輔助蒸汽分配系統(tǒng)凝結(jié)水箱排水防虹吸過(guò)程設(shè)計(jì)及開(kāi)發(fā)

李天宇，杜鐵楠，孫慶男，張鈺燁

（中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 嘉興 314300）

電廠機(jī)組輔助蒸汽分配系統(tǒng)凝結(jié)水箱中的冷凝水通過(guò)該系統(tǒng)凝結(jié)水箱泵排至凝汽器，由于凝汽器是負(fù)壓，每次在排水泵自動(dòng)停運(yùn)后，受凝汽器中負(fù)壓影響，會(huì)出現(xiàn)凝結(jié)水箱中的水液位持續(xù)下降，出現(xiàn)低低液位報(bào)警。為消除該缺陷，擬在對(duì)凝結(jié)水箱泵出口母管設(shè)置氣動(dòng)隔離閥，引入控制信號(hào)與凝結(jié)水箱泵啟停進(jìn)行連鎖開(kāi)關(guān)。本文研究用于控制輔助蒸汽分配系統(tǒng)中冷凝水箱排水的防虹吸改造系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)。通過(guò)實(shí)施實(shí)時(shí)監(jiān)控和集中控制，該工程應(yīng)用軟件旨在滿(mǎn)足生產(chǎn)過(guò)程的要求并簡(jiǎn)化整個(gè)過(guò)程。

1 防虹吸的基本原理

虹吸（Siphon）是指利用液面高度差的作用力、液態(tài)分子間引力和重力的作用，將液體充滿(mǎn)一倒U形的管狀結(jié)構(gòu)，使水上升后再流到低處的現(xiàn)象，倒U形的管狀結(jié)構(gòu)一般稱(chēng)為虹吸管。

在防虹吸設(shè)計(jì)方面，有兩種常用的方法：將空氣引入倒U 形管和實(shí)施單向擋板以達(dá)到隔離目的。前一種方法允許空氣通過(guò)小孔進(jìn)入管子，使壓力大小均衡，從而防止液體向相反方向流動(dòng)。另一方面，后一種方法依靠單向活門(mén)有效地阻止液體的反向流動(dòng)，從而產(chǎn)生隔離效果。

2 復(fù)雜工業(yè)過(guò)程計(jì)算機(jī)控制技術(shù)選擇

先進(jìn)的控制工具與現(xiàn)代控制理論的結(jié)合，極大地解決了與高度非線性和強(qiáng)耦合被控對(duì)象有關(guān)的控制問(wèn)題。可編程邏輯控制器（PLC）在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)一直是工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域的主流應(yīng)用。集中控制系統(tǒng)通過(guò)提供設(shè)備維護(hù)功能來(lái)增加功能，詳細(xì)分析設(shè)備的熱應(yīng)力和機(jī)械故障狀態(tài)，監(jiān)測(cè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，確定設(shè)備是否需要維護(hù)。此外，集中控制系統(tǒng)可以與用戶(hù)的管理相結(jié)合，參與用戶(hù)的全廠信息系統(tǒng)。例如，提供SIS（實(shí)時(shí)信息監(jiān)控系統(tǒng)）和信息管理系統(tǒng)（MIS），幫助用戶(hù)提高管理水平。隨著目前現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)場(chǎng)儀表具有現(xiàn)場(chǎng)總線通信功能的趨勢(shì)，DCS 供應(yīng)商已經(jīng)開(kāi)發(fā)了各種現(xiàn)場(chǎng)總線通信協(xié)議的現(xiàn)場(chǎng)接口。這些接口不僅方便了DCS 和現(xiàn)場(chǎng)儀表之間測(cè)量數(shù)據(jù)的傳輸，而且還方便了監(jiān)測(cè)儀表狀態(tài)、參數(shù)和管理的大量信息。

3 模擬輔助蒸汽分配系統(tǒng)功能及運(yùn)行方式

本系統(tǒng)的功能為向各用戶(hù)（常規(guī)島系統(tǒng)：在各汽輪機(jī)廠房?jī)?nèi)，供給軸封供汽系統(tǒng)（CET）、供給ADG 系統(tǒng)、供給集中采暖加熱站(SES)；核島系統(tǒng)：在汽輪機(jī)廠房?jī)?nèi)，供給ASG 的除氣塔；在核輔助廠房?jī)?nèi)，供給ASG 系統(tǒng)汽動(dòng)泵試驗(yàn)、供給TEP 和TEU 系統(tǒng)的除氣塔和蒸發(fā)器、供給TES001BA）分配輔助蒸汽以及排出凝結(jié)水。

