發電廠DCS控制參數的優化和改進

楊 林

（遼寧紅沿河核電有限公司，遼寧 大連 116001）

發電廠蒸汽供應系統在數字化分散控制中實現，采用先進數字技術完成過程控制。本文描述了幾起在機組啟動過程中比較典型的事例，來介紹某電站相關改進。

1 蒸汽供應系統控制系統總體介紹

蒸汽供應系統控制系統的主要功能是：

1）在穩態運行期間，保持機組主要運行參數與設計院給出的最佳值盡可能接近。

2）在保證電網要求的運行靈活性同時，使其能適應一定的運行暫態。

3）在運行暫態或設備故障后，保持主要電站參數在正確運行范圍內，盡量減少對保護系統不必要的動作。

1.1 電網約束條件

1）保證合格的電網頻率和電壓控制對于消耗性器件是很重要的，尤其是電動機（對電壓和頻率的波動非常敏感）。原則上，電壓控制不影響電廠熱功率輸出，因為它可通過改變各個機組與電網相互連接的電壓比或控制無功功率得到保證。

電網頻率變化的主要原因是由于產生的電功率與負荷需求不一致所至。特別是在異常發電工況后，例如一個正在發電的電廠跳閘，頻率便很快發生變化。頻率控制將頻率控制信號作為設定值是由于需使產生的電功率與負荷需求匹配一致。為此，應將做到：負荷跟蹤、汽機的頻率跟蹤、頻率控制。

如果電網故障在由于泵速低而切換到廠用負荷之前就已消除，則必須能夠迅速回到出現故障之前的運行工況：汽機主汽閥打開，旁通閥關閉，輔助設備端的電壓、頻率是額定值。

2）電廠在穩態工況下并考慮汽機的效率后，由最終電功率所要產生的在汽機端的功率必須等于所輸出的熱功率。電廠運行在根據預定的準則選定電功率或是選定熱功率，還在于調節不是靠相應控制系統選取的參數。

在機組運行期間，熱功率是服從汽機功率的。這種運行方式也就是通常所稱的跟蹤模式。這種模式對于電廠是最靈活的模式，因為電網需求的變化可以由汽機控制系統直接改變蒸汽流量，而必須通過它的控制系統對這些功率變化做出反應。

汽機具有兩種控制方式，一是基本方式調速器，二是高級控制方式。

有3種汽機控制模式及限制：①超速限制。當正常運行時，若汽機的轉速超過預置的極限時，則積分蒸汽需求逐漸受限。若汽機轉速到達更高一級整定值時，則汽機主汽閥關閉；②超加速限制。若發現加速度超過預置值時，則積分蒸汽需求量按預置速率逐漸降低。當加速度已降到可接受的數值時，在考慮到為操作員或卸載設備所給予的任何限制后，積分蒸汽需求量則回到正常調節動作所決定的方式；③操作員蒸汽需求量限制，操作員可要求限制蒸汽需求量。此限制可以置于-50%～105%蒸汽需求量之間。

汽機快速降負荷，在接收到來自定子冷卻水系統保護系統的請求時，蒸汽需求量則逐漸受限。這些卸載請求，由硬線直通到基本方式調速器。當請求信號存在期間，快速下降的速率是200%FP/min。在汽機功率速降時，此信號是一個連續量，它給出一個連續的蒸汽需求量限制率。在速降時，此信號是周期性的，它給出一個較低的平均卸載率。

接受快速下降信號后，則切斷自動負荷控制系統。當下降信號存在時，同時也禁止手動提升下插按鈕。當快速下降工況結束后，機組可重新安全加載時，由操作員在控制盤上啟動復位按鈕，移去禁止信號。

1.2 蒸汽供應系統運行工況

功率階躍或準階躍變化通常是由電網事故啟動的，而功率線性變化則是由操作員或控制作用（例如，由產生的降負荷信號）引進的，影響電廠機組改變功率的各種情況，可以由幾個運行工況所包括，因為它們的幅度或改變速率包括了所有其他工況。

蒸汽供應系統控制通道可使得系統運行在這些工況下，滿足機組運行。

1.2.1 穩態運行

根據合同規定，汽機負荷在15%～100%FP范圍內。在穩定工況下，將汽機與電網連接，而所有控制器都工作在自動方式，必須能夠運行，同時不會引起凝汽器蒸汽排放。

手動控制時，在0%～100%額定功率的所有各種負荷下，必須能夠穩定運行。

而蒸發器和穩壓器的水位控制、穩壓器的壓力控制，在15%FP以下，也要能夠自動控制。

1.2.2 暫態運行

在自動工作方式時（15%～100%額定功率），蒸汽供應系統按合同規定必須能夠適應下述正常運行暫態而不會引起冷卻劑或二回路的安全閥或泄壓閥打開。

冷凝器不排放。

蒸汽排放到凝汽器或除氧器。

1.2.3 控制系統的性能準則

1）控制系統性能的評價根據下面這些標準準則：穩定性和衰減；被控變量的變化范圍；響應速度；運行裕度。

以上這些準則是相互影響的，給出控制系統和各種能影響機組的干擾間的區別，沒有一個單一準則被認為是決定性的。一個或另一個準則可能更加重要并將決定系統的結構和整定值。它依賴于暫態過程和所考慮的控制系統，也依賴所涉及的過程。

