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某核電汽機二級再熱壓力調節閥控制原理淺析

來源:上海自動化儀表有限公司作者:發表時間:2020-03-31 15:52:21

 摘 要 :汽機 GSS 系統為進入汽輪機做功的蒸汽進行再熱和除濕,減少濕蒸汽對汽缸通流部件的水蝕危害,可以提高機組經濟性。二級再熱壓力調節閥控制決定 GSS 系統的正常運行功能,對汽輪機運行間接產生重要影響。為后續機組控制、運行及維修活動提供一定的理論基礎和技術支持,詳細說明了汽輪機 GSS(汽水分離再熱系統)二級再熱壓力調節閥(GSS001VV/002VV)在機組各工況下的運行控制原理、就地設備控制原理,并以某核電機組為例,對其進行解析。

 
引言
汽水分離再熱系統主要功能是將高壓缸排汽送入 MSR進行汽水分離和再熱[1] ,從而保證中壓缸和低壓缸進汽帶有一定的過熱度,使得經過低壓缸末級葉片的排汽濕度控制在 10%左右,減少濕蒸汽對汽缸通流部件的水蝕危害,可以提高機組經濟性。而二級再熱壓力控制閥通過控制新蒸汽的流量對蒸汽進行再熱和除濕,對整個系統及汽輪機運行發揮重大作用。
二級再熱壓力調節閥流程圖
1 汽機二級再熱壓力調節閥簡介
汽輪機汽水分離再熱系統二級再熱壓力調節閥,由 1個主調閥(GSS001VV)和 1 個輔助調節閥又稱啟動調節閥(GSS002VV)組成。二級再熱汽源采用新蒸汽,來自主蒸汽母管,蒸汽流量由 1 個主運行調節閥和 1 個啟動調節閥控制閥控制,主運行調節閥用于負載運行時向第二級再熱器提供新蒸汽。啟動調節閥用于:在啟動和低負荷運行期間,對進入第二級再熱器的新蒸汽流量進行控制;在核島運行期間向新蒸汽供汽站提供蒸汽并用蒸汽對管道系統進行預熱,以防止冷態啟動時的熱沖擊。
 
2 汽機二級再熱壓力調節閥控制原理解析
2.1 二級再熱壓力控制調節閥投入時的控制原理
2.1.1 汽水分離再熱器暖管時
在汽水分離再熱系統投運初期,首先需對加熱器管板進行預熱暖管,暖管所需的蒸汽量較小,暖管時間大概為半小時。此時對二級再熱調節閥控制比較簡單,當暖管命令發送時,對調節閥的控制壓力值會自動切到定值500KPa,其中二級再熱壓力調節閥 GSS002VV 便會開啟一定開度。因二級再熱壓力調節閥其中啟動調節閥 GSS002VV優先于主調節閥 GSS001VV 動作,故在暖管期間控制目標較小,啟動調節閥本身調節即可滿足 500 KPa 壓力值,而主調閥 GSS001VV 此時處于關閉狀態。
 
2.1.2 機組電功率較低時
二級再熱管板溫度在低于 120℃時,機組可以冷態啟動;管板溫度高于 140℃,機組熱態啟動。機組啟動后二級管板溫度最高可升至 280℃,通過函數 f1(x) 轉換后,輸出壓力設定值最高為 6.5MPa,而 6.5MPa 通過功率轉換函數 f2(x) 可得為 730MW,即機組電功率在 730MW 之前,若函數壓力值 f1(x)>f2(x),如圖 2 所示。此時 MAX 比較器選擇 f1(x) 一路進行控制,即二級再熱器管板溫度測量值(記憶值)經過函數發生器 f1(x) 計算出的壓力和二級再熱器壓力實測值的偏差經 PID 函數模塊運算后輸出GSS001VV/002VV 的開度。
二級再熱壓力調節閥邏輯控制圖
2.1.3 機組電功率較高時
當機組電功率繼續上升超過 730MW 時,因為二級管板溫度此時已不會增加,故 f2(x) 函數設定輸出值便會大于 6.5MPa,即 f2(x)>f1(x),此時 MAX 比較器選擇 f2(x) 一路進行控制,即由汽機負荷(電功率)GRE012MY 經 f2(x)計算出的壓力設定值和二級再熱壓力實測值的偏差調整GSS001VV/002VV 的開度。但是不排除在 730MW 之前也會出現 f2(x)>f1(x) 的情況,應根據具體情況而定,此處只討論一般情況。
 
