关于华龙一号硼酸流量调节阀PID参数的创新和优化

关于华龙一号硼酸流量调节阀 PID参数的创新和优化

盛巍巍 黄宇辉

（中国核电工程有限公司 华东分公司 浙江海盐）

摘要: 华龙一号机组中的反应堆硼和水补给系统为一回路提供硼酸和除盐除氧水，在补给管线上设置有硼酸流量调节阀；下面以华龙一号机组为例来论述硼酸流量调节阀PID参数的创新和优化对系统运行的影响，以及详细介绍其实施方案，为同类型机组的调节阀PID参数提供新的思路和方法

关键字：华龙一号；硼酸流量调节阀；PID参数；创新和优化

Innovation and optimization of PID parameters of Hualong One boric acid flow control valve

Sheng Weiwei Huang Yuhui

(China Nuclear Power Engineering Co.,Ltd., Eastern China branch. Zhejiang，Haiyan)

Abstract: The reactor boron and water supply system of Hualong One unit provides boric acid and demineralized deaerated water as a circuit, and boric acid flow control valve is set on the supply pipeline; The following takes Hualong One unit as an example to discuss the influence of the innovation and optimization of PID parameters of boric acid flow control valve on system operation, and introduce its implementation scheme in detail, which is the same type of unit.

Keywords:Hualong One；Boric acid flow control valve；PID parameters；Innovation and optimization

0.引言

华龙一号中的反应堆硼和水补给系统是重要的一回路辅助系统，主要为一回路提供硼酸和除盐除氧水，旨在控制反应堆反应性的慢变化以及补偿一回路的泄漏或者冷却引起的体积收缩。其中在硼酸子系统中设置对应的硼酸流量调节阀，旨在根据一回路的硼浓度调节不同的硼酸流量和除盐水配制浓度一致的硼酸溶液。。RBM系统有五种不同的正常运行方式，分别是：自动补给、缓慢稀释、快速稀释、硼化和手动补给。其中自动补给、硼化和手动补给三种模式都需要进行硼酸流量控制。如果无法实现硼酸流量的稳定调节，一方面会影响含硼水的硼浓度，导致与所需浓度的含硼水存在一定的浓度差异；另一方面是可能导致硼化或者自动补给模式自动复位跳状态，尤其是自动补给模式下容控箱液位未补给到1.30m之前复位模式，可能将上充泵取水口切换至内置换料水箱，意外造成一回路硼化，因此，实现硼酸流量的稳定调节十分重要

而目前华龙一号机组正在逐步进行设备国产化，而采用国产化的硼酸流量调节阀存在调节性能不佳的情况，影响了调试试验验收以及机组正常功率运行，本文以此为背景将进行论述。

1.硼酸流量调节阀概述

1. 1. 硼酸流量调节阀运行的基本原理

硼 酸流量调节阀为故障安全位置为开启的气开式单座调节阀，流量特性为等百分比，具体结构如图1所示，具备手动开关和根据设定的硼酸流量进行自动匹配调节的功能，一般需要调节的硼酸流量范围为0-15.7m³/h。手动模式下，硼酸流量调节阀只能全关或者全开，流量控制不跟随管线上的硼酸流量计；自动补给，硼化或者手动补给模式下，阀门处于自动调节模式，阀门开度会根据硼酸流量设定值和硼酸流量计显示值相匹配并进行调节，受DCS中设置的阀门PID参数控制。

图1 硼酸流量调节阀结构示意图

1. 2. 国产硼酸流量调节阀存在的问题

海外华龙在执行硼酸流量调节阀相关试验时发现该阀门存在以下问题：

一、阀门在开度为40%时，硼酸流量只有1.22 m³/h，在此开度前，阀门调节非常缓慢；

二、阀门在自动调节模式下，会先100%开启，然后开度迅速减小以来调节至设定的硼酸流量，这样会导致硼酸流量先突增然后降低，但是由于正常运行需要的硼酸流量一般小于2 m³/h，为此硼酸流量会补给得比预期计算的多，这样机组每次启动自动补给得到的硼酸浓度会偏高，逐渐累积下去会为反应堆引入负的反应性，不利于机组正常运行；

