巴基斯坦恰希玛C-2主给水调节阀的调试

引言

C-2电站的蒸汽发生器的给水流量由给水调节阀控制, 它将蒸汽发生器二次侧的水位维持在一个参照值内。

根据给水系统控制对象的特性和要求, 主给水系统调节控制系统采用了全程给水调节。在电站功率小于20%额定功率的情况下, 由主给水旁路调节阀根据蒸汽发生器的液位信号为主测量信号, 采用单冲量调节方式控制蒸发器水位;在电站功率大于20%额定功率的情况下, 由主给水旁路调节阀切换至主给水调节阀, 主给水调节阀采用蒸汽发生器的液位信号为主测量信号, 蒸汽流量信号 (加压力补偿) 和给水流量信号为补偿信号的三冲量控制方式。

蒸汽发生器水位调节阀的设计原则是必须保证核电站机组在全功率范围内提供足够的冷却剂, 且阀门调节特性摇号, 精度高以及便于检修等要求, 为保证在全功率运行期间蒸发器水位的稳定, 同时还要避免在小流量调解时采用大流量调节阀控制上的困难。

C-2电站在调试及第一次换料大修之前采用美国SPX公司的调节阀, 该阀门在实际运行过程中虽然控制稳定性好, 控制精度高, 但是当提升电站功率至330MWe之后, 阀门开度到达75%后, 流量曲线出现拐点, 阀门动作无法对蒸发器液位和给水流量形成调节, 从而无法提供更多冷却剂带走反应堆热量影响功率提升。

为了解决上述问题, 上海自动化仪表七厂根据设计方案, 开发了主给水调节阀。

1 国产主给水调节阀的结构和控制原理

1.1 阀门的结构特点

C-2主给水调节阀是由气动薄膜多弹簧执行机构和套筒阀两部分组成。该阀的气动薄膜多弹簧执行机构是一种常用的气动执行机构, 其特点是体积小, 重量轻。

C-2主给水调节阀采用的套筒阀是在单座阀体内插入一个圆筒形套筒, 并以套筒为向导, 装配了一个在其内上下滑动的阀芯, 套筒壁上开有特定流量特性的窗口, 通过阀芯作上下运动来改变套筒窗口的流通面积, 从而实现调节流量的目的。

阀门的机构特点:

i.额定流量系数高于其他直行程调节阀

ii.阀芯采用平衡型结构, 允许使用压差大

iii.阀芯在套筒内运动, 导向面积大, 抗振性和耐磨性好

iv.在结构上将节流面和密封面分开, 减少介质对密封面的冲蚀, 从而提高了使用寿命

v.适应性强, 仅需更换套筒就能满足不同流量不同流量系数和不同流量特性要求。

vi.泄露等级高

vii.结构简单、易于拆卸、检查和维护

1.2 阀门的控制原理

主给水调节阀的执行机构由气压腔和弹簧组成, 4-20m A控制信号经过进入阀门的定位器, 阀门定位器输出气压控制信号, 控制过气动放大器的空气流通量。控制压力为0.8-2kgf/cm2, 对应的的阀门开度为1-100%。在紧急情况下, 主给水隔离信号是电磁阀失电后排出气压腔压力, 在弹簧的作用下将阀门在5秒内关闭。

2 常见阀门阀位波动波动原因

调节阀波动, 指在远程给定信号不变的情况下, 调节阀的阀位在一定范围内变化的异常现象。调节阀波动不但会造成过程波动, 调节阀本身也会出现阀杆磨损、填料泄漏等危害。

2.1 对象的纯滞后 (时滞) 过大

纯滞后在过程控制中普遍存在, 小的时滞对系统影响不大, 当过程的纯滞后时间与对象的时间常数之比大于0.13时, 称为大时滞过程。对大时滞过程, 常规的控制算法很难达到满意的控制效果, 时滞现象会导致阀门的响应速度过慢, 控制不能及时达到系统要求, 从而导致系统重复发出指令, 导致指令值大于需求值, 从而造成阀门动作超调, 引起系统的反复调整, 造成系统的波动。