此外,有一異常工況:當 f2(x) 輸出值或 f1(x) 輸出值一直保持某一狀態不變 1 小時后,f1(x) 一路設定值會被切換為 1MPa,原因為機組在剛開始啟動時,處于暖管和低功率狀態,二級管板溫度轉換的壓力值與功率轉換的壓力值是交替上升的,若長時間處于某一路控制,例如長時間處于二級管板溫度轉換一路控制時,則代表二級管板溫度或功率一直未上升,代表機組狀態異常,故超過 1 小時后將壓力切至 1MPa 使閥門動作,提升機組狀態。此時 f2(x) 輸出值與 1MPa 取較大值,與二級再熱壓力實測值的偏差決定GSS001VV/002VV 的開度。
 
2.2 一級再熱器隔離后的控制原理
當一級再熱器隔離后,機組正常運行期間,若一級再熱被切除后,按照機理不會影響機組正常運行,但考慮到機組安全穩定性,若一級再熱被隔離,勢必會對蒸汽參數造成一定影響,故安全考慮需降低一定功率。在一級再熱切除時,函數 f4(x) 計算方式較為適用此工況,f4(x) 計算方式簡單,換算方式得出的壓力值不會因小幅度功率變動而造成波動,特別適用于機組滿功率時切除一級再熱工況,所以此時控制由電功率測量值 GRE012MY 經函數 f4(x) 產生的定值和 0.5MPa 取高形成壓力設定值,壓力設定值與二級再熱壓力實測值的偏差決定 GSS001VV/002VV 的開度。
 
2.3 二級再熱器單獨切除后,重新投運的控制原理
二級再熱器切除后(此處的切除是通過 KG 塊將其正常切除,此時一級再熱依然正常運行)。當二級再熱再次投入時,此時一級再熱器的壓力加上 0.1MPa 作為二級再熱器壓力調節閥的壓力設定值,壓力設定值與二級再熱壓力實測值的偏差決定 GSS001VV/002VV 的開度。因在二級再熱重新投運初期,二級再熱壓力較低,在剛開始時壓力調節閥的控制由一級再熱壓力提供設定值,又因正常工況下二級再熱壓力比一級再熱壓力應高出 0.1MPa,故取一級壓力加上 0.1MPa 作為最終壓力設定值,特別注意的是當二級再熱器壓力與一級再熱器壓力之差大于 0.1MPa 時產生一個復位信號,壓力設定值重新由二級管板溫度或者電功率生成。當二級壓力大于一級 0.1 MPa 時,說明二級已重新投運成功,機組進行正??刂茽顟B,故壓力控制設定值重新由二級管板溫度或者電功率生成。
 
在以上的 3 種工況中(暖管除外),函數 F3(x) 通過積分器限制了二級再熱器壓力設定值的變化速率,使得二級再熱器壓力設定值在二級管板溫度及電功率變化時,不會發生階躍變化,從而避免了 GSS001VV/002VV 開度的跳變。
 
2.4 隔離閥GSS111/211VV關閉時的控制原理
當 GSS111/211VV 關閉以后,濾波器內置的選擇開關動作,由二級再熱器的絕對壓力 GSS004MY 作為壓力設定值,從而使 PID 控制器的輸入信號為 0,其目的是保證 GSS001/002VV 的閥門開度維持在現有開度不變,即GSS111/211VV 的狀態改變不會使 GSS001/002VV 的狀態發生變化。當 GSS111/211VV 關閉以后,二級再熱管板被暫時隔離,但從機組整體控制上二級再熱系統未完全隔離,只有通過 GSS801KG 或停機正常將二級再熱隔離后,GSS001/002VV 才會正常響應關閉,故邏輯控制設計在GSS111/211VV 關閉時,使 GSS001/002VV 閥門開度保持先前狀態,再具體做下一步的響應。
 
