核電廠電動(dòng)主給水泵調(diào)速系統(tǒng)研究及改進(jìn)

張 沖 王旭峰

(深圳中廣核工程設(shè)計(jì)有限公司，廣東 深圳 518172)

0 引言

出于汽輪發(fā)電機(jī)組的安全及穩(wěn)定性考慮，核電廠采用的主給水泵大多采用電動(dòng)式，并要求能響應(yīng)給水流量控制系統(tǒng)(feedwater flow control，ARE)的變速要求，以保證在反應(yīng)堆整個(gè)熱負(fù)荷范圍內(nèi)向蒸汽發(fā)生器提供不同的給水流量［1］。

根據(jù)ISO 5199 -2002(離心泵技術(shù)規(guī)范)及JB/T 8059 -2008(高壓鍋爐給水泵技術(shù)條件)，給水泵在滿足各項(xiàng)系統(tǒng)參數(shù)要求(參數(shù)視泵本身的具體規(guī)格而定)后方可啟動(dòng)，啟動(dòng)初期為手動(dòng)調(diào)速模式，此時(shí)最小流量系統(tǒng)啟動(dòng)，給水經(jīng)再循環(huán)閥返回除氧器。在手動(dòng)模式下，將轉(zhuǎn)速升至一定程度后，最小流量系統(tǒng)關(guān)閉，給水按需要向蒸汽發(fā)生器供水。

這里便涉及到手自動(dòng)模式切換時(shí)的轉(zhuǎn)速匹配問(wèn)題。若手動(dòng)調(diào)速幅度過(guò)大，則與自動(dòng)調(diào)速的范圍下限無(wú)法匹配，此時(shí)進(jìn)行切換會(huì)引起蒸汽發(fā)生器水位劇烈波動(dòng)［2］。

本文首先基于PLC 的內(nèi)部邏輯，研究核電廠電動(dòng)主給水泵的手自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上解決某核電廠1 號(hào)機(jī)組電動(dòng)主給水泵的調(diào)速問(wèn)題——手動(dòng)調(diào)速模式下給水泵調(diào)速幅度過(guò)大。再以現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方式來(lái)驗(yàn)證理論分析的正確性，解決了此調(diào)速問(wèn)題。

本文所有具體數(shù)據(jù)及地址均以該核電廠1 號(hào)機(jī)組電動(dòng)主給水泵為例。

1 調(diào)速系統(tǒng)研究

1.1 整體調(diào)速過(guò)程

核電廠的電動(dòng)主給水泵采用液力耦合器調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速［3］，其整體調(diào)速系統(tǒng)如圖1 所示。調(diào)速分為手動(dòng)和自動(dòng)兩種模式，初始啟泵時(shí)DCS 默認(rèn)為手動(dòng)模式，手動(dòng)模塊發(fā)送升/降速指令給電動(dòng)主給水泵(motor-driven feed water pump，APA)，繼電器啟用手動(dòng)調(diào)速PLC。當(dāng)給水泵手動(dòng)升速到自動(dòng)調(diào)速范圍的下限值時(shí)，DCS 切換到自動(dòng)模式，繼電器啟用自動(dòng)調(diào)速PLC。此時(shí)給水泵轉(zhuǎn)速將會(huì)根據(jù)ARE 發(fā)來(lái)的轉(zhuǎn)速設(shè)定值來(lái)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。

手動(dòng)及自動(dòng)模式是分別由兩個(gè)不同PLC 控制，由給水泵轉(zhuǎn)速控制柜中的一個(gè)繼電器來(lái)完成PLC 的控制切換。當(dāng)主控室的手/自動(dòng)模式的切換指令送至給水泵轉(zhuǎn)速控制柜時(shí)，相應(yīng)繼電器就會(huì)動(dòng)作，從而進(jìn)行PLC 的控制切換。

