核電站汽輪機調節系統反應堆壓力控制模式

　　核電站反應堆產生的熱能，經反應堆冷卻劑在蒸汽發生器內把熱量傳遞給二回路水，所產生的飽和蒸汽供給汽輪機做功。在核島一側，為適應電網負荷變化要求，反應堆功率變化的速率必須滿足跟蹤電網負荷變化的要求;在常規島一側，汽輪機調節系統根據電網功率需求自動調節蒸汽進汽閥開度，以調節輸出功率。
　　
　　一、反應堆控制G模式
　　
　　反應堆控制的基本目的是使一回路產生的熱功率與二回路所吸收的熱功率相等，這就要求反應堆功率
　　
　　的變化必須跟蹤電網負荷變化，但同時應避免跟蹤網負荷變化時控制棒的移動過于頻繁而造成堆芯功率分布不均。
　　
　　為了滿足上述要求，反應堆控制系統采用G模式，其特點是:反應堆堆芯控制棒設有溫度調節棒組（R棒組）和功率補償棒組（G棒組），通過調節R棒組、G棒組插入深度和硼濃度來協調控制反應堆的鏈式反應速度，實現反應堆快速跟蹤負荷變化的功能。
　　
　　反應堆功率控制接受來自汽輪機調節系統的信號，這些信號是控制反應堆G模式運行的，稱G模式接口信號，包括4個邏輯信號和8個模擬信號（圖1）。　　
　　二、汽輪機調節系統
　　
　　汽輪機調節系統通過調節汽輪機進汽閥對汽輪機實施功率控制、頻率控制和壓力控制，并對機組的負荷和轉速實施超速限制、超加速限制、負荷速降限制和蒸汽流量限制，使機組經濟安全地運行于各種工況。
　　
　　汽輪機調節系統的控制設備由微處理器構成，按其功能分為兩層：基層調節器（下位機）和上層控制器（上位級）。下位機包括下位機鍵盤和閥門模塊，在上位機失效情況下，基層調節器仍能對汽輪機實施增/減負荷和增/減轉速的控制。上位機包括上位機鍵盤、單元處理機和外圍設備，實現應力控制、壓力控制、自動負荷控制等功能。
　　
　　三、控制原理
　　
　　3.1壓力控制原理
　　
　　汽輪機進汽壓力控制實質上是限制高壓缸進口蒸汽壓力zui大值或限制進口壓力的上升速率。給定機組出力限值，當機組出力大于限值時，進汽壓力控制自動投入;反之，則退出。
　　
　　核電站汽輪機進汽壓力控制的作用是:當反應堆功率即將達到滿負荷時，先穩定汽輪機進汽壓力，操縱員確認后，進汽壓力再以較低的上升速率上升，以防止反應堆超調，稱為壓力控制反應堆模式[1]。
　　
　　參與壓力控制的G模式接口信號有"進汽壓力整定值"和"進汽壓力測量值"。
　　
　　3.2壓力控制反應堆模式
　　
　　反應堆壓力控制模式在反應堆功率信號滿足條件時自動投入。核儀表系統在4個功率分區的功率測量值P＞96%Pn時，采用4取2邏輯原則，向汽輪機調節系統發出l個P＞96%Pn的l0s脈沖信號，汽輪機調節系統進入反應堆壓力控制模式。　　
　　反應堆壓力控制原理如圖2所示，96%Pn信號置開關K3向右，置開關K2、K4閉合，并將與開關K4聯動的開關K5置向下。"比較及存儲"模塊記憶并輸出當時實測進汽壓力px，px經開關K3至加法器。開關K1是在上位機鍵盤上的"壓力釋放"鍵，操縱員沒有干預時，K1是斷開的，加法器的輸出為px。低選門在操縱員設置的進汽壓力限值Pr2與大值中選出1個低值。比例積分環節維持汽輪機進汽壓力不變，汽輪機功率及反應堆功率也維持不變。蒸汽壓力限值通過上位機設置，一般定在-50%到105%之間。壓力限值pmax（一般設置為105%SD）與px的差值經開關K4至開關K1。
　　