2.2 摩擦力过大

克服摩擦力是阀门定位器的主要功能之一。调节阀的摩擦力主要来自两个部件:填料和套筒阀的密封环。如果阀杆不光滑或填料压得太紧, 就会使阀杆和填料之间的摩擦力过大。在高温场合, 通常用石墨环与套筒的过盈配合使调节阀达到设计的密封要求, 如果过盈量太大或套筒的椭圆度太大, 就会使阀芯和套筒的摩擦力太大。由于静摩擦力远大于动摩擦力, 远程给定大幅度动作时表现为阀门跳动, 也称爬行。波动的机理如下:当远程信号在突然变化时 (即阶跃信号) , 由于摩擦力大使负偏差太大, 定位器的积分作用使输出不断增大, 当增大到足够克服静摩擦力时阀门动作, 由于静摩擦力大于动摩擦力, 阀门超调, 负偏差变为正偏差, 反复超调, 系统很难稳定下来。针对摩擦力的问题, 一些定位器厂商设计出了高摩擦力算法, 这种算法大大减小调节阀波动现象的发生。

2.3 对象的上行程和下行程特性不对称

上行程和下行程不对称是调节阀对象中非常普遍的现象, 广泛应用的气动薄膜执行机构的一侧为弹簧驱动, 另一侧为气压驱动, 这会造成上下行程不对称。正常情况下, 这种不对称是轻微的, 不会造成波动现象, 当出现膜片泄漏等异常时, 这种不对称加剧, 造成阀位的波动。一些定位器厂商针对这种特性, 设计出了上下不对称的PID算法, 这种算法中上下行程的增益、积分时间、微分可以分别调节。比较严重的不对称主要是由于一些气动元件的进气和排气速度不一样造成的。

2.4 气源故障

当气源连接部分发生泄漏、气源压力太小、气源压力不稳定、气动控制系统中的过滤器发生堵塞等问题时, 会造成控制气源或者驱动气源压力不稳定, 当控制气源不稳定时, 由于控制信号是通过气压来传送的, 会导致阀门收到错误的控制信号, 从而引起阀位与系统输出信号不匹配, 导致阀位波动;当驱动气源不稳定时, 由于驱动气压不能与弹簧压力保持平衡, 导致阀位变动, 与系统要求阀位不一致, 从而导致阀位波动。

2.5 阀芯松动

在阀杆不动的情况下, 由于阀芯松动, 在流体高速通过时引起阀芯小幅抖动, 从而影响流体的流通面积, 并且对阀前压力造成影响, 造成调节阀调节对象的波动。

2.6 调节系统输出信号不稳定

调节系统输出的电流信号不稳定, 导致PID回拨产生波动。可以通过在控制线路中串联指针型万用表来排除这一可能性。

3 阀门故障现象分析及相应解决措施

3.1 采用全数字阀位控制器阶段故障

C-2主给水调节阀安装伊始, 采用的是西门子智能型阀门定位器, 该阀门定位器与之前美国阀门采用的模拟阀门定位器相比, 有如下优点:

安装简单, 自动初始化 (自动调整行程)

操作简便

稳态操作时耗气量可以忽略

2014年4月26日, 现场进行《主给水旁路阀手动切换至主给水调节阀的试验》, 在试验过程中发现, 在切换过程中, 随着旁路阀的关闭, 主调阀的开启, 主给水流量会出一个1~2秒时间内约100T/h左右向上的流量波动, 同时阀门前压力向下波动。当切换完成后, 阀位控制信号没有变化, 但是流量会有间断性的波动。继续进行《主给水调节阀手动切换至旁路阀的试验》, 这个试验是在不断的关小主调阀, 开大旁路阀, 开始的判断以为在关阀过程中应不会有向上波动的出现, 但实际还是开旁路阀流量正常反应, 关主调阀则流量下降过程中仍伴随有流量向上的波动, 幅度与开阀过程类似。全过程如图:

