除氧器液位控制器切换异常原因分析及应对措施

程宇阳

摘 要

本文介绍了秦山三厂除氧器液位控制的三冲量原理和实现方式，讨论了由于控制器异常导致除氧器高液位隔离的过程并对其原因进行了分析。总结出除当氧器液位异常时的一般处理过程，并提出了自己的改进措施。

关键词

除氧器液位; PID三冲量控制;原因分析;应对措施

中图分类号： TM623                     文献标识码： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457 . 2020 . 17 . 81

Abstract

This paper introduces the principle and the way to achieve of the three-impulse control of PID for the deaerator level control in the Third Qinshan plant. Its also discussed the process of the isolation for the high level of the deaerator. The reason which causes， meanwhile， is analyzed too. Finally， the article is to sum up the usual process when the deaertor level is abnormal and puts forward some measures to improve its own.

Key words

The deaerator level; Three-impulse control of PID; Reason analysis; Countermeasures

0 概述

（1）除氧器功能簡介

除氧器是电厂二回路连接凝结水系统和给水系统的重要设备，由除氧水箱和除氧头组成。除氧器的主要作用是除去给水中的氧气及其他不凝结性气体，保证给水的品质，减少腐蚀，提高传热效率。同时，除氧器本身又是给水加热系统中的一个混合式加热器，起到加热给水，提高给水温度的作用。

我厂除氧器为直接接触水平盘型，带一个独立分离的水平储水箱，位于汽轮机厂房第5层，在正常液位时，水箱的容量为338m3，可满足电厂满功率运行5分钟的需水量。

（2）除氧器液位控制器控制原理分析

我厂除氧器液位控制采用的是三冲量、内部串级加前馈控制方式。

除氧器液位控制的三冲量分别是 ：输入一（IN1）为凝结水流量，输入三（IN3）为给水流量，输入五（IN5）为除氧器液位。

内部串级：每个控制器内部设定有两个回路（LOOP1/LOOP2），LOOP2为主回路用于液位控制，LOOP1为副回路用于凝结水流量调节，主、副回路是串联作用的，LOOP2的输出作为LOOP1的设定点。控制器64321-LC4410A/B/C两个回路都在同一界面显示，左边的是液位回路，右边的是流量回路，改变设定值只能改变液位的设定值，流量的设定值通过液位计算得出，无法手动修改。该控制器只有两个界面，一个是控制界面，一个是报警界面，通过翻页键进行切换。

给水流量信号作为前馈信号，与主回路输出相加，共同作为副回路LOOP1的设定点。

所以系统有三个回路：主回路（除氧器液位）、副回路（凝泵出口流量）和前馈回路（给水流量）。主回路用于校正除氧器水位偏差，副回路快速消除内扰，而前馈起到当蒸发器上水流量发生变化时，对除氧器的液位提前调节的作用。

控制原理说明：

●LOOP2主回路、 LOOP1副回路， LOOP2的输出作为LOOP1的RSP（远程设定值）

●IN5（除氧器液位）和SP（3380mm）比较

IN5

IN5>SP（3380mm）：O（Output）减小

RSP=A+O即IN3+Output

●IN1（ 凝结水上水流量）和RSP比较

IN1

IN1>RSP ：Current output（至阀门控制信号）减小

（3）除氧器液位控制功能的实现

我厂除氧器液位控制由主液位控制和辅助液位控制组成。主液位控制是当主凝泵运行时，主液位控制阀来进行除氧器液位的控制。辅助液位控制是失去IV级电源时，辅助凝结水泵通过辅助液位控制阀64321-LCV4224向除氧器供水，在排出反应堆衰变热期间维持除氧器水箱所要求的液位。

三个液位变送器LT4410A﹑LT4410B和LT4410C分别将除氧器液位信号送至三个液位控制器LC4410A﹑LC4410B和LC4410C，每一个控制器可以调节两个50%容量的液位控制阀，以保持除氧器液位的稳定。液位控制的过程为：首先由HS4410A选择液位控制器，然后由HS4410C选择液位控制阀，最后由每一个液位控制阀各自的手柄HS4207A﹑HS4207B和HS4207C来选择阀的控制模式。