2）控制系統性能準則：穩定性和衰減，不管在任何情況下，任何控制系統一定不能誘發不穩定的振蕩?？刂葡到y的穩定性是不同的相互依賴的準則間的折中選擇（即必須均要滿足穩定性）。

此外，多數控制系統表現出可能導致等幅振蕩（極限環）的非線性，這種情況一定不能出現。如果確實發生了，極限環的振幅和頻率一定要保持很低。這樣可以減少對執行機構的磨損，減少設備的應力以及降低啟動保護系統的風險。

極限環可能是由系統內在的物理現象及設備的缺陷引起的，也可能是控制系統本身的原因引起的。任何導致過度的或不適當的回路增益組合，可能產生不穩定性。

3）被控變量的超調的變化的大小，本節處理在暫態過程中支配被控變量極端變化的一些準則。這些變化必須嚴格分成兩類：

① 超調：設定值變化時，被控變量能達到的最大值（最小值）就是超調。

② 干擾引起的變化：這些是被控變量由于干擾而不是設定值的改變所引起的變化。

為了避免系統可能達到某種聯鎖設定值以及特別是反應堆停堆設定值，必須對超調加以限制。當選擇可以接受的超調時，必須考慮一定的裕度以容許預期的探測器和設定值調整的不精確性。

系統必須能足夠快速地操作執行機構，以避免被控變量和它的設定值偏離太大。用一個例子來說明，比如優良的一次系統壓力控制能夠做到：

設定限制壓力最大值，阻止了過量的蒸汽排出（安全閥動作），允許較低的設備設計壓力，因而降低了造價。

設定限制壓力最小值，給出堆芯DNB的極限裕度，因此增加了NSSS可靠性、靈活性甚至安全性等。

最后，應該記住的是關于執行機構本身的一些極限，應盡可能避免達到。例如，啟動報警和閉鎖棒運動的棒提升和下插極限；硼濃度的調整，可以用來避免達到這些極限值；閥門全開或全關，通常是設計不當或閥門特性不好的一種標志。

4）響應速度。隨著干擾之后，被控變量或執行機構應該很快回到穩態值或穩態位置。由于下述理由，希望有一個較快的響應速度。

有時，需避免在低穩定性運行工況下或對設備產生過多磨損工況下（比如，讓閥門過久停留在關閉狀態），以及非正確運行工況（例如，蒸發器水位過高或過低）下過久運行。

某些控制參數必須對汽機控制，甚至對NSSS其他的控制系統引起的干擾能快速響應，并且限制被控變量偏離它的設定值。蒸發器水位控制就是這種情況，它必須總是保持給水和蒸汽流量之間的平衡，從而避免觸發高水位及低水位的保護定值。

控制系統的響應速度一定要足夠快，以保證機組所需的運行機動性，而不會觸發保護動作和延長某些報警動作。

控制系統的協調調整是穩定性、被控變量變化和響應速度之間的折中。

時間上的快速響應總是導致一定程度的穩定性的喪失，如果此設定值是產生擾動的主要參量的話，則限制變化的大小是為了保證產生好的穩定性的折中協調；如果不是，則產生保證短時間響應的協調。

5）運行裕度。如前所述，NSSS控制系統最重要的任務之一是對輸送給保護系統的主要NSSS參數提供一個最大可能的運行裕度。在評價機組運行機動性的潛力時，這些裕度必須要作為主要因素予以考慮。由于NSSS控制系統的主要功能是保證機組的可用性，控制系統的設定值在考慮到保護系統的保護定值以及良好的運行所要求的最小裕度才能決定。

2 控制參數在數字化分散控制系統中的改進

蒸汽供應系統在數字化分散控制中實現，采用先進數字技術完成過程控制。本文描述了幾起在機組啟動過程中比較典型的事例來介紹電站相關改進。

圖1 傳遞函數Fig.1 Transfer function

2.1 多路輸入選擇（VOT3）算法參數優化

2013年初，機組熱功率100%Pn，執行以5%Pn/min負荷線性變化試驗，在降負荷過程中，蒸發器液位異常上升，最高至0.765m，操作員手動干預，以維持機組穩定，試驗失敗。