值得注意的是,

(1) 、旁路阀控制和开关动作不会导致流量峰的出现, 故排除了系统波动的原因, 波动是由于阀门造成的;

(2) 、开启主调阀过程中, 主阀表现不灵敏, 最初的一二次点击开动作可能没反应, 然后再点击时有反应就会有流量波峰的出现;

(3) 、切换完成后, 用主调阀手动控制液位, 在主控手操器不动的情况仍会流量波峰的出现。

基于以上现象, 现场初步判断阀门有问题, 将阀门隔离, 进行了全面的检查, 在检查过程中发现阀门压空回路漏点较多, 且阀门定位器与阀杆连接处松动, 对这两个问题进行了处理。随后进行了试验, 此次试验结果与之前相比有所改善, 但仍不能完全消除缺陷, 随后再次将阀门隔离进行就地加信号进行观察, 发现在就地信号不变的情况下, 阀门的阀位会有波动。经过分析, 发现该阀门所配的智能型阀门定位器在输出控制信号后, 控制回路中的气体就变成“死气”, 即控制回路中不会再有新气体持续补充保持压力恒定, 而是靠管路中气体的固有压力保证控制信号, 当控制管路中稍有泄露, 则会造成阀门阀位的波动。

基于上述分析, 由于控制管路的微弱泄露是不可避免的, 于是决定更换原来阀门的美国模拟阀门定位器。

3.2 采用全模拟阀门定位器阶段故障

更换了模拟阀门定位器后进行试验, 在试验过程中发现阀门在阀位指令不变的情况下流量波动现象已经消除, 但是超调现象只有改善, 没有消除, 但是新增加了反应延迟现象, 在阀门动作指令发出后30至40秒之后流量才有相应, 具体情况见下图:

分析上述现象, 认为超调现象主要是气压腔的充气速度过快, 导致阀门动作速度比阀门定位器的响应速度快导致的, 而延迟现象则是由于气压腔充气速度过慢造成的。针对上述的分析, 决定调整气动放大器的旁通系统调节螺丝, 用来改变气压腔的充气速度, 以期达到减小超调幅度和保证相应速度的目的。

气动放大器的原理:

气动放大器与气动薄膜式和气动活塞式执行机构配套使用, 用以提高执行机构的动作速度。当仪表远距离传送压力信号或执行机构气室的容量很大时, 由于将产生较明显的传递时间滞后, 因此使用气动放大器显著提高执行机构的响应速度。

完整的旁通限制调节是系统保持稳定所必需的.这个调节对死区没有影响, 但提高了对定位器微小输入信号变化的响应速度。而且对大和快的输入信号变化, 也可让继动器为加快流量, 而传达大容量输出。

经过反复调整气动放大器的旁路螺钉和试验, 都无法达到满意的效果, 经过与厂家沟通, 认为模拟阀门定位器有其缺点:阀门定位器内部全部都是机械结构, 机械结构传递信号需要时间, 这本身就决定了模拟型阀门定位器的响应速度相对要慢。于是决定将阀门定位器更换为ABB的半智能半模拟阀门定位器。因为该种定位器既不会对控制管路漏气灵敏, 又克服了模拟阀门定位器信号传递慢的缺点。

3.3 采用ABB半模拟半自动阀门定位器

将阀门定位器更换成ABB的半模拟半智能阀门定位器后进行就地单体试验, 发现没有超调现象且快到目标时自动降低速度, 并缓慢靠近目标, 同时也没有滞后现象, 阀门状态达到目前最好状态。

完成隔离状态下的试验后, 解除隔离, 进行手动切换试验, 试验过程中发现A阀和B阀都在20.4%阀位左右有震荡现象, 有时阀位指令不变的情况下, 流量有尖峰, 有时在关阀之后, 阀门有超调然后回调的现象, 实验效果不理想。

对B阀的阀门放大器进行的旁路螺钉进行重新调整, 向开的方向旋转, 然后进行阀门自整定, 整定后再将气动放大器的旁路螺钉向开的方向选装半圈, 后进行手动切换试验, 试验效果很好, 手动开阀相应时间2秒左右, 无超调, 关阀响应时间2秒左右, 偶尔有一次超调, 达到目前最好效果。

