核電廠汽動輔助給水泵轉速調節系統魯棒性提升研究

牛茂龍

(中廣核研究院有限公司,廣東 深圳 518028)

0 引言

某核電廠二期工程5#、6#機組采用百萬千瓦級壓水堆核電技術,具備三代核電主要技術特征。汽動輔助給水泵屬于核電廠專設安全設施之一,可在主給水系統任何一個環節發生故障時作為應急方法向蒸汽發生器二次側供水,以排出堆芯剩余功率,是核安全的重要保障設施[1]。

5#機組熱態試驗期間,在執行汽動輔助給水泵啟動試驗過程中,發現其在長時間停運后的再次啟動試驗中(停泵時間超過6 h,以下簡稱“冷啟動”)極易引起轉速波動。轉速波動發生后調速系統不能正確響應,嚴重時會導致超速跳閘。短時間間隔啟動試驗(停運時間在4 h以內,以下簡稱“熱啟動”)汽泵轉速調節性能良好。經反饋,進行試驗的國產汽動輔助給水泵在國內其他核電基地、某出口核電項目調試期間均發生過類似現象,但并未找到根本原因。該國產汽動輔助給水泵以后還將用于國產三代核電的批量化項目建設。因此,分析研究該國產汽動輔助給水泵轉速波動的原因并提出解決方案對核電廠的安全運行非常重要,同時可為類似項目及后續機組提供重要的經驗反饋。

1 汽動輔助給水泵轉速調節原理

國內大型商業壓水堆核電廠核級給水泵一直被英國Clyde公司壟斷,其二期工程采用了國產化的汽動輔助給水泵。與Clyde汽動輔助給水泵轉速調節系統采用機械液壓調速方式相比,國產化后的汽動輔助給水泵轉速調節系統主要由電子調速器、氣動執行機構、進汽調節閥,以及相應測量傳感器組成[2]。這種結構較原機械液壓調速系統大大簡化。除了氣動執行機構較液壓執行機構動態性能略差以外,國產化后的汽動輔助給水泵轉速調節精度和運行自動化水平均有一定提高[3-4]。汽動輔助給水泵轉速調節原理如圖1所示。

由圖1可知,電子調速器先根據轉速測量值和設定值形成轉速調整需求,再由氣動執行機構實時調整進汽調節閥開度以改變汽動輔助給水泵進汽量,從而實現轉速調節。增速器可以加快氣動執行機構的響應速度,確保汽泵能夠及時響應快速啟動指令,并迅速將轉速維持在8 000 r/min附近,以滿足安全準則要求。

2 汽動輔助給水泵縮水冷啟動時頻發轉速波動

汽動輔助給水泵的啟動方式與傳統汽泵不同。進汽調節閥在截止閥開啟前處于全開狀態,即當截止閥開啟后汽動輔助給水泵以最大流量進汽。此時,進汽調節閥的主要作用是防止進汽超速,因此對氣動執行機構的響應品質有較高要求。

5#機組試驗期間,汽動輔助給水泵共執行50余次快速啟動過程。其中,7次冷啟動時均發生轉速波動;熱啟動時調速系統均表現出良好的調節性能。汽動輔助給水泵冷啟動和熱啟動時轉速調節情況如圖2所示。

圖2 汽動輔助給水泵冷啟動和熱啟動時轉速調節情況

汽動輔助給水泵冷態啟動時:進汽截止閥打開;進汽調節閥根據預設升速率調節進汽量;汽動輔助給水泵轉速逐漸升高,達到或接近8 000 r/min設定點附近時,呈現出調節振蕩趨勢。調速系統無法消除轉速波動現象,只能維持近乎等幅震蕩,或繼續調節發散直至汽動輔助給水泵超速跳閘。轉速波動周期約為0.8～1 s,波動范圍約為±400 r/min。

3 汽動輔助給水泵調速系統模型化分析

3.1 電子調速器特性分析

由圖1可知,電子調速器和氣動執行機構是汽動輔助給水泵調速系統的主要組成部分。電子調速器由轉速偏差計算單元和調速比例積分微分(proportional integral differential,PID)控制器組成。通過調整PID參數,可以改變調速系統的靜態和動態響應特性。