蒸汽凝結(jié)水流程：只有來(lái)自TEP 和TEU 系統(tǒng)的凝結(jié)水經(jīng)SVA 凝結(jié)水系統(tǒng)回收。它們首先回收到平衡箱（凝結(jié)水箱）中，箱中由KRT 系統(tǒng)連續(xù)監(jiān)測(cè)其放射性：如有放射性，則排向RPE 系統(tǒng)；否則，通過(guò)8SVA001PO 或002PO 排入3/4#常規(guī)島機(jī)組的疏水系統(tǒng)。

3.1 正常運(yùn)行狀態(tài)

機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，常規(guī)島用汽由各機(jī)組單獨(dú)供給，公共系統(tǒng)由其中一臺(tái)機(jī)組供給，供汽狀態(tài)的改變通過(guò)3/4SVA103VV 的開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)；當(dāng)其中一臺(tái)機(jī)組停運(yùn)時(shí)，兩臺(tái)機(jī)組各自對(duì)應(yīng)的SVA 管網(wǎng)聯(lián)通，由運(yùn)行的機(jī)組供汽；當(dāng)兩臺(tái)機(jī)組均無(wú)法保證SVA 供汽時(shí)，通過(guò)與機(jī)組的SVA聯(lián)通管線，由輔助鍋爐（XCA系統(tǒng)）或機(jī)組蒸汽轉(zhuǎn)換器（STR系統(tǒng)）提供輔助蒸汽備用。

3.2 異常時(shí)的響應(yīng)

在發(fā)生異常的情況下，需要立即采取的行動(dòng)取決于8SVA 以前是否由有關(guān)單位提供。如果8SVA 之前不是由異常機(jī)組提供的，則不需要立即操作。但是，當(dāng)異常機(jī)組的軸封稍后切斷輔助蒸汽時(shí)，必須在故障機(jī)組的103VV 開(kāi)啟之前關(guān)閉異常機(jī)組的107VV，運(yùn)行機(jī)組的輔助蒸汽供應(yīng)負(fù)荷將增加，故障機(jī)組可將軸封切換到輔助蒸汽供應(yīng)。

在8SVA 前由異常機(jī)組供汽的情況下，8SVA 的負(fù)荷將在短時(shí)間內(nèi)中斷。有必要將負(fù)載切換到運(yùn)行單元來(lái)供汽。必須先關(guān)閉異常機(jī)組的107VV，然后再打開(kāi)正常機(jī)組的103VV（異常機(jī)組的103VV 事先是打開(kāi)的）。需要注意的是，切換后運(yùn)行機(jī)組的核電功率有明顯變化。同時(shí)，核島輔助蒸汽冷凝液也應(yīng)切換到正常機(jī)組。

如果只有一臺(tái)機(jī)組在運(yùn)行，而該機(jī)組出現(xiàn)故障，則需要從另一臺(tái)機(jī)組引入輔助蒸汽。8SVA105VV 應(yīng)該被打開(kāi)，通過(guò)提高機(jī)組的STR 輸出或啟動(dòng)電鍋爐向另一臺(tái)機(jī)組提供輔助蒸汽。其他機(jī)組的核島輔助蒸汽冷凝水應(yīng)切換到溝渠中。

4 輔助蒸汽分配系統(tǒng)凝結(jié)水箱排水防虹吸裝置設(shè)置

4.1 工藝系統(tǒng)

為防止停泵后凝結(jié)水箱液位持續(xù)下降，改造方案在泵出口總管上增設(shè)氣動(dòng)截止閥，閥門(mén)與凝結(jié)水箱泵聯(lián)鎖拉制，具體如下：兩臺(tái)泵中任意一臺(tái)泵啟動(dòng)信號(hào)連鎖控制閥門(mén)開(kāi)啟。系統(tǒng)原有功能不受影響，水箱高液位時(shí)，兩臺(tái)泵啟動(dòng)，出口總管上的氣動(dòng)閥開(kāi)啟，氣動(dòng)閥開(kāi)啟過(guò)程中，凝結(jié)水箱泵受泵原有小流量運(yùn)行回路保護(hù)。兩臺(tái)泵都停運(yùn)的信號(hào)連鎖控制閥門(mén)關(guān)閉。兩臺(tái)泵均停運(yùn)時(shí)，氣動(dòng)閥關(guān)閉，防止形成持續(xù)的虹吸流。