未达到更好的效果, 后对主给水调节阀的阀位进行了再一次的调试和检查, 处理了阀位指示与阀体的摩擦问题, 并在就地调整了阀位定位器自带的PI参数, 最终使阀门到达满意效果。

至此, 通过升功率试验, 阀门波动现象已经基本消除, PAEC业主认可调试效果, 因电站急于提升功率而结束维修工作。此后, 电站功率连续升至335MWe, 并最终稳定在330MWe, 运行, 在此过程中调节阀响应正常, 满足技术要求。

4 阀门调试经验反馈

4.1 对于设计的建议

A.在主给水调节阀的调试过程中, 仔细研究阀门的设备规格书, 发现设计院对于阀门控制精度的要求为2.5%, 但是在实际操作过程中, 手动操作下, 操作员每触动一次开关, 给出的阀位指令为0.128m A, 也就是阀门行程的0.8%, 这样的设计目标不能满足实际工况需要。因此当手动给指令让阀门动作时, 阀门在2.5%的范围内波动是满足设计要求的, 但是对流量造成了很大影响。

B.当电站功率运行在335MWe的时候, 阀门的开度仅为65%, 这就表示阀门的可利用行程较小, 同时造成了当主控室手动操作阀门时, 每一次发出0.8%的开关指令后, 流量变化较大, 这也会造成由于阀门相应的输出大于系统的预期而造成阀门的反复超调。据此, 建议将阀门的流通通道变窄变长, 这样当电厂运行在满功率时, 阀门的开度到达70%左右, 这样, 每一次阀门动作的流量变化值更小, 流量控制更精确。

C.建议在电站计算机系统中增加阀位反馈信号, 以利于快速判断阀门的实际状态并针对问题进行分析。

4.2 对于阀门生产制造的建议

A.对于气动执行机构的选型, 应该在与阀门连体并且模拟工况试验满足要求的情况下进行, 因为流体对阀芯有作用力, 这个作用力根据阀门开关动作的不同以及工况的不同都会有一定的影响, 在现场调试的过程中发现, 在隔离状态下表现良好的阀门在实际工况下就会出现超调和滞后的现象, 这与气动执行机构的稳定性有关。

5 结语

通过多种手段的维修和处理, 在现场备件不足, 调试时间紧迫, 人员有限的情况下, C-2主给水调节阀的更换和调试工作, 在提升功率的过程中, 20%功率、35%功率、55%功率和75%功率条件下的试验全都满足了设计要求, 阀门的性能得到了验证, 其能够满足设计准则和运行系统需求, 达到了改造的目的, 完全可以保证机组的稳定、长期、安全运行。

希望调试过程中发现的众多问题和经验, 能够为C-3/C-4设备选型和现场调试提供良好的基础, 从而保证C-3/C-4项目主给水调节阀的安装调试工作顺利进行。

摘要：介绍了巴基斯坦恰希玛C-2项目提升发电功率由325MWe到340MWe过程中更换了主给水调节阀, 2013年4月开始对主给水调节阀进行调试, 在调试的过程中, 阀门在手动操作状态下出现超调和滞后现象, 低功率工况下, 流量波动为30T/H, 无法投入运行。针对上述问题, 现场组织安装单位, PAEC业主和秦山调试队进行了技术攻关, 先后研究了大量历史数据和技术资料, 对KMM控制系统和调节阀技术资料进行了研究, 先后采取了更换了阀门气动放大器, 对阀门管线密封性检查, 反馈杆松动检查, 更换阀门定位器, 调整阀门气动放大器 (继动器) , 调节阀门定位器PID参数, 消除阀门阀杆的摩擦力等方式进行了调试, 最终消除了缺陷。本文主要针对主给水调节阀在调试过程中发生的故障现象、采取的措施及效果进行了分析。

关键词：气动调节阀,阀门定位器,继动器,摩擦力,PID参数