除氧器液位控制策略技术研究

李力

(国核电力规划设计研究院，北京　100095)



除氧器液位控制策略技术研究

李力

(国核电力规划设计研究院，北京100095)

摘要：针对除氧器液位控制系统中存在的延迟特性、除氧器进出口的流量干扰等因素，结合单冲量和三冲量控制模式的优点，提出了基于除氧器液位信号，并以除氧器的流入量信号和除氧器的流出量信号作为物质平衡基础的单冲量-三冲量复合控制策略，提出了基于不同负荷的控制模式切换方法和基于主凝结水流量的调节阀输出控制方法。该控制策略克服了系统中的延迟特性和干扰问题，对负荷发生变化后能以较短的响应时间和较小的超调量使系统达到新的平衡，控制效果优于仅依靠液位信号进行控制的单冲量方法。

关键词：除氧器液位;三冲量控制模式;模式切换;阀位输出控制

0引言

不论在常规火电厂还是在核电厂中，除氧器液位都是机组运行的一个重要控制参数。但是由于除氧器液位控制系统存在较大的延迟特性,除氧器进口存在较多的进水流量来源以及除氧器出口给水流量随着功率的变化而变化等特性，单纯依靠除氧器液位信号对除氧器液位进行控制已不能满足系统对稳定性、快速性和准确性的要求，往往会引起系统的调节时间过长、超调量过大，甚至振荡。

本文以非能动安全先进核电厂AP1000的除氧器液位控制系统[1]为依托，在设计过程中根据机组不同的负荷采用不同的控制模式：单冲量控制模式和三冲量控制模式，并在控制模式切换过程中通过对凝结水主调节阀和凝结水副调节阀的输出进行控制，从而避免除氧器液位出现剧烈波动，改善系统的动态性能。

1除氧器液位控制工艺系统构成及其特性

1.1系统构成

除氧器液位控制工艺系统主要由凝结水泵、凝结水主调节阀、凝结水副调节阀、低压加热器、除氧器、给水泵、高压加热器、蒸汽发生器、汽轮机、凝汽器、各水汽管道、流量仪表、液位仪表以及控制器等构成，如图1所示。其中，凝结水由凝结水泵从凝汽器中引出，凝结水主调节阀和凝结水副调节阀根据除氧器液位信号、主凝结水流量信号和给水流量信号给出合适的阀门开度让凝结水通过，从而维持除氧器液位在设定值附近，在经过低压加热器对凝结水加热后进入除氧器对凝结水进行除气和除氧，然后向给水泵提供符合化学特性要求的给水，通过高压加热器对给水进行加热后进入蒸汽发生器，给水在蒸汽发生器中吸收来自核岛的能量后转变成蒸汽推动汽轮机发电，经过降熵后的蒸汽进入凝汽器冷凝后转变成凝结水，这样就完成一次大循环。

图1　除氧器液位控制工艺流程示意

1.2系统特性

由于系统中给水、凝结水、疏水，特别是抽汽对除氧器液位的影响存在一定的延时性，给系统引入了较大的延迟特性，给控制带来了困难。

另外，除氧器进口的流量来源比较复杂，它由很多部分组成。最大的组成部分是主凝结水流量，其他部分还包括高压缸抽气来、高压加热器(以下简称高加)疏水来、汽水分离再热器疏水来、蒸汽发生器排污冷凝来等，这些流量来源有的是间歇式去除氧器的，有的是随着负荷的变化而变化的，这些因素都给除氧器液位控制带来了干扰。

在正常工况下，低压加热器的疏水汇集到凝结水管道，然后同凝结水一起进入除氧器。由于串级控制系统中副回路具有快速调节作用，能有效地克服发生于副回路的扰动影响[2]，因此，将凝结水流量仪表设置在除氧器的进口，使低压加热器的疏水包含在流量调节的副回路中。

由于给水流量较大，对除氧器液位的影响非常大，因此，提出采用前馈控制方式来改善给水流量变化对除氧器液位的影响。

2控制策略分析

2.1三冗余算法

除氧器液位控制系统中的除氧器液位仪表、主凝结水流量仪表以及给水流量仪表均采用三冗余仪表设置方案。若三冗余的每个仪表都处于有效信号，则采用中值选择算法，每个仪表都将作为中值选择算法的输入值，算法的输出为3个仪表中处于中间的信号值。若其中的一个仪表失效或其与中值选择算法的输出值偏差比较大时，需要把该测量通道在控制系统中解列出来，剩下2个仪表取平均后参与控制[3]。