新增閥門(mén)還可以在輔助控制室由電廠操縱員控制，并設(shè)置為失效關(guān)，以有效阻斷虹吸流。閥位在輔助控制室顯示羅并設(shè)置閥門(mén)狀態(tài)不一致報(bào)警，當(dāng)閥位與要求閥位不一致時(shí)，在輔助控制室燈光報(bào)警，在主控制室SVA綜合報(bào)警窗聲光報(bào)警，提示操縱員閥門(mén)失效。閥體上設(shè)有手輪，需要時(shí)操縱員可以就地手動(dòng)開(kāi)啟閥門(mén)。

4.2 具體實(shí)施方式

如圖1 所示，為本實(shí)用新型防虹吸隔離裝置4 的實(shí)施例提供的結(jié)構(gòu)示意圖，蒸汽分配系統(tǒng)包括：連通的凝結(jié)水箱1 和凝汽器2，凝結(jié)水箱1 與凝汽器2 之間設(shè)置有兩臺(tái)凝結(jié)水泵3，防虹吸隔離裝置4 包括：微控制器41 和兩個(gè)電磁閥42，微控制器41 分別與每個(gè)電磁閥42的信號(hào)控制端連接，每個(gè)電磁閥42 分別對(duì)應(yīng)設(shè)置在每臺(tái)凝結(jié)水泵3 的出口總管上，每臺(tái)凝結(jié)水泵3 的信號(hào)控制端與微控制器41 連接。需要說(shuō)明的是，電磁閥42 的開(kāi)啟方式可以根據(jù)實(shí)際需求結(jié)合微控制器41 實(shí)現(xiàn)設(shè)置，下面給出一種可以實(shí)現(xiàn)的示例。

圖1 防虹吸隔離裝置4 的開(kāi)關(guān)連接關(guān)系示意圖

例如，卡件端口可以分配4 個(gè)DI，其中3 個(gè)為DO，1 個(gè)為AI。凝結(jié)水泵3 的啟、停命令可以由兩個(gè)DO控制，閥門(mén)的開(kāi)關(guān)命令可以由一個(gè)DO 控制，閥門(mén)的開(kāi)關(guān)反饋可以由兩個(gè)DI 控制，泵的啟、停反饋可以由兩個(gè)DI 控制，液位變送器輸入可以由一個(gè)AI 控制。

優(yōu) 選 地， 可 以 由FBM242 卡 件 提 供DO 輸 出，F(xiàn)BM207C 卡件提供DI 輸入，F(xiàn)BM204 卡件提供AI 輸入，這三個(gè)卡件可以通過(guò)電路技術(shù)封裝在微控制器41 內(nèi)，微控制器41 內(nèi)的其他部件如數(shù)據(jù)線、外殼等屬于公知技術(shù)。

4.3 具體工作方式

當(dāng)兩臺(tái)凝結(jié)水泵3 中任意一臺(tái)啟動(dòng)時(shí)，發(fā)出啟動(dòng)信號(hào)，微控制器41 根據(jù)信號(hào)聯(lián)鎖控制對(duì)應(yīng)電磁閥42 的閥門(mén)開(kāi)啟。然后凝結(jié)水箱1 中的凝結(jié)水通過(guò)凝結(jié)水泵3 輸送至凝汽器2。凝結(jié)水泵3 啟停受水箱液位控制，當(dāng)水箱達(dá)到標(biāo)高時(shí)，凝結(jié)水泵3 停泵。當(dāng)兩臺(tái)凝結(jié)水泵3 全部停運(yùn)時(shí)，發(fā)出停運(yùn)信號(hào)，微控制器41 接收到兩臺(tái)凝結(jié)水泵3 的停運(yùn)信號(hào)后，信號(hào)聯(lián)鎖控制兩個(gè)電磁閥42的閥門(mén)關(guān)閉。微控制器41 屬于現(xiàn)有控制器，其控制過(guò)程屬于簡(jiǎn)單的現(xiàn)有技術(shù)，本裝置未對(duì)控制器的控制邏輯或結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。