在主凝泵出口管道上安装有三个控制阀64321-LCV4207A、B、C，用于接受控制器的信号，实现除氧水箱的液位控制。正常情况下，两个控制阀（开度相同）用于调节，一个控制阀用于热备用; 三个控制阀在主控的PL10上都有相应控制手柄，该手柄三个位置：CLOSE/STANDBY/AUTO。当处在‘AUTO位时，控制阀的气动回路上的电磁阀将带电，电磁阀处于打开状态，阀门供气回路连通，阀门根据控制器的输出信号进行响应;当处在‘STANDBY位时，电磁阀是否得电取决于除氧器的液位，当除氧器液位低于3000mm时，控制阀的气动回路上的电磁阀将带电并打开，此时阀门的控制与在AUTO位置时相同，除氧器液位高于3900mm则该控制阀的气动回路上的电磁阀将失电，电磁阀处于关闭状态，阀门的供气回路被切断，阀门不响应控制器的输出。当处在‘CLOSE位时，控制阀的气动回路上的电磁阀将失电，强制关闭对应的气动阀。控制阀的气动回路上的电磁阀带电时，控制阀将接受控制器的信号做相应动作;控制阀的气动回路上的电磁阀失电时，控制阀将迅速关闭。

总的来说，就是在正常运行情况下，由三个液位控制器中的一个来控制两个除氧器上水阀，自动维持除氧器的液位在3380mm，另一控制器处于备用状态，当除氧器液位低于3000mm时，由备用控制器控制的第三个液位控制阀投入控制，三个液位控制阀共同来确保除氧器的水位维持在3380mm。

1 事件原因分析

1.1 事件的提出

2012年12月30日，2号机组处于OT206启动过程中，反应堆功率15%FP，根据三滚计划进行除氧器液位控制器切换。在将64321-LC4410A的设定值（LOOP2）从3100mm向3380mm调节时，除氧器上水流量大幅上涨，先后出现D/A高液位报警CI1215和高高液位报警CI1222，除氧器高高液位逻辑动作，上水电动阀4321-MV4107/4108/4109自动关闭，随后执行报警响应，恢复除氧器液位正常。

1.2 事件过程经过

事件中，在将64321-LC4410A的设定值（LOOP2）从3100mm向3380mm调节时，除氧器上水流量从114.78kg/s瞬间飙升到最高641.6kg/s（图2蓝色曲线），大量冷水（低加旁路）进入除氧器导致除氧器的温度（图2粉红色曲线）和压力（图2黄色曲线）下降，温度下降导致水中气泡比例减少，除氧器液位下降（图2绿色曲线），上水阀开度再次增加，而后伴随水装量的增加，除氧器液位开始增加。

当水位达到除氧水箱顶部后，会淹没液位计参考水包溢流管，此时除氧器水位即使再上涨，液位也会始终指示在参考水包溢流管处的液位，从趋势图上表现为一直线（见图3），直线前的水位尖峰是由于除氧器压力降低后顶压蒸汽压力调节阀调节瞬间引起的压力冲击，除氧器高液位后上水阀关闭，D/A水位開始下降，由于D/A参考水包和D/A上部空间较小，所以初期水位表现为快速下降，后期下降趋缓。

1.3 事件原因分析

首先我们提出第一个问题，为什么调节处于STANDBY位置的控制器液位时，会导致备用的除氧器液位控制阀开启？

由第一部分的控制器原理分析我们知道，正常将处于STANDBY的控制器64321-LC4410A调节除氧器液位设定值时，由于电磁阀失电关闭，控制器的输出不影响阀门的开度。但是有没有可能此时的电磁阀是带电的呢？由图4可知，如果当除氧器液位低于3000mm，备用液位控制阀的压空电磁阀得电，并由自保持回路闭锁，如果之后没有将阀门手柄至于CLOSE复位，只要控制器发出调节命令，备用控制阀就会动作。后由维修人员检查确认，确实是除氧器液位之前低于过3000mm，导致了电磁阀得电，备用液位控制阀开启。

这时，我们又提出第二个问题：当时除氧器液位在3380mmm附近，为何备用液位控制阀依然开启？

控制器切换前LT4410C是主控制器，LOOP1/LOOP2都在自动，除氧器液位设定值3380mm，假设控制器要求控制阀开度为X%。那么把将要投运为主控制器的LT4410A的除氧器液位设定值从3100mm调整到3380mm后，其LOOP1/LOOP2也是在自动的，它的LOOP2回路的PI输出从3100mm时的负值变成3380mm时的0，其要求开度也变成和LT4410C一样的X%。这个开度要求本来是应该切换控制器后发送给两个运行控制阀的，但在切换前却发送给了电磁阀正好得电的备用控制阀，所以备用控制阀打开了。

