核電廠除氧器液位控制優化

張春在

【摘 要】除氧器是核電站二回路除氧給水系統的關鍵設備，除氧器液位控制異常將影響機組的安全、穩定、經濟運行。本文以某CANDU6機組為例，結合實際運行經驗，闡明對核電廠除氧器控制系統及運行方式的優化。

【關鍵詞】除氧器；液位；控制；優化

【Abstract】Deaerator is key equipment of secondary side thermal cycle. When the level of deaerator disturbs， it will threaten economy and stable even safety operation of the unit.This article use a CANDU6 unit as an example， combined with practical experience in the operation， clarify the nuclear power plant Deaerator Control System and operation mode optimization.

【Key words】Deaerator； Level； Control； Optimization

0 引言

在核電廠中，除氧器主要用于去除凝結水中的溶解氧，并為主給水泵提供足夠的凈正吸入壓頭，為蒸汽發生器提供一定的水裝量儲備。在機組運行時，需控制凝結水上水流量，維持除氧器液位在設定值。某核電廠采用三沖量、內部串級控制方式，所謂三沖量，輸入一（IN1）為凝結水流量，輸入二（IN2）為給水流量，輸入三（IN3）為除氧器水箱液位。所謂內部串級，指每個控制器內部設定有兩個回路（LOOP1/LOOP2），LOOP2為主回路用于液位控制，LOOP1為副回路用于凝結水流量調節，主、副回路是串聯作用的，LOOP1的輸出直接作用于液位控制閥。在反應堆功率穩定時，除氧器水位取決于凝結水流量與給水流量變化量的平衡，如果這兩個流量中的一個大幅度變化，都會導致除氧器液位產生較大的變化。

綜上所述，當給水流量、高加疏水量、除氧器抽汽量變化時，都會影響除氧器液位，要想控制好系統的動態變化過程，則需要采用PID 控制器來實現氣動調節閥的快速響應，同時要對控制系統和運行方式進行優化，下面以某CANDU6機組為例，結合實際運行經驗，闡明對核電廠除氧器控制系統及運行方式的優化。

1 控制系統優化

某核電廠除氧器液位控制系統有三個回路，分別為主回路（除氧器液位）、副回路（凝泵出口流量）和前饋回路（蒸發器給水流量）。主回路用于校正水位偏差，副回路快速消除內擾，而前饋用于補償外部擾動，克服虛假水位現象。為保證被調量無靜差，主/副調節器均采用PID控制方式。

1.1 控制器參數優化

當機組出現瞬態時，汽輪機脫扣，除氧器失去汽輪機抽汽，同時失去高加至除氧器的疏水，造成凝結水流量與給水流量不匹配，除氧器的液位下降。當除氧器液位低于備用控制閥參與控制的設定值時，在積分項的作用下，備用液位控制閥迅速全開，造成了除氧器液位快速上升，有可能觸發除氧器高液位保護動作，導致上水控制閥關閉，徹底喪失除氧器上水。

通過對機組瞬態工況的分析，確認導致除氧器液位大幅波動的原因是控制器Loop2的響應偏慢，需要系統快速響應的時候沒有跟上，通過在5%滿功率范圍內在線擾動實驗，確定了除氧器液位控制器主環Loop2的最優控制參數，提高了響應速度，最大限度地減小了瞬態工況下除氧器的液位波動。

1.2 備用控制器設定值優化

瞬態時除氧器液位大幅波動的另一個原因是是積分飽和時間與機組瞬態時液位下降速度不匹配，導致備用上水閥開啟過快，引起除氧器液位超調。為解決這一問題，通過分析瞬態時除氧器液位下降幅度，適當降低備用控制器液位設定值，減小瞬態時除氧器最低液位與設定值之間的偏差，使備用控制閥緩慢打開，減小對系統的沖擊。液位高于備用控制器設定值時，備用控制閥逐漸關閉并開始退出運行狀態，減小除氧器液位上升的速度。通過驗證，該修改在機組瞬態時能較好控制除氧器的液位。

1.3 液位控制閥排氣速度優化

當除氧器液位高于保護設定值時，所有除氧器上水氣動閥迅速關閉，以防止水位的進一步上漲。閥門快關帶來的另一個問題是由于關速過快，在沖力作用下，導致閥門卡死，當除氧器液位下降至正常液位需要補水時，上水閥無法打開導致除氧器低液位。通過對除氧器液位控制系統、液位調節閥控制氣動回路的分析和現場試驗，對除氧器液位控制閥氣動回路中的緊急排氣F型端口進行變更，換成在塞堵上鉆節流孔，以降低排氣速度，增加氣動閥的關閉時間。通過試驗和運行驗證，液位控制閥在機組發生瞬態動作時，能快速關閉且不會卡死，同時除氧器高液位保護仍然能夠按要求實現。

1.4 評價控制性能算法優劣的因素

設計控制器的基礎在于對被控對象特性的了解以及合理的控制目標的設定，由于被控對象的復雜及人們認識能力的限制，設計控制器時采用的對象模型常常與實際存在偏差，從而導致控制性能不能達到預期的效果。即使控制器最初運行良好，諸如傳感器、執行器損壞，器件污損，進料變化，產品改變乃至季節性影響也會使控制性能產生緩慢或突然的變化。這種變化會直接導致生產過程的異常及產品質量下降，影響工業系統的運行效率，因此，有必要對控制性能進行監控，以便及時發現問題，解決問題，將損失降低到最小限度。

2 運行方式優化

為了控制除氧器液位穩定，除了對控制系統進行優化外，合理安排主給水泵的啟動時間，減小除氧器壓力波動，從而減小除氧器的液位波動。同時根據不同的功率水平，對除氧器補水的方式進行優化，同樣可以增加控制系統的穩定性，減少除氧器液位的波動。

2.1 合理安排主給水泵的啟動時間

在機組啟動階段，為了給除氧器升溫，常啟動主給水泵再循環運行，利用主給水泵運行產生的熱量對除氧器內的水進行升溫。如果給水泵啟動過早，當除氧器內的水溫達到蒸發器上水溫度要求時，反應堆功率又不能及時升高，蒸發器的上水流量就比較小，導致除氧器內壓力持續上升，只能通過手動打開排氣閥降低除氧器壓力。由于除氧器壓力不穩定，從頂部進入到除氧器的凝結水無法被加熱到正常的飽和溫度，所以在除氧器水面附近存在劇烈的熱交換，導致除氧器出現汽水振蕩，引起除氧器液位測量產生大幅波動，從而引起除氧器液位波動。根據運行實踐，合理安排主給水泵啟動時間，盡量與反應堆升功率的時間同步，可以有效減小除氧器的液位波動。

2.2 低功率時手動控制除氧器液位

當反應堆功率低于15%滿功率時，由于凝結水、給水流量較低，流量變送器不能準確的測量實際流量，因而很難保證在機組啟、停過程中實現除氧器液位的全程自動控制。根據實際的運行經驗，在低功率時，蒸發器上水流量較小，除氧器液位下降比較緩慢，可以將除氧器液位控制由自動控制改為手動控制，根據除氧器水位手動進行小流量補水，防止產生汽水振蕩引起除氧器液位波動。當反應堆功率大于15%滿功率時，將控制器切至自動控制，實現除氧器液位的自動控制。實踐證時，這種控制方式有效避免了除氧器的液位波動。

3 總結

總之，控制除氧器的液位穩定，對核電廠的安全、經濟、可靠運行至關重要，通過對控制系統優化和運行方式的優化，確保了除氧器液位控制穩定，對核電機組運行具有非常實際的意義。

[責任編輯：湯靜]