3.2 電氣轉換器特性分析

氣動執行機構由電氣轉換器(electrical-pneumatic-converter,EPC)、氣動定位器、增速器(又名氣動放大器、氣動增速器、流量放大器、氣動繼動器等)、隔膜氣室及相關氣源管路組成。EPC的作用是將電氣調速器輸出的4～20 mA電流信號線性轉化為20～200 kPa的壓力信號,并將該信號作為定位器的輸入。

3.3 氣動定位器特性分析

氣動定位器按照力矩平衡原理工作。當輸入氣壓變化時,定位器輸出到執行機構隔膜氣室的壓力發生變化,推動閥桿移動,并帶動反饋桿在一定角度內轉動。定位器內部機械部件將反饋桿的轉動轉化為反饋彈簧的拉力。當反饋彈簧的拉力力矩與輸入氣壓產生的力矩平衡時,定位器達到平衡狀態,使氣動執行機構的閥位保持一定的開度。從工作原理看,氣動定位器可以視為一個具備PID閉環調節功能的物理部件[5-6]。因此,電氣調速器輸出的4～20 mA電流信號、EPC輸出的20～200 kPa氣壓信號與執行機構的行程反饋信號具有一一對應的線性關系。

3.4 增速器特性分析

增速器主要由閥芯、閥體、上下膜片、調節螺釘等部件組成,是按照力平衡原理工作的純機械部件。增速器剖面如圖3所示。

圖3 增速器剖面

增速器工作原理簡述如下:當來自氣動定位器的輸入氣壓信號增大時,上膜片帶動閥芯向下移動打開進氣口;當來自氣動定位器的輸入氣壓信號減小時,下膜片帶動閥芯向上移動打開排氣口;當進氣口或排氣口打開時,注入或排出執行機構隔膜氣室的壓縮空氣流量變大,使執行機構的響應加快。增速器上、下膜片的壓力平衡時閥芯回位,進氣和排氣通道關閉,使增速器達到平衡狀態[7]。增速器啟動時提供給執行機構的壓縮空氣流量大小用流量系數(CV)表征。一般情況下,CV遠大于氣動定位器的輸出流量。

(1)

式中:ΔP為上下膜片壓差;K為與增速器、氣動執行機構隔膜面積及彈簧剛度等有關的放大系數;T為與隔膜氣室有關的時間常數;s為拉普拉斯算子。

由式(1)可知,上下膜片壓差的函數關系為近似實際微分環節[9-10]。

由自動控制理論可知,閉環控制系統中增速器的介入會增加控制回路的增益,從而降低系統穩定性[11]。通過改變調節螺釘的位置以降低增速器的靈敏度,可以及時將增速器退出閉環控制系統,進而降低對閉環控制系統的不利影響。當輸入信號的變化過小而不足以推動閥芯,或者輸入信號的變化大部分被旁通通道泄壓時,增速器僅起到通過旁通通道傳遞定位器輸出氣壓的作用。因此,從另外一個角度看,調節螺釘提供了增速器的啟動閾值調整方法(通過上述分析,啟動閾值可與靈敏度等效,本文采用便于量化的啟動閾值來表述)。當上下膜片壓差的變化率超過啟動閾值時,增速器移動閥芯以打開相關方向的通道。當上下膜片壓差的變化率低于啟動閾值時,增速器閥芯回位[12],以關閉進氣、排氣通道。

3.5 調速系統近似模型

綜上分析,調速系統近似控制模型如圖4所示。

圖4 調速系統近似控制模型框圖

圖4模型按執行機構進氣方向繪制。排氣方向與之類似。

執行機構隔膜氣室為被控對象1,有增速器前饋通道和定位器通道這兩個輸入,且在增速器內部匯合。其輸出為進汽調節閥行程指令。汽動輔助給水泵為被控對象2,以進汽調節閥行程信號(可視為蒸汽流量信號)為輸入、汽泵轉速為輸出[13]。