那么，最后一个问题：这多出的X%流量只是原来2X%的二分之一，为何导致除氧器上水流量从120kg/s上升到630kg/s如此大的波动？

其实，在机组启动的低功率阶段，除氧器的上水温度较低，而突然多出X%的流量，导致除氧器温度下降的同时液位也从3380mm下降至3120mm，LOOP2测得除氧器实际液位又下降了260mm，三个上水阀同时开大上水，更多的冷水进入除氧器。这种情况下从顶部进入到除氧器的凝结水无法被加热到正常的饱和温度，导致在除氧器水面附近还存在剧烈的热交换，从而除氧器顶部的压力要高于水面压力，这导致了测量的液位比实际液位要低。而测得液位低又会导致除氧器上水阀进一步开大。当实际液位越接近顶部区域，除氧器水汽分界面越小，换热越少，从而顶部和液面的压差越小，这时液位测量开始反映除氧器的真实液位，这时液位已经超过4150mm，除氧器高高液位逻辑触发，上水电动阀自动关闭。

2 应对措施

2.1 故障判断及异常响应措施

除氧器液位控制阀或控制器是除氧器液位控制系统的直接执行机构和控制机构，它的异常将直接导致除氧器液位的异常波动，操纵员应及早干预，防止除氧器液位和压力失去控制的工况发生。

在低功率下如果出现除氧器液位波动向下，并且上水流量明显高于正常时（除氧器液位和上水流量在主控右边的大屏幕中），这时如果确认除氧器压力也比正常低并还在下降，那么可以判断除氧器出现了汽水振荡。检查凝泵出口压力AI647，如果发现较平时偏小。另外凝泵总出口流量AI636=除氧器上水流量AI650，证明没有发生流量分流现象，则很有可能是除氧器液位控制阀或控制器异常。

除氧器出现汽水振荡的初始原因为大量冷水进入，所以首先采取的措施将控制器切换到MANUAL控制上水流量，将上水流量控制在比正常值稍低的水平。这时不能按照除氧器的液位来控制上水流量，而是直接控制上水流量。如果备用液位控制阀投运，可以用手柄将其关闭。这时需注意的是在操作控制器时尽量不用加速功能，缓慢调节，调节过程中严密监视上流流量和除氧器液位。

确认除氧器压力控制响应正常，如异常则手动进行控制。

上水流量手动降低后，除氧器压力应当会开始上升，当回升到接近正常压力后，可以缓慢增加除氧器上水流量到正常上水流量，通过手动控制缓慢将除氧器液位提高到3380mm左右后切换到自动。

2.2 后续改进措施及分析

针对反应堆低功率阶段，除氧器上水流量较小，波动较大。建议可以向火电厂学习，变更为在机组低负荷下和高负荷下分别采用单冲量和三冲量串级控制系统。除氧器水位控制由高功率下的主阀和低功率下的副阀控制分别控制（主阀流量大于副阀流量，两者流量之比约为7：3左右），并同时配有旁路阀供检修时使用。两者的切换由控制器通过给水流量来判断，并将两者的切换点错开设置，避免在切换点换附近调节方式频繁来回切换。对于实际运行中，当副阀全开主阀刚开的瞬间，由于主阀管径较大产生的对除氧器液位的扰动，我们可以允许主阀、副阀在切换的瞬间开度有一定的重叠，以保证切换过程的平稳过渡。这种调节方式有效地减小了低功率下上水流量的波动对除氧器液位的影响，具有一定的借鉴意义。

针对这次事件，变更逻辑，当备用控制阀压空电磁阀得电自保持后，无论阀门打开与否，都将其手柄背灯点亮，提示操纵员备用阀已经开始参与水位控制。

3 结论

我厂在机组启动阶段曾多次发生除氧器液位的异常波动，由于除氧器液位的重要性，如果处理不及时将导致除氧器高液位隔离等不良后果。而且除氧器液位异常往往发展较快，操纵员在处理这类瞬态时，需要反应及时，处置迅速，并重点关注除氧器液位、上水流量和主凝泵出口压力这几个参数，同时根据具体情况对干预的措施进行微调。

参考文献

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