华龙一号汽动泵控制系统分析与改进

李洪 郑健伟 王冲

福建福清核电有限公司 福建福清 350318

根据HAF102《核动力厂设计安全规定》的要求，核电厂需要设计专设安全设施，以防止造成反应堆堆芯损伤或需要采取场外干预措施的放射性释放，并能使核动力厂回到安全状态，辅助给水系统属于此类专设安全设施。在任一正常给水系统发生事故时，辅助给水系统运行，能够确保向蒸汽发生器供应适量的水，以导出堆芯余热，直到反应堆冷却剂系统达到余热排出系统可投入的状态。

辅助给水系统设计有两台电动泵和汽动泵，保证在即使出现电动泵由于失电等原因导致无法正常启动时的工况，仍能采用主蒸汽作为动力的汽动泵仍可保证系统具备导出堆芯热的功能余热。

1 控制系统

汽动泵的控制系统为闭环控制系统，其主要功能为转速控制，使转速维持在设定值范围内。为了保证汽动泵的安全运行，控制系统还设计了大流量限制机制功能。

控制系统的检测装置包括速度探头和差压流量计，控制器采用数字式调速器，执行机构为气动调节阀，被控对象为汽动泵转速或流量。正常运行时，调速器为转速调节模式[1]。汽动泵的转速通过安装在中央水室水平侧和垂直侧的两个探头监测，并将信号传送到具备PID计算功能的调速器，经PID计算后输出控制信号至气动调节阀，控制汽动泵的蒸汽流量使其转速稳定在设定值范围内。当流量超过安全限值时，控制系统转为流量限制模式，通过安装在汽动泵出口的差压流量计测得的流量信号，触发流量限制模式，输出此前跟踪转速控制的阀位限值至气动调节阀，进而控制汽动泵的蒸汽流量使其流量稳定在设定值范围内。

2 控制系统的分析与改进

2.1 流量测量方式改进

大流量限制系统设置的作用是保护汽动泵在事故工况下，将泵的出口流量控制在系统和泵组可接受的范围内[2]。

由于汽动泵的转速可调节，大流量限制系统采用降低泵转速来限制出口流量的方式。在泵的出口主管道上的直管段部分设置流量计测量流量，现有的大流量限制方案需设置流量测量管线和仪表，流量测量管线要求有一定长度的直管段，同时需保证汽动泵整体满足抗震要求，无疑加大了汽动泵的设计难度，且调速器和核级差压变送器均不具备开方运算的能力，造成控制系统繁杂、故障点多。

通过利用辅助给水系统自有流量计进行出口流量测量。辅助给水系统自有流量计分别测量三个环路的流量，将测得的环路流量送至DCS系统进行开方和加法运算，将处理后的流量值送至调速器。改进后，由于流量测量管线的取消，汽动泵的设计将得到简化，抗震性能将得到提升，经济性得到提升。

2.2 控制逻辑改进

采用数字调速汽动泵后可利用转速来控制给水流量。在DCS的人机界面上设置转速整定值控制器，通过整定值的设定对转速进行控制。设计意图：一是通过流量、扬程均降低，泵及其汽轮机均处于较低负荷状态，利于运行；二是扬程降低后对系统包括调节阀的冲蚀减小；三是操作方便，且与调节阀控制流量的方式互为冗余。通过转速调节系统流量的优化设计一方面有利于泵和出口调节阀运行，同时为系统增加了一则冗余手段，提高了控制性能和可用度[3]。

由于辅助给水系统配置有两台电动泵和两台汽动泵，机组状态上行或下行期间优先使用电动泵来进行蒸发器水位调节，汽动泵的自动启动条件为蒸发器水位低或蒸发器流量低、一回路冷却不足等事故工况，汽动泵运行在高扬程、低流量工况下概率很低。

设计成转速自动调节的控制系统。通过建模的方式建立系统背压、蒸汽入口压力、需求流量与最佳转速的关系，并将其转换为DCS系统中的软件组态，当转速达到触发条件时，控制系统自动改变转速设定值

改变控制系统可调速的特性，首先手动调速使用频率极小，即使是非调速系统亦能完全实现辅助给水系统的正常功能和安全功能；其次手动可调速系统使用方法复杂，设计文件和运行维修手册均未明确界定需要手动改变转速设定值的工况，未明确转速设定值的计算方法；再次手动可调速系统的设计增加了一系列的软硬件设计，增加了故障点，增加了汽动泵的运行维修难度。

2.3 执行机构改进

控制系统的执行机构为气动调节阀，直接安装在汽动泵主汽门下方，其仪控部件紧邻阀体布置，空间狭小。使用传统的机械式定位器和电/气转换器，由于现场工作环境温度高，且汽动泵运行期间管道存在震动，电/气转换器及定位器磨损部件多、稳定性差、故障率高。改进方案为用远程分体式智能定位器替代原电/气转换器和机械式定位器。智能阀门定位器是利用数字平衡(或电平衡)原理来实现阀位控制的，定位器接受来自控制系统的阀位设定信号，通过高精确度的模/数采样转换，得到数字设定值变量；阀位变化经由阀位反馈机构得到阀位电信号，同样进行高精确度的模/数采样转换，得到数字设定值变量和阀位变量，两者经过智能控制软件的SP-PV处理模块处理，得到阀位控制信号，经由IP 控制与驱动去控制IP 模块（电气转换模块）的动作，从而控制气动执行机构气室的进气与排气，使阀位到达设定点。

3 结语

通过对华龙一号辅助给水汽动泵控制系统进行分析，得出可进行可在如下几个环节进行优化和改进：

（1）可利用辅助给水系统自有的流量计实际流量监测的功能，简化汽动泵的仪表及管线设计，减小故障点，提升经济性；

（2）改变控制系统可手动调速的特性，可简化汽动泵的运行操作，减小故障点，提高设备的可靠性；增加对各个影响控制系统的信号监测，有利于故障诊断与分析；

（3）对执行机构进行分体式改进，可有效缓解由于现场工作环境温度高、管道震动以及原使用的机械式阀门定位器和电/气转换器稳定性差导致的阀门故障，提升整个控制系统的可靠性。