　　待核功率穩定后，操縱員確認可以繼續升負荷時按下"壓力釋放"鍵，使開關K1閉合，"速率限值比較器"的輸出以操縱員設置的升壓速率向（pmax—px）過渡，通過開關K2到加法器。加法器輸出pr1在px基礎上逐漸增加，調節汽輪機進汽壓力以zui大值為0.003pmax/min的速率緩慢上升。
　　
　　反應堆壓力控制模式實現核功率低于96%Pn時，反應堆快速跟蹤負荷變化，當反應堆核功率超過96%Pn以后，升負荷時先維持汽輪機進汽壓力不變，再以緩慢速率上升。防止反應堆在接近滿負荷時產生超調。
　　
　　在比例積分環節內，實際進汽壓力與進汽壓力整定值pr比較，當進汽壓力p低于壓力限制值pr時，比例輸出Gp為105%SD，積分輸出為零，調節器輸出為105%SD，加載到閥門模塊時，不起限制作用。當進汽壓力p高于整定值pr時，比例輸出Gp小于105%SD，積分輸出隨時間逐漸增加，調節器輸出GL隨時間逐漸降低。下位機的每個閥門模塊持續計算汽輪機運行的蒸汽參數，當進汽壓力p降低到閥門模塊的蒸汽需求量計算值時，壓力控制入列，GL調節（降低）汽輪機進汽壓力。當進汽壓力p再次降低到pr后，積分器清零，調節器輸出105%SD，退出壓力控制。
　　
　　在實際運行過程中，發現當p接近pr時易引起壓力波動。分析其原因在于比例積分環節沒有加入死區。為此微機調節器軟件設置了死區△（見圖2），當進汽壓力降低到p-△時再將積分器清零，可以消除p接近pr時的壓力波動。
　　
　　3.3運行
　　
　　反應堆壓力模式是在反應堆功率邏輯信號控制下自啟動的，這個功率邏輯信號是壓力控制反應堆模式能否正常運行的關鍵。在現場試驗過程中就曾出現過功率信號引發的反應堆壓力模式異常的情況。試驗要求機組從滿負荷998MW下降到5OOMW（期間G棒自動，R棒手動），再重新升負荷到998MW。在試驗過程中，負荷下降到930MW時，G棒停留約1.5min,未跟蹤功率。沒有發現其它異常后繼續降負荷到500MW，汽輪機調節系統上位機人機界面沒有任何信息顯示。再以50MW/min速率升至滿負荷過程中，上位機2次顯示進入反應堆壓力模式。　　
　　圖3為96%Pn信號動作/復位邏輯。首先分析核儀表系統送給汽輪機調節系統的反應堆功率（96%Pn）信號。核儀表系統在反應堆的4個功率區分別設置4個功率探頭，功率信號經閥值繼電器輸出開關量信號，核功率P＞96%Pn的信號通過4取2邏輯輸出，向汽輪機調節系統送出1個l0s觸發信號。復位條件是核功率低于96%Pn，經4取3邏輯輸出信號送汽輪機調節系統。正反邏輯通道是相同的繼電器及節點。
　　
　　核儀表系統4個功率區的功率信號輸出時，存在繼電器回差值差異的問題，曾對這4個繼電器的回差值進行測量發現，其中1個繼電器回差值較高，約為93mV，另外3個回差值約為3OmV，回差分布不均。這樣可能會出現下述問題:當汽輪機負荷下降到930MW時，對應核功率約為96%Pn，回差小的3個繼電器滿足復位條件，汽輪機調節系統自動退出壓力控制反應堆模式。核儀表系統功率測量設計精度為0.5%～0.8%，核功率在96%Pn上下時，會出現功率測量波動。如果這種波動恰巧造成一功率測量值為96%Pn，符合閾值繼電器“4取2動作"邏輯，壓力控制自動進入反應堆模式。"比較及存儲"模塊記憶并輸出當時汽輪機進汽壓力px，px經K3送加法器。pmax-px的差值經開關k4至開關K1。然而，由于上位機沒有顯示，操縱員沒有按下"壓力釋放"鍵，K1是斷開的，加法器的輸出為px。低選門在操縱員設置的進汽壓力限值與px值中選出1個低值。比例積分調節器維持汽輪機進汽壓力不變，反應堆功率也維持不變，造成G棒短時停留。