本實(shí)施例提供的防虹吸隔離裝置4，通過(guò)在每臺(tái)凝結(jié)水泵3 的出口總管上設(shè)置電磁閥42，通過(guò)微控制器41 與凝結(jié)水泵3 的信號(hào)控制端連接，實(shí)現(xiàn)了凝結(jié)水泵3與電磁閥42 的聯(lián)鎖控制，從而當(dāng)凝結(jié)水泵3 停運(yùn)時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉電磁閥42，能夠有效地防止虹吸現(xiàn)象的發(fā)生，已成功地應(yīng)用于輔助蒸汽分配系統(tǒng)，使用效果良好。

可選地，在一些可能的實(shí)施方式中，防虹吸隔離裝置4 還包括：轉(zhuǎn)接箱43，微控制器41 通過(guò)轉(zhuǎn)接箱43 與每個(gè)電磁閥42 連接。

下面結(jié)合圖1，對(duì)防虹吸隔離裝置4 可能實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行說(shuō)明。

在一些可能的實(shí)施方式中，防虹吸隔離裝置4 還包括：接線箱限位開(kāi)關(guān)44，接線箱限位開(kāi)關(guān)44 與轉(zhuǎn)接箱43 連接。電磁閥42、轉(zhuǎn)接箱43、接線箱限位開(kāi)關(guān)44 通過(guò)電纜線依次連接起來(lái)，機(jī)柜端公共端和常開(kāi)觸點(diǎn)接入。電磁閥42、轉(zhuǎn)接箱43、接線箱限位開(kāi)關(guān)44 等部件可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)位置和機(jī)柜數(shù)量的需求，對(duì)其位置和數(shù)量進(jìn)行調(diào)整。進(jìn)線中電纜為端子排端接方式，需要為控制電纜留進(jìn)線開(kāi)孔，轉(zhuǎn)接箱43 尺寸需滿(mǎn)足進(jìn)線和出線要求。優(yōu)選地，電纜線可以增加屏蔽電纜接地，進(jìn)線和出線的電纜屏蔽層應(yīng)同時(shí)連接到其內(nèi)的接地銅排上，轉(zhuǎn)接箱43應(yīng)有接地保護(hù)裝置。可選地，在一些可能的實(shí)施方式中，防虹吸隔離裝置4 還包括：通信模塊，通信模塊與微控制器41 連接。通信模塊可以為有線通信模塊或無(wú)線通信模塊，例如，有線通信模塊可以包括信號(hào)處理器、光纖接口和線纜等，無(wú)線通信模塊可以包括wifi 模塊、藍(lán)牙模塊、4G 模塊或5G 模塊等。

通過(guò)通信模塊能夠?qū)崿F(xiàn)與預(yù)設(shè)終端進(jìn)行通信，從而可以通過(guò)預(yù)設(shè)終端下發(fā)控制指令，主動(dòng)控制電磁閥42的開(kāi)關(guān)，以有效阻斷虹吸流。在一些可能的實(shí)施方式中，防虹吸隔離裝置4 還包括：聲光報(bào)警模塊，聲光報(bào)警模塊與微控制器41 連接。例如，聲光報(bào)警模塊可以包括發(fā)光二極管和揚(yáng)聲器，當(dāng)閥位與要求閥位不一致時(shí)，進(jìn)行聲光報(bào)警。在可能的實(shí)施方式中，電磁閥42 的閥體上還設(shè)置有手輪。

5 結(jié)語(yǔ)

反虹吸改造過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)制，它受到操作條件的頻繁波動(dòng)，容易受到眾多隨機(jī)干擾因素的影響，從而使該過(guò)程的有效管理更具挑戰(zhàn)性。本課題提供的汽分配系統(tǒng)，通過(guò)在每臺(tái)凝結(jié)水泵的出口總管上設(shè)置電磁閥，通過(guò)微控制器與凝結(jié)水泵的信號(hào)控制端連接，實(shí)現(xiàn)了凝結(jié)水泵與電磁閥的聯(lián)鎖控制，從而當(dāng)凝結(jié)水泵停運(yùn)時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉電磁閥，能夠有效地防止虹吸現(xiàn)象的發(fā)生，使用效果良好。