田灣核電站3號機組汽輪機旁排閥的硬件改造與控制邏輯優化

□馮 琦 姚廣楠

田灣3號機組汽輪機旁路系統借鑒了田灣一期的成熟經驗，在旁路系統正式試驗之前，調試人員開展了旁排閥的硬件測試，并對存在的問題進行了改進；在旁路系統試驗和機組瞬態試驗期間，通過實時曲線分析，優化了旁排控制邏輯，保證了機組的安全可靠運行。本文側重闡述田灣3號機組旁排閥硬件設備的改造與控制邏輯的優化和創新，并對分析過程和改造方案做了詳細的論述。

一、汽輪機旁路系統的功能

汽輪機旁路系統主要完成以下功能：一是在機組啟動和初始加載時調節二回路主蒸汽集管壓力，保證以設定的速率加熱主蒸汽管道；二是保證以設定的速率冷卻反應堆及一回路設備；三是在機組甩負荷時調節主蒸汽集管的壓力，并通過向凝汽器導出反應堆熱量，防止主蒸汽系統大氣釋放閥或安全閥動作。

二、汽輪機旁排閥硬件設備的改造

(一)限位開關升級改造的分析。旁排閥單體調試階段發現，所有旁排閥限位開關如果滿足了關反饋信號觸發的精度要求，關反饋信號消失時的閥門開度均大于實際閥位的15%；如果滿足了開反饋信號觸發的精度要求，開反饋消失的閥門開度均小于實際閥位的85%。旁排閥限位開關的回差過大，不能及時反饋閥門的實際狀態，對控制邏輯準確觸發有較大影響，因為旁排閥的非關反饋信號在控制邏輯中有兩處關鍵引用。

1.汽輪機DEH設計要求。在汽輪機DEH控制模式切換時，需要取用旁排閥非關的信號作為判別依據。當有旁排閥處于非全關狀態時，汽輪機DEH處于功率控制模式；當旁排閥全關狀態時，汽輪機DEH處于壓力控制模式。如旁排閥非關信號不能及時觸發，將會遲滯DEH切至功率控制模式，會造成機組轉速或功率的波動。

2.汽輪機旁排噴淋水閥也與旁排閥有連鎖控制要求。即旁排閥處于非關時，即認為有蒸汽進入凝汽器，旁排噴淋水閥需及時開啟，對進入凝汽器的蒸汽進行降溫降壓。旁排閥死區為8.7%，如果旁排閥關反饋在實際閥位15%以上才能消失，則當旁排閥實際閥位在8.7%～15%開度時，進入凝汽器的蒸汽將沒有噴淋減溫水，會引起凝汽器超壓運行。

(二)限位開關升級改造方案。通過查閱和分析供貨廠家SEMPELL提供的旁排閥限位開關機械原理圖，發現原設計供貨的旁排閥限位開關均為機械式限位開關，其優缺點都十分明顯，即優點是機械強度高，耐沖擊；而缺點是限位開關精度不夠，回差較大。

為了解決旁排閥限位開關的缺陷，通過多次和廠家溝通和澄清，并對國內外市場既能抗強度沖擊又能滿足精度高回差小的限位開關進行研究，最終決定采用STI提供的Guardbox型限位開關。

在對旁排閥限位開關改造后，通過現場測試，旁排閥限位開關的開反饋均在實際閥位的95～100%之間觸發，小于95%消失；而關反饋均在實際閥位的0%～5%之間觸發，大于5%消失，改造后的旁排閥限位開關能夠很好地滿足汽輪機DEH和旁排噴淋水閥的控制要求，并能快速準確觸發。

三、旁路系統的邏輯創新與優化

3號機組調試階段，機組電功率在55MW/min降負荷至56MW和50%功率打閘停機時都曾出現二回路主蒸汽壓力大幅波動的情況。為了解決二回路蒸汽壓力波動的問題，儀控人員對旁排控制邏輯進行了大量創新設計與優化。

(一)正常調節模式下旁排閥分組與閥位重構邏輯的優化。

1.旁排閥重構邏輯優化與分析。根據旁排閥的行程與流量特性曲線，旁排閥8.7%～100%開度與流量之間近似線性關系，旁排閥的總閥位可以在每次重構觸發時，重新進行平均分配。當上一組閥門開度超過20%時，下一組閥門與前幾組閥門閥位重構，他遵循如下公式：

注1：20%～8.7%為得到的有效閥位

注2：在冷卻模式下，閥位重構開度由20%修改為50%。

當旁排非OM手動，閥門總凈開度大于一定值時，當第二組閥門到第四組閥門投入自動的時刻，觸發3秒的閥位重構指令，將該組及其前面所有組旁排閥門進行閥位重構(如第三組投入，則將第一、二、三組閥位重構)。