圖1 整體調(diào)速系統(tǒng)Fig.1 Integrated speed regulation system

需要指出的是，對(duì)于主控室來(lái)說(shuō)，手動(dòng)模式切換到自動(dòng)模式實(shí)際上就是APA 控制切換至ARE 控制。ARE 的控制也分為手動(dòng)和自動(dòng)模式，手動(dòng)模式需人工輸入轉(zhuǎn)速值，轉(zhuǎn)速值再發(fā)送到給水泵轉(zhuǎn)速控制柜;自動(dòng)模式是DCS 根據(jù)給水需求量計(jì)算相應(yīng)轉(zhuǎn)速需求，再將轉(zhuǎn)速需求發(fā)送到給水泵轉(zhuǎn)速控制柜。

1.2 手動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)

手動(dòng)模式為開環(huán)調(diào)節(jié)，調(diào)速流程如圖2 所示。

圖2 手動(dòng)模式Fig.2 Manual mode

1.2.1 設(shè)置參數(shù)初始值

在計(jì)算初始，程序采用賦值形式將升/降勺管位置的目標(biāo)值和實(shí)際值清零。

1.2.2 計(jì)算升/降勺管的步長(zhǎng)

步長(zhǎng)計(jì)算公式如下:

式中:2 560 為勺管位置變送器發(fā)出的電流信號(hào)量程經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)值，用于PLC 程序計(jì)算，本例中為2 560(如電流信號(hào)為4 ～20 mA，則16 mA 對(duì)應(yīng)2 560)。VD1為所選擇通道對(duì)應(yīng)的固定數(shù)值，不同通道對(duì)應(yīng)程序中的地址不同，相應(yīng)地址所儲(chǔ)存的數(shù)值也不同(升/降速率不同地址，但共用一個(gè)通道，其計(jì)算結(jié)果也一致)。VD1受PLC 硬件通道跳線的約束，本例中通道共7 個(gè)，分別為I0.0，I0.1，……，I0.6。VD2為中間變量，儲(chǔ)存步長(zhǎng)計(jì)算的結(jié)果，在之后的程序會(huì)賦值給另一全局變量，用于后續(xù)程序的運(yùn)算。由于此處的模件通道、地址及數(shù)值對(duì)應(yīng)比較典型，因此特舉例說(shuō)明。不同通道所對(duì)應(yīng)的升/降速率計(jì)算結(jié)果如表1 所示。

表1 升/降速率步長(zhǎng)計(jì)算結(jié)果Tab. 1 Calculation of the raise/lower rate step length

1.2.3 確定步長(zhǎng)

在計(jì)算步長(zhǎng)后，VD2分別將升/降速率步長(zhǎng)存入地址以確定步長(zhǎng)，相應(yīng)地址中的數(shù)據(jù)則會(huì)參與后續(xù)程序的運(yùn)算。

1.2.4 賦值給勺管位置目標(biāo)值

在滿足以下條件時(shí)，將勺管100%位置賦給勺管位置目標(biāo)值。

①轉(zhuǎn)速控制器為手動(dòng)模式;

②收到升速指令;

③未收到降速指令;

④給水泵未超速。

在滿足以下條件時(shí)，將0(即勺管0%位置)賦給勺管位置目標(biāo)值。

①轉(zhuǎn)速控制器為手動(dòng)模式;

②未收到升速指令;

③收到降速指令。

在發(fā)生以下任一情況時(shí)，將勺管位置實(shí)際值賦給勺管位置目標(biāo)值(即保持當(dāng)前位置)。

①同時(shí)收到升速和降速指令;

②升速和降速指令均未收到;

③收到升速指令、未收到降速指令，且此時(shí)給水泵超速。

1.2.5 讀取勺管位置實(shí)際值

以VD0代表模數(shù)轉(zhuǎn)換后的勺管實(shí)際位置，程序?qū)D0由整數(shù)轉(zhuǎn)換為浮點(diǎn)數(shù)(為后續(xù)與浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算，轉(zhuǎn)換成為百分比形式作準(zhǔn)備)，之后由以下公式計(jì)算出勺管位置實(shí)際值的百分比形式:

式(2)的意思是將本次掃描周期的VD0與之前歷史掃描周期內(nèi)的VD0求平均(即每個(gè)VD0除以2n，之后求和)，歷史時(shí)間越久，2n中的n 越大，對(duì)最后的結(jié)果影響越小。之所以采用此公式，而非直接使用本次掃描周期中的VD0，是因?yàn)橛?jì)算后的VD0還要向自動(dòng)模式時(shí)的勺管值賦值，此公式可避免極短時(shí)間(一個(gè)或幾個(gè)掃描周期)內(nèi)勺管位置劇烈波動(dòng)造成的擾動(dòng)且不至于使勺管值失真。