降負荷時，給水泵轉速控制回路中由主蒸汽流量計算得出的汽、水差壓設定值沒有跟隨蒸汽流量下降逐漸降低，進而導致給水泵處于高速運行，蒸發器液位持續上漲。汽、水差壓設定值在試驗中蒸汽流量下降至80%Pn后，一直維持在0.74MPa.a，直到機組負荷在低功率停留5 min后才恢復到當前蒸汽流量對應的汽、水差壓設定值。

造成上述現象的原因是由于3臺蒸發器蒸汽流量計算算法中2/3功能塊（VOT3）中的MU（模擬量輸出上限）值設置過小，瞬態工況。當3臺蒸發器的蒸汽流量彼此偏差大于0.2%時，該功能塊輸出會保持上一時刻有效值。即在降負荷的過程中，到達80%Pn時，3臺蒸發器蒸汽流量偏差大于0.2%，導致經過2/3功能塊（VOT3）后的蒸汽流量輸出信號一直保持80%Pn對應的蒸汽流量值的76%，直至機組到達17%Pn且穩定5min后，3臺蒸發器蒸汽流量偏差小于0.2%，2/3功能塊（VOT3）輸出才恢復為當前的蒸汽流量值的17%。

降負荷時蒸發器蒸汽流量偏差大于0.2%，屬于正常范圍內的儀表偏差。因此，為滿足工藝要求，修改了3臺蒸發器蒸汽流量2/3功能塊（VOT3）中的MU（模擬量輸出上限）值，根據實際蒸汽流量量程放大63倍。在隨后試驗中，電站機組再次執行5%Pn/min負荷線性變化試驗，試驗滿足要求。

2.2 蒸汽發生器水位主調問題解決方案

蒸汽發生器水位調節器為PID形式，傳遞函數如下：

由兩個組件構成：一個PI（403RG1）組件和一個PD（403RG2）組件串聯。

表1 AMAM模塊參數設置Table 1 AMAM module parameter settings

參數K 30 = 1，T31 = 15，微分增益為9。當調節系統由手動切自動時，如果液位有偏差，即使很小，經過403RG2微分作用，會對調節系統輸出出現擾動。

按照傳遞函數會有如下情況：當水位控制投自動時，如果水位有1%偏差，403RG1的輸出將變化1，由于微分環節放大9倍，403RG2的輸出將變化10，將有10%的開度變化，如圖2。

圖2 水位擾動時序圖Fig.2 Time sequence diagram of water level disturbance

出現擾動的主要原因是在手動投自動時微分立刻起作用，而微分的增益是9，所以即使有1%的水位偏差（0.036m），擾動也會非常大。為消除這部分擾動，增加手/自動切換組態，即在手動切自動瞬間，將微分時間設為0，投入自動后，延時1s將微分時間改為13.5。這樣既不影響自動狀態下的微分控制，又可以消除切自動瞬間出現的擾動。

試驗結果如圖3。當存在1%的偏差投自動時，主調輸出在-6的基礎上僅變化1，達到-7，基本無擾。

圖3 在1%的偏差投自動Fig.3 Automatically cast at 1% deviation

如圖4，控制器自動后偏差由-1變化-3，主調輸出在-7的基礎上由微分引發迅速響應，曲線與理想值基本一致。

圖4 優化時序圖Fig.4 Optimization timing diagram

2.3 閉環控制單元OU參數設置問題

組態中，PID控制器采取PID模塊串聯AMAM模塊的形式。

其中，PID模塊與AMAM模塊均有一個OU參數對輸出的變化率進行限制，模塊的變化率最大值=(OU)/100×量程。

在目前的組態中，PID模塊和AMAM模塊的OU參數均為2.5，也就是說輸出每秒鐘變化量小于量程的2.5%。該設置對控制有以下影響：

對于需要快速響應的控制器，限制了控制器的響應速度。

以穩壓器壓力控制系統為例：在受到+0.25MPa的擾動時，其響應如圖5。

圖5 穩壓器壓力響應時序圖Fig.5 Regulator pressure response timing diagram

但是由于OU參數影響，不僅導致輸出延遲10s以上，而且導致微分作用效果被忽略。

兩者對比結果如圖6。

圖6 兩者對比結果Fig.6 Comparison results between the two

根據OU參數的作用原理和實際操作習慣，修改：

對于PID模塊，其OU參數應設置為100，即對PID運算的結果不帶任何延遲的輸出。

對于AMAM模塊，如果模塊為串級控制的主控制器，則設置其值為30～50。

3 結束語

蒸汽供應系統控制系統是保證電廠安全、穩定運行的重要系統。其自動投入率保證了機組穩定運行，減輕了操作員負擔。本文總結了在機組啟動過程中調試的經驗，供后續機組參考。通過對自動控制調試過程出現的問題進行詳細描述，對電廠運行、維修等領域人才的培養具有一定的參考價值。

本文介紹的相關參數優化和改進方法，后續應用于其他機組啟動瞬態試驗，取得了非常顯著的效果，縮短了啟動瞬態試驗時間，取得了一定經濟效益。