電子調速器將轉速偏差轉換成4～20 mA進汽調節閥開度指令,再由EPC線性轉換成20～200 kPa氣壓信號。其與執行機構行程位移所對應的氣壓信號在定位器內進行PID運算。定位器輸出氣壓調節氣動執行機構隔膜氣室壓力。當隔膜氣室壓力、EPC輸出壓力和定位器輸出壓力相等時,系統達到平衡。

若電子調速器要求快速提升轉速,則EPC輸出快速增大。增速器在定位器輸出氣壓正向變化率超過啟動閾值時啟動。壓縮空氣通過前饋通道直接注入隔膜氣室,以達到快速調節進汽調節閥的目的。模型框圖中前饋通道由乘法運算進行示意。其表示前饋通道的強弱與增速器的CV正相關,并不具有嚴格的數學意義[14]。

4 汽動輔助給水泵轉速波動分析與處理

4.1 轉速波動周期分析

由圖4可知,汽動輔助給水泵調速系統可以看作一個串級控制系統。主調節器的被調量為汽動輔助給水泵轉速反饋。其調節周期主要取決于被控對象動態特性及主調節器參數。根據經驗可知,此類被控對象的調節周期約為6～15 s。副調節器的被調量為閥門行程反饋。該副調節器回路可以等效為一個快速位置隨動系統。執行機構全開全關行程時間約為1 s,與調速系統波動周期近似。由以上分析基本可以判定汽泵轉速在0.8～1 s的周期性波動主要來自于氣動執行機構副調節器回路的振蕩。副調節器回路振蕩后,經主回路的進一步放大形成共振,從而引發整個調速系統振蕩。

4.2 第一階段處理

第一階段將引起汽動輔助給水泵轉速波動的根本原因定位到氣動執行機構增速器啟動閾值和調速器PID參數的匹配性上。所采用的調速系統參數調整方案如圖5所示。

圖5 調速系統參數調整方案

由圖5可知,當調速系統由于響應慢、無法及時抑制轉速的上升而引起汽動輔助給水泵超速時,系統通過增強調速器PID參數和降低增速器啟動閾值加快調速系統的響應;當調速系統由于控制增益較大而發生振蕩時,系統采取反向操作。但經反復嘗試,系統始終無法找到一組匹配的參數,使得調速系統在具有足夠魯棒性能的同時滿足冷啟動和熱啟動下的調速需求。

4.3 第二階段處理

4.3.1 調速曲線的“離散”屬性分析

由圖2可知,汽動輔助給水泵在冷啟動和熱啟動兩種不同工況下調速系統響應存在巨大差異,且不存在中間過渡現象,“離散”屬性明顯。由圖4可知,具備這種“離散”屬性的只有增速器這一部件。

4.3.2 進汽調節閥響應分析

原設計中進汽調節閥無位置反饋接入分布式控制系統(distributed control system,DCS)。這客觀上加大了問題分析的難度。將進汽閥調節指令和位置反饋接入高速記錄儀后,發現冷啟動工況汽動輔助給水泵調速系統振蕩時,進汽調節閥動作速度顯著慢于調節指令動作速度。進汽調節閥由全開行程關到50%左右后關閉速度顯著變慢,呈現出接近飽和趨勢。調速系統振蕩曲線如圖6所示。

圖6 調速系統振蕩曲線

由于調節閥動作速度較慢,過快的調速指令無法提高系統的動態響應能力,反而降低了系統的穩定性。

4.3.3 氣動執行機構響應特性影響因素

由圖4模型可知,若以進汽調節閥的全行程時間t作為衡量氣動執行機構的動態響應指標,則t為[15]:

t=f(A,P,V,k,CV,h)

(2)

式中:A為氣源壓力;P為定位器通流能力;V為執行機構氣室容積;k為執行機構彈簧參數;h為增速器啟動閾值。由此可見,對于已知氣動執行機構,A、P、V、k、CV均為固定值,只能通過改變啟動閾值h來調整響應特性。