1.2.6 計(jì)算勺管位置設(shè)定值

在確定勺管位置目標(biāo)值和實(shí)際值后，由中斷程序進(jìn)行一系列計(jì)算和判斷，得到相應(yīng)情況的勺管位置設(shè)定值。主要分為以下情況(為簡(jiǎn)化說(shuō)明，下文使用各自數(shù)據(jù)所使用的地址代替數(shù)據(jù):VD58表示勺管位置目標(biāo)值，VD62表示勺管位置實(shí)際值，VD66表示升速步長(zhǎng)，VD70表示降速步長(zhǎng))。

(1)當(dāng)VD58≤勺管最小位置(即0%)時(shí)，將0%賦給勺管位置目標(biāo)值。

(2)當(dāng)VD58≥勺管最大位置(即100%)時(shí)，將100%賦給勺管位置目標(biāo)值。

(3)當(dāng)VD58≥VD62時(shí)，說(shuō)明此時(shí)給水泵在升速。

①若VD58-VD62≤VD66，將VD58賦給勺管位置設(shè)定值;

②若VD58-VD62＞VD66，將VD62+VD66賦給勺管位置設(shè)定值，若VD62+VD66≥25 600，則將100%賦給勺管位置設(shè)定值。

(4)當(dāng)VD58≤VD62時(shí)，說(shuō)明此時(shí)給水泵在降速:

①若VD62-VD58≤VD70，將VD58賦給勺管位置設(shè)定值;

②若VD62-VD58＞VD70，將VD62-VD70賦給勺管位置設(shè)定值，若VD62-VD70≤0，則將0 賦給勺管位置設(shè)定值。

1.2.7 輸出勺管位置設(shè)定值

中斷程序計(jì)算出勺管位置設(shè)定值后，發(fā)送給模擬量輸出卡件，卡件將此數(shù)值轉(zhuǎn)換為4 ～20 mA 的電流信號(hào)發(fā)送給勺管執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

1.3 自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)

給水泵正常運(yùn)行時(shí)，絕大多數(shù)時(shí)間處在自動(dòng)調(diào)速模式下，PLC 收到ARE 發(fā)來(lái)的轉(zhuǎn)速指令后，結(jié)合當(dāng)前給水泵的實(shí)際轉(zhuǎn)速及勺管位置，計(jì)算勺管位置的設(shè)定值，再將勺管位置設(shè)定值發(fā)送給勺管執(zhí)行機(jī)構(gòu)，進(jìn)行閉環(huán)調(diào)節(jié)。程序主要執(zhí)行以下工作:

①程序初始化，清理歷史數(shù)據(jù)，讀取參數(shù)、報(bào)警、延時(shí)器、計(jì)時(shí)器;

②自卡件讀取數(shù)據(jù)，并標(biāo)準(zhǔn)化為程序直接使用的數(shù)值;

③設(shè)置標(biāo)志，用于啟?？刂萍盃顟B(tài)判斷;

④計(jì)算，主要是轉(zhuǎn)速、勺管位置的數(shù)制轉(zhuǎn)換、PID變參數(shù)的計(jì)算;

⑤勺管設(shè)定值的線性化求解;

⑥輸出勺管位置設(shè)定值，及手、自動(dòng)模式下各工況時(shí)的勺管控制。

2 研究結(jié)論及改進(jìn)

2.1 結(jié)論分析

通過(guò)以上手動(dòng)模式調(diào)速系統(tǒng)的詳細(xì)研究，可看出手動(dòng)調(diào)速模式下每次升/降指令后，使給水泵轉(zhuǎn)速變化的直接因素是勺管位置設(shè)定值。而勺管位置設(shè)定值的計(jì)算需要勺管位置實(shí)際值、勺管位置目標(biāo)值及步長(zhǎng)，勺管位置實(shí)際值由模擬量輸入獲得，勺管位置目標(biāo)值為0%或100%或保持當(dāng)前位置，唯有步長(zhǎng)是能夠調(diào)整的。