2.2单冲量与三冲量控制模式及其切换方式

为了克服系统延迟特性、除氧器进出口流量干扰等因素给控制系统带来的影响，提出了基于除氧器液位信号，以除氧器流入量信号和除氧器流出量信号作为物质平衡基础的单冲量与三冲量控制策略[4]，并解决了在切换过程中的大扰动问题。除氧器液位控制逻辑如图2所示。

图2　除氧器液位控制逻辑

在单冲量控制模式下，来自除氧器液位三冗余算法的输出值被用作调节凝结水主调节阀或凝结水副调节阀的唯一控制输入值，以达到除氧器液位设定值。

单冲量调节器采用传统数字PID控制器[5]，其原理可以表述为：除氧器液位误差信号e(k)为PID控制器的输入信号，u(k)为PID控制器的输出信号，则有

在三冲量控制模式下，除氧器液位控制是基于除氧器液位信号，以除氧器的流入量信号和除氧器的流出量信号作为物质平衡基础来实现的[6]。在AP1000机组中，它们是：除氧器液位三冗余算法的输出值信号，去每台蒸汽发生器给水流量之和并经过温度、压力补偿的信号，经过校正后的主凝结水流量信号，其中被调节量是除氧器液位，扰动量是除氧器出口的给水流量，调节量是主凝结水流量。该控制策略由串级控制和前馈控制构成。其中，串级控制系统包含了主回路和副回路2个闭环控制回路。在主回路中，除氧器的实测液位与设定值进行比较，得到的液位误差信号经过液位调节器进行运算，给出由于液位所计算出的主凝结水流量需求，同时前馈控制器根据给水流量信号计算出由于给水流量变化所需要补充的主凝结水流量需求，两者相加得出总的主凝结水流量需求，并以此作为副回路中流量调节器的设定值。在副回路中，实测的主凝结水流量经过校正后与总的主凝结水流量需求比较，经过流量调节器进行运算，给出凝结水主流量的调节值，进而确定凝结水主调节阀或凝结水副调节阀的开度值，最终达到控制除氧器液位的目的。采用由除氧器进出口水流量的串级控制和前馈控制策略，比采用单纯的根据除氧器液位的单冲量控制方法能够更快地反映除氧器液位变化的趋势。三冲量的引入提高了主凝结水流量的调节速度，但当除氧器液位与设定值偏差较大时，除氧器液位调节器将对整个除氧器液位控制系统起支配作用。

去每台蒸汽发生器给水流量之和基本可以代表除氧器出口的流量。除氧器进口的流量比较复杂，因为它是由很多部分组成的，最大的组成部分是主凝结水流量，其他部分还包括高压缸抽气来、高加疏水来、汽水分离再热器疏水来、蒸汽发生器排污冷凝来等，这些信号不可能都用来控制除氧器液位，但是一般情况下，这些流量与主凝结水流量呈一定的线性关系，因此可以对主凝结水流量进行校正，采用校正后的信号来代表除氧器进口的流量。三冲量控制模式结构如图3所示。

图3　三冲量控制模式结构

在启动与低负荷情况下，由于给水与凝结水流量非常低而无法提供有效的流量测量信号，这时采用仅以除氧器液位信号为控制器输入的单冲量控制模式。当流量达到全负荷给水流量某个百分比水平后，控制模式自动切换至三冲量控制模式。当给水流量降低至全负荷的另外一个百分比以下时，经过一段时间延迟后，控制模式自动切换回单冲量控制模式。时间延时的目的是防止单冲量与三冲量切换过程中出现的较大流量波动，从而防止除氧器液位的剧烈波动。同时采用阀位跟踪技术：当控制系统处于单冲量控制模式时，三冲量的流量调节器的输出跟踪单冲量调节器的输出；当控制系统处于三冲量控制模式时，单冲量调节器的输出跟踪三冲量的流量调节器的输出。