旁排閥閥位重構加劇了二回路主蒸汽壓力偏離設定值，壓力達到峰值6.56MPa。閥位重構指令觸發的3秒內調節器處于跟蹤閥位重構邏輯的狀態，不進行壓力調節。調節器不能及時接管壓力控制，加劇實際壓力偏離設定值。為使調節器盡快接管壓力控制，需要將每組旁排閥觸發重構指令的脈沖時間縮短。由于旁排閥動作很快，1秒內便能完成閥位重構，最終將觸發重構指令的脈沖時間由3秒優化為1秒。

2.旁排調節器甩負荷附加定值邏輯的優化。機組功率運行時，汽機旁排控制邏輯實時跟蹤調節級壓力，當調節級壓力階躍下降超過0.7MPa(表征12.5%額定功率)時，在旁排邏輯中判斷為甩負荷，輸出持續60秒的甩負荷信號，并根據調節級壓力突降的速率經微分模塊運算后生成甩負荷附加定值。甩負荷附加定值的作用是加大旁排閥調節器的輸入偏差，起到前饋的作用，使旁排閥可以在甩負荷瞬間快速動作。

調節器的主蒸汽壓力有效設定值為給定值減甩負荷附加定值，由此可知微分模塊衰減過慢作為減數的甩負荷附加定值將長時間維持在較大的數值，導致主蒸汽壓力的有效設定值偏低，旁排閥持續開啟，將主蒸汽壓力拉低，甚至觸發旁排閥快關功能。微分模塊延遲時間越短則輸出響應更快；微分時間越短則輸出的衰減越快。此外，調節級壓力突降的速率，也決定這個微分模塊輸出的大小，當調節級壓力大幅度快速下降時，微分模塊的輸出也會很大，也會導致主蒸汽壓力的有效設定值偏低。微分模塊的微分時間和延遲時間均由4秒改為2秒，讓微分模塊的輸出值響應更快，衰減更快，使旁排調節器的主蒸汽壓力設定值有效值快速回頭。微分模塊的輸出限值由100改為0.9，限制微分模塊的最大輸出值。

(二)快開快關電磁閥控制策略的創新和優化。通過對旁排系統試驗的數據進行分析和研究，創造性地對旁排閥的快開和快關功能組進行分組控制，并優化了實際壓力與設定值偏差觸發快開快關的限值。

旁排閥的快開和快關功能分組控制策略如下：第一組1個，MAN22AA201;第二組2個，MAN21AA201、MAN23AA201;第三組3個，MAN11AA201、MAN12AA201、MAN13AA201。

當主蒸汽壓力快速上升，實際壓力大于6.75MPa、6.77MPa、6.79MPa時依次快速開啟第一組、第二組、第三組;當主蒸汽壓力快速下降，實際壓力小于5.80MPa、5.75MPa、5.70MPa時依次快速關閉第三組、第二組、第一組。

實際壓力與設定值的偏差觸發快開快關功能的優化如下：將實際壓力與設定值的偏差觸發快開功能的定值由0.25MPa優化為0.50MPa，并且加入旁排在控制模式的條件；將實際壓力與設定值的偏差觸發快關功能的定值由-0.21MPa優化為-0.71MPa，并且加入旁排在控制模式的條件。

(三)旁排閥調節器跟蹤邏輯的優化。當快開或快關動作后，常規控制調節器都跟蹤實際閥位，當快開快關消失后，調節器重新輸出調節指令，接管閥位控制。它的優點是實現了控制上的無擾切換，但缺點也很明顯，此時從全開或全關位開始調節，控制響應比較慢。

優化后，調節器不間斷地計算并輸出閥位指令，閥位指令將一直作用在定位器上。利用硬件結構上快開快關優先的特點，當快開快關消失時，閥門能更快地到達調節器指令對應的閥位，提高了調節速率，降低了系統壓力波動。

四、創新與優化的效果

通過對旁排閥硬件的改造和控制邏輯的優化與創新，旁排閥對二回路主蒸汽壓力的控制效果良好，達到了PID調節器理想要求“理想曲線兩個波，前高后低4比1”，機組動態試驗時的相關曲線如圖1所示。

圖1 100%額定功率甩負荷至廠用電

五、結語

通過旁排閥硬件設備改造與控制邏輯優化等相關工作，汽輪機旁排調節閥在機組加熱和冷卻過程中，精確維持了二回路的壓力，并保障了汽輪機沖轉和并網的一次成功。在機組甩負荷和各種動態試驗中，旁排閥快速及時準確動作，保證了機組各大型試驗一次成功，并縮短了機組動態試驗時間。