　　
　　由于沒有按下"壓力釋放"鍵，"比較及存儲"模塊記憶數據是在負荷下降到930MW時的進汽壓力px。當負荷重新上升到930MW時，在比較器內，比較實測進汽壓力p與參考壓力pr，進汽壓力p高于參考壓力pr（記憶壓力px），調節器輸出GL隨時間逐漸降低，壓力控制反應堆模式入列。這就是在上位機上*次出現的壓力控制反應堆模式。
　　
　　機組升負荷，核功率繼續上升到96%Pn時，核儀表系統向汽輪機調節系統發出真實的96%Pn信號，汽輪機調節系統正常進入壓力控制反應堆模式。這是上位機出現的*次壓力控制反應堆模式。
　　
　　四、關于繼電器的探討
　　
　　繼電器的特性（圖4）是當輸入激勵量達到規定要求時，在電氣輸出電路中，被控參量發生預定階躍變化。電磁繼電器是傳統的邏輯元件，它的驅動能力輯強，輸出狀態表現為電阻為零或無窮大，廣泛地應用于自動控制系統。電磁繼電器動作的直觀性，更容易取得人們的信任。因此，在控制回路中的一些重要環節，一般偏向于采用電磁繼電器。
　　對繼電器的主要技術參數[2]"返回系數"是這樣定義的:返回系數是返回電壓（電流）與動作電壓（電流）之比。不同用途的繼電器要求有不同的返回系數。控制用繼電器，其返回系數一般要求在0.4以下，以避免電源電壓短時間的降低而自行釋放。保護用繼電器要求有較高的返回系數（0.85以上），使繼電器能反映較小輸入量的波動范圍。繼電器電特性受外界因素的影響，同一繼電器在不同條件下或其它同類繼電器之間，電特性均有差異，這是造成上述功率測量回路異常的主要原因。電磁繼電器與電子回路結合可以改善工作特性，如使用觸發電路與電磁繼電器組成的電子繼電器，其動作值和返回系數可十分穩定且可控。
　　
　　電磁繼電器是電氣機械式元件，其動作帶有固有的延時（一般0,005S～0.05S）。因此，對于快速邏輯運算，電子邏輯元件或計算機軟件構成的邏輯回路更能適應要求。其次，電磁繼電器的壽命是以動作次數來衡量的，一般為105～107次，這樣，對動作較頻繁的場合采用軟件構成的電子邏輯回路比較合理。從發展的角度來看，電磁繼電器更適用于作為接口元件，而電子邏輯元件和計算機軟件更適用于控制系統的邏輯運算。
　　
　　采用計算機軟件控制可以取代核儀表系統功率測量邏輯回路中的繼電器，在軟件編程時，可以準確設置核儀表系統96%Pn信號觸發控制模式動作/釋放的電壓（電流）值，通過設置死區以避免在96%Pn功率附近出現測量波動，也可編制1組回差一致或回差可調的繼電特性輸出節點等方法解決問題。
　　
　　在火電廠中對于純屬開關邏輯的保護系統，也曾有過不同意見。例如，用于600MW火電機組的汽輪機調速系統，對其跳閘保護回路，雖然從上世紀60年代開始就采用了計算機處理方式，但同時又保留了繼電器邏輯回路（西屋公司機組汽輪機所配的電調DEHMODⅡ系統，ALSTOM公司機組汽輪機的MICRO-REC系統等）。隨著這些年計算機技術和通訊技術的迅猛發展，近十年來制造廠生產的新機組繼電邏輯已改用計算機軟件來實現，如揚州第二發電廠引進的西屋公司機組汽輪機電調DEHMODⅢ系統，邯峰電廠引進的西門子公司機組汽輪機配置的SIMADYN系統等。通過這些機組的安全運行可以證明，計算機軟件處理方式取代硬控制的繼電邏輯控制是可行和可靠的。