2.3主副阀输出控制策略

在启动与低负荷情况下，采用凝结水副调节阀来进行流量调节，凝结水主调节阀这时保持关闭。当给水流量达到满负荷的30%水平后，凝结水副调节阀将达到全开位置，这时控制系统将给凝结水主调节阀一个阶跃的控制信号，令其打开至15%位置，该位置应在其允许的最小位置之上，防止流体对阀本体的侵蚀破坏。与此同时，凝结水副调节阀应部分关闭至40%位置，从而保证主凝结水流量在凝结水主调节阀开启的前后维持在同一水平，避免除氧器液位的剧烈波动。随后，在负荷继续上升时，2个调节阀都将继续打开，凝结水副调节阀由于其参数设置的比较快，将很快达到全开位置，之后控制系统主要由凝结水主调节阀来控制凝结水流量。同样，在负荷降低时，当凝结水主调节阀的阀位接近其允许的最小位置附近并且凝结水副调节阀已经关闭到一个位置时，控制系统将让凝结水主调节阀全关，同时打开凝结水副调节阀，保证主凝结水流量在凝结水主调节阀关闭的前后维持在同一水平，避免除氧器液位的剧烈波动。主副阀输出控制曲线如图4所示。

图4　主副阀输出控制曲线

3模拟机试验

为了验证除氧器液位控制效果，本文在某AP1000机组的模拟机上进行仿真验证。本试验以汽轮机快速甩负荷(FCB)工况为例，研究除氧器液位的变化是否在规定范围，同时比较单冲量和单/三冲量控制模式对负荷扰动的控制效果。

当机组正常运行时，除氧器液位应维持在0.52 m附近，控制要求如下：量程范围，-1.5～1.5 m；控制精度，0.03 m；超调量，0.15 m；低2设定值，-1.05 m；低1设定值，0.30 m；高1设定值，0.72 m；高2设定值，0.82 m；高3设定值，1.02 m。

当机组进行快速甩负荷试验时，汽轮机负荷从100%额定负荷瞬时降至0%，然后维持在带厂用电负荷5%额定负荷。这时主给水流量将快速下降，快速甩负荷时主给水流量变化曲线如图5所示。主给水流量的快速下降将对除氧器液位带来外部扰动，快速甩负荷时除氧器液位变化曲线如图6所示。模拟试验表明：

(1)采用单/三冲量控制策略时，超调量要小于采用单冲量控制策略；采用单/三冲量控制策略时，超调量为0.06 m，发生在快速甩负荷后70 s；采用单冲量控制策略时，超调量为0.28 m，发生在快速甩负荷后115 s，已经超出了控制要求的范围，并且已达到高1设定值，这时除氧器放水阀将动作。

(2)采用单/三冲量控制策略时，过渡过程时间要小于采用单冲量控制策略；采用单/三冲量控制策略时，过渡过程时间为425 s；采用单冲量控制策略时，过渡过程时间为940 s。

图5　快速甩负荷时主给水流量变化曲线

图6　快速甩负荷时除氧器液位变化曲线

4结束语

单冲量-三冲量复合控制策略根据机组负荷的变化对2种控制模式进行切换，实现了2种控制模式的优势互补。在负荷较低时，采用基于除氧器液位信号的单冲量控制模式能够有效地避免由于负荷较低时所带来的流量测量误差。在负荷较高时，采用基于除氧器液位信号，并以除氧器的流入量信号和除氧器的流出量信号作为物质平衡基础的三冲量控制模式能够更迅速地反映除氧器液位变化的趋势，提高了主凝结水流量的调节速度，保证了系统动态响应的快速性。基于不同负荷的控制模式切换方法和基于主凝结水流量的调节阀输出控制方法避免了在控制模式和调节阀切换前后主凝结水流量的大扰动问题，从而大大降低了除氧器液位的剧烈波动。

参考文献：

[1]林诚格，郁祖盛，欧阳予.非能动安全先进核电厂AP1000[M].北京:原子能出版社,2008.

[2]王树青，戴连奎，于玲.过程控制工程[M].北京:化学工业出版社,2008.

[3]谢里阳，林文强.冗余系统共因失效的载荷-性能分析与概率估算[J].核科学与工程,2003,23(4):289-295.

[4]周佳,曹小玲,刘永文.锅炉汽包水位控制策略的现状分析[J].锅炉技术,2005,36(3):5-10.

[5]刘金琨.先进PID控制及其MATLAB仿真[M].北京:电子工业出版社,2004.

[6]臧希年，申世飞.核电厂系统及设备[M].北京:清华大学出版社,2003.

[7]SHINSKYE F G. Process control systems application, design, and Tuning[M].Beijing:Tsinghua University Press, 2004.

(本文责编：白银雷)

收稿日期：2015-08-21；修回日期：2016-01-28

中图分类号：TP273;TK223.5+22

文献标志码：A

文章编号：1674-1951(2016)03-0010-04

作者简介：

李力(1982—)，男，河南新乡人，工程师，工学硕士，从事电厂自动化控制与智能控制等方面的工作(E-mail:lili@snpdri.com)。