試驗。機組在50%功率平臺進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%功率平臺進行反應堆跳堆試驗時，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。

(3)甩負荷試驗。機組在50%功率平臺進行甩負荷至汽輪機額定轉速試驗，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，除氧器蒸汽壓力設定值由試驗前的0.339 MPa自動增加到0.699 MPa，主蒸汽至除氧器壓力調節閥迅速響應開大至35%。隨后設定值按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節，機組甩負荷7min 19 s后，除氧器壓力調節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，遠遠小于除氧器不高于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—機組負荷；2—汽機轉速；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—除氧器保壓模式設定值；7—主蒸汽至除氧器壓力調節閥開度；8—除氧器保壓模式。

圖7機組甩50%負荷至汽輪機額定轉速

Fig.7Rejecting50%loadtoratedspeed

5 結 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整，除氧器保壓模式觸發正常，除氧器給水控制模式切換準確。在機組30%、50%功率平臺期間進行了負荷擾動、跳機不跳堆、甩負荷至空載、甩負荷至廠用電、反應堆跳堆等多種典型瞬態試驗，除氧器壓力、水位控制平穩，除氧器壓力下降速率為0.025MPa/min，滿足除氧器結構的要求，保障了除氧器及主給水泵的穩定運行，為機組的安全運行創造了有利條件。寧德核電站除氧器保壓控制策略的成功應用可為后續核電機組的調試起到一定的借鑒作用。

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(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，大學本科，工程師，現主要從事核電站儀控調試工作，E-mail:pzk_cn@163.com。