步長(zhǎng)的調(diào)整有兩個(gè)途徑:

①修改DCS 邏輯組態(tài)中轉(zhuǎn)速升/降指令模塊的指令脈沖時(shí)間;

②通過(guò)PLC 硬件通道上的跳線進(jìn)行調(diào)整。

2.1.1 修改指令脈沖時(shí)間

通過(guò)研究DCS 側(cè)APA 的邏輯組態(tài)可見，在給水泵控制模式切換為手動(dòng)模式后，轉(zhuǎn)速的升/降指令模塊才會(huì)生效。遠(yuǎn)程升/降轉(zhuǎn)速的手動(dòng)指令為脈沖型指令，在主控室計(jì)算機(jī)房的DCS 工程師站中，修改升/降指令模塊的指令脈沖時(shí)間，也可相應(yīng)地修改升/降轉(zhuǎn)速步長(zhǎng)。這是因?yàn)槿绻嗣}沖型指令的脈沖時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，則PLC 認(rèn)為升/降轉(zhuǎn)速指令連續(xù)發(fā)出了兩次或更多，勺管執(zhí)行機(jī)構(gòu)就會(huì)連續(xù)動(dòng)作兩次或多次，從外部表象來(lái)看，就像是實(shí)際步長(zhǎng)為真實(shí)步長(zhǎng)的兩倍或幾倍。

2.1.2 通過(guò)跳線調(diào)整

在1.2.2 節(jié)中，已說(shuō)明VD1受PLC 硬件通道跳線的約束，在跳線調(diào)整至不同通道后，程序中VD1的值會(huì)改變，從而使步長(zhǎng)計(jì)算結(jié)果也相應(yīng)改變。

2.2 解決問(wèn)題并驗(yàn)證結(jié)果

核電廠1 號(hào)機(jī)組DCS 側(cè)APA 邏輯中，轉(zhuǎn)速升/降指令模塊的指令脈沖時(shí)間原始值為2 s，PLC 的跳線選擇通道I0.2，對(duì)應(yīng)的VD1為30，即需要30 步從0 升到最大轉(zhuǎn)速(見1.2.2 節(jié))，其接收的脈沖指令時(shí)間應(yīng)為1 s。此時(shí)每點(diǎn)擊一次轉(zhuǎn)速升/降指令，轉(zhuǎn)速調(diào)整360 r/min左右，從0 升到最大轉(zhuǎn)速需15 步，正好為30 步的一半，表明2 s 的脈沖時(shí)間超出了PLC 的正常接收脈沖時(shí)間1 s，導(dǎo)致點(diǎn)擊一次手動(dòng)調(diào)速指令卻進(jìn)行了兩次調(diào)速。表2為調(diào)整脈沖指令時(shí)間前后的數(shù)據(jù)對(duì)比。

表2 調(diào)整脈沖時(shí)間前后對(duì)比Tab. 2 The data comparison before and after pulse modify

在將指令脈沖時(shí)間改為1 s 后，每點(diǎn)擊一次轉(zhuǎn)速升/降指令，轉(zhuǎn)速調(diào)整180 r/min 左右，從0 升到最大轉(zhuǎn)速需30 步。根據(jù)以往項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，360 r/min 的調(diào)節(jié)精度對(duì)于給水泵來(lái)說(shuō)實(shí)在過(guò)于粗略，160 ～190 r/min 的調(diào)節(jié)精度才較為適宜。

3 結(jié)束語(yǔ)

從表2 可明確看出，脈沖指令時(shí)間調(diào)整后，轉(zhuǎn)速和勺管位置的調(diào)節(jié)都更加精細(xì)，其結(jié)果也符合以往項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)證實(shí)了本文理論分析的正確性，此改進(jìn)解決了手動(dòng)模式下轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)幅度過(guò)大的問(wèn)題。

［1］ 蘇林森. 900 MW 壓水堆核電站系統(tǒng)與設(shè)備(下冊(cè))［M］. 北京:原子能出版社，2004:416 -424.

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