CV值的大小決定了隔膜氣室進、排氣時前饋通道的強弱。啟動閾值決定了增速器啟動的時機。CV值越大,對應增速器體積越大、啟動閾值越高。這是由其機械結構決定的。在相同激勵條件下,增速器的作用持續時間客觀上會縮短。雖然可以通過調節螺釘在一定程度上降低啟動閾值,但過低的啟動閾值極易引起執行機構自振蕩(見圖5調整方案)。若能延長增速器作用持續時間且不造成執行機構自振蕩,將極大地改善執行機構的響應特性。

4.3.4 不同CV增速器增速效果試驗

汽動輔助給水泵進汽調節閥采用氣關式隔膜執行機構,隔膜外徑為255 mm,氣室容積比較小(響應快、滯后小的選型設計)。本文改用相當于當前增速器流量系數20%大小的增速器(流量系數0.2CV)進行全行程試驗,并與當前增速器(流量系數CV)進行比較,在相同試驗條件下記錄不同的增速曲線。調節閥配不同CV增速器階躍全關試驗曲線如圖7所示。

圖7 調節閥配不同CV增速器階躍全關試驗

由圖7可知,CV增速器只作用了大約40%的行程,而0.2CV增速器作用了超過65%的行程。在增速器作用時段內,不同CV對閥門關閉速率并無顯著影響(氣動執行機構隔膜有效面積約550 cm2)。但由于0.2CV增速器作用時間較長,閥門從100%關閉到10%左右開度的用時約為1.2 s,而CV增速器的用時約為4 s。

在增速器調節螺釘有效調節范圍內,試驗以螺釘旋轉0.125圈為調節步長。進汽調節閥配不同增速器的動態特性比較試驗如表1所示。

表1 進汽調節閥配不同增速器的動態特性比較試驗

表1中,從100%到10%視為全關。

由表1可知,即使增速器流量系數差異很大,只要調節螺釘的位置相同,則執行機構的階躍響應特性相似(振蕩、超調和欠調情況)。但由于增速器作用持續時間不同,在全行程關閉時間上存在巨大差異。對氣動執行機構而言,0.2CV增速器的增速效果顯著優于CV增速器。

4.3.5 更換增速器后試驗驗證

現場更換0.2CV增速器后,調速器PID比例由3.0(第一階段調試結果,為了獲取更快的系統響應)改為1.2[16],在熱啟動和冷啟動情況下均能實現汽動輔助給水泵的快速啟動和轉速調節。更換0.2CV增速器后,汽動輔助給水泵冷啟動曲線如圖8所示。

圖8 汽動輔助給水泵冷啟動曲線

升速率設置為每秒增加500 r,進汽截止閥打開約16 s左右汽動輔助給水泵轉速達到8 000 r/min,稍有超調后隨即穩定在目標轉速附近。由圖8可知,雖然開始階段汽動輔助給水泵實際升速率遠高于設定速率,但由于進汽調節閥在調節指令的作用下快速關小,很快抑制住了轉速的飛升。隨著汽動輔助給水泵在4 000 r/min附近升速趨緩,調節指令并沒有像第一階段那樣繼續減小到0,而是始終執行正常的轉速閉環調節。當轉速設定達到目標轉速8 000 r/min并保持不變時(相當于帶給調節器入口負偏差),調節閥隨即關小并逐漸穩定在50%開度附近。

5 結論

汽動輔助給水泵作為核電廠重要的專設安全設施,必須時刻處于熱備用狀態。調速系統呈現出的技術問題影響因素比較隱蔽。本文在吸收先前處理經驗的基礎上,深度剖析了增速器對氣動執行機構的增速機理[17-18],通過理論分析及試驗驗證突破了“增速器流量系數越大增速效果一定越好”的傳統思維,并系統性取得不同增速器在各種靈敏度下的特性記錄。通過更換小流量系數增速器,一方面降低了汽動輔助給水泵調速系統的控制增益,另一方面提高了調速系統的魯棒性。汽動輔助給水泵調速系統的魯棒性提升,使其具備消除冷、熱啟動不同工況復雜擾動的能力。本文研究過程和成果可用于指導與氣動執行機構有關的控制系統參數優化、魯棒性提升等同類問題的處理。