2.5 二級再熱器隔離后的控制原理
當二級再熱器隔離,即 GSS801KG 置于 OFF 位時,GSS001/002VV 會觸發保護關閉信號,控制邏輯如圖 3 所示。
GSS002VV控制邏輯圖
而正常工況下暖管命令控制器 GSS901KG 不會置于 ON 位,則當二級隔離命令到達時,壓力控制器中的第 2 個濾波器模塊中的選擇開關會動作,開關選擇將置于二級調閥控制命令為 -5%(-5% 命令由上游控制塊在二級再熱隔離時給出)。此項為雙重保障,即使保護關命令失效,該路控制也可保障二級再熱調節閥(GSS001/002VV)處于關閉狀態,避免閥門誤動作。
二級再熱壓力調節閥控制器
2.6 汽機停運后的控制原理
當汽機跳閘后,與二級再熱器隔離控制原理相似,會直接使 GSS001/002VV 觸發保護關閉信號。而后第 2 個過濾器模塊的選擇開關動作選擇二級調閥輸入控制命令為 -5%,使 GSS001/002VV 的開度一直維持在關閉狀態。
 
2.7 二級再熱手動控制時的控制原理
當二級再熱控制置于手動時,且 GSS901KG 置于 OFF位時,第 2 個過濾器模塊的選擇開關動作,此時選擇的控制輸出命令為閥門當前開度值,使閥門跟蹤現有閥門的開度,保持閥門開度不變。
 
3 汽機二級再熱壓力調節閥現場設備控制原理解析
汽機二級再熱壓力調節閥 GSS001VV/002VV 為氣動調節閥,該控制閥閥位由閥位變送器 GSS001MM 測量并配有限位開關。該氣動調節閥是以壓縮氣體為動力源,以氣缸為執行器,并借助閥門定位器、電氣轉換器、電磁閥、保位閥、儲氣罐、氣體過濾器等附件去驅動閥門,實現開關量或比例式調節,接收 DCS 控制信號來完成調節管介質——蒸汽流量。
 
定位器接受來自上游的 DCS 控制命令,定位器控制回路組成及工作原理如圖 5 所示。
1)輸入信號同時提供電源與設定點,它經雙絞導線發送到接線盒。
2)輸入信號然后輸入印刷電路板組件,在此處微處理器運行數字控制算法,產生 1 個給 I/P 轉換器的驅動信號。
3)I/P 轉換器組件與氣源相連,并將驅動信號轉換成壓力輸出信號。
4)I/P 的輸出被送到氣動放大器組件。該組件也同樣與氣源相連,將從 I/P 轉換器來的小氣動信號放大成為單作用執行機構所用的單個較大的氣動輸出信號。在雙作用執行機構應用中,放大器接收來自 I/P 轉換器的氣動信號,并提供兩個氣動輸出信號。
5)送給執行機構的放大器輸出壓力的變化引起閥位移動。
6)儀表的行程傳感器經反饋連桿機構檢測閥位。行程傳感器(或電位計)電氣上與印刷電路板連接,以提供用于控制算法的行程反饋信號。
7)閥門繼續移動直至達到正確位置為止。
因二級再熱壓力調節閥的特殊性及重要性,該兩閥均設置了一個單獨的儲氣罐氣源和具備特殊作用的多路轉換器線路(377 線路),如此設計的功能可保證在外部動力氣源突然丟失的情況下,通過現場設備組合動作響應即可將二級再熱壓力調節閥(GSS001/002VV)處于保護關閉狀態,從而將機組置于更安全狀態。
 
4 結論
汽輪機二級再熱壓力控制閥控制邏輯較為復雜,對其運行方式依次解析有助于電廠操作人員對系統進行充分了解,便于控制與出現異常狀態時做出正確響應;因二級再熱系統對機組正常運行影響較大,故有效安全地控制二級再熱壓力調節閥意義重大。
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