三、硼酸流量调节稳定性不佳，体现在受硼酸输送泵的入口压力和容控箱背压影响较大，如泵的入口压力随着硼酸贮存箱的液位下降，而容控箱的液位升高，背压增大，硼化流量又容易出现波动；或者进行自动补给后，硼酸回路受除盐除氧水回路背压影响，很容易出现硼酸流量波动，而除氧除盐水流量相对稳定；

四、由于硼酸流量调节阀的的调节性能较差，故需要通过调节PID参数来进行优化，在这个过程中，仪控人员发现同一组PID参数根本不能适用于5个流量点；如在硼化模式下，硼酸流量调节阀硼酸流量调节阀随机选定五个流量设定值点分别为4m³/h，8m³/h，10m³/h，12m³/h，15.7m³/h进行试验。在试验中，发现同一组PID参数在9m³/h、10m³/h、14m³/h、15.7m³/h能实现稳定的调节，然而在流量设定值为5m³/h时，无法实现稳定调节，甚至出现模式复位的情况，如下图2和图3所示。

图2 硼酸流量调节阀在设定值12 /14/15.7m³的调节状态稳定

图3 硼酸流量调节阀在设定值5m³/h调节时间超出30s跳出硼化模式

2. 问题分析

   1. 硼酸流量调节阀特性分析

如图4所示，硼酸流量调节阀在开度为40%时，硼酸只有1.22m³/h。在流量设定值小于1.22m³/h之前，其阀门开度对流量的影响非常小。查询设备运行与维护手册，硼酸流量调节阀的理论流量特性曲线如图5所示，从理论流量特性曲线可以看出，在30%开度下，其流量变化非常缓慢；从40%到90%开度区间中，其流量特性基本接近一条直线，流量变化速度较快，由此可以看出，硼酸流量调节阀合适的调节区间在40%-90%开度之间。

图4 阀门在开度为40%时的流量

图5 硼酸流量调节阀理论流量特性曲线

1. 2. DCS中PID计算公式分析

K项采用的PID计算公式为不完全微分PID，其计算公式如下：

)

其中，KP是比例系数，TI是积分时间，TD是微分时间，KD是微分增益。快速回路不用微分，大滞后才选择使用，比如温度调节等大滞后的回路。微分作用在实现阀门稳定调节上容易导致震荡，所以在试验中未使用微分作用。在不考虑微分的情况下，其转换成差分方程可以分为两部分，一是比例部分增量;一部分是积分增量;其中是这一时刻测量值与设定值的偏差，是DCS中CPU运算周期。

当阀门流量设定值较大时，由于初始时刻 较大，导致阀门一开始的输出比较快速地进入阀门适合的调节区间，进入该区间后，流量变化速度变快的值也会比较大，比例和积分作用持续发力直至阀门流量稳定；而阀门流量设定值较小时，在同样的PI参数下，由于较小，也一直较小，导致阀门进入合适的调节区间的时间超出30s。如果需要加快进入调节区间的速度，一定要加大比例和积分作用，但是如果加大比例和积分作用，小流量设定值满足要求，但大流量设定值会容易振荡。

3. 方案创新和优化

   1. 设置多组PID参数

根据阀门的实际流量特性和理论流量系数，考虑根据硼酸流量设定值分段设置PID参数，对于不同的流量设定值，其适用的PID参数不一样，通过分析可以根据硼酸流量设定值分段配置PID参数，根据流量分段设置PID实现目标的可能性如下：

一、无论在手动补给、自动补给、还是硼化模式硼酸流量的设定值都会预先设置，不会在调节的过程中再次去修改设定值，这样可以避免两组PID进行切换时可能出现不稳定的现象；

二、分段设置PID参数可以满足不同流量区间的调节需求，实现流量的稳定调节；

三、在DCS中实现分段配置PID参数十分便捷，不需要改动SAMA图设计文件。

此方案存在的问题就是可能需要设置多段参数，而不同流量参数区间边界部分需要特别注意是否能满足要求。另外还需考虑在手自动补给模式下是否仍然能够适用。

1. 2. 增加前反馈环节或者修改PID调节作用的模板

增加前馈作用，使阀门通过前馈作用迅速进入其合适的调节区间，加快阀门流量调节速度。根据现场阀门的实际情况建模后通过MATLAB的simulink进行仿真，如图6所示，可以看出增加前馈作用后，阀门调节速度显著加快，可以很好地解决硼酸流量调节阀在小流量设定值时调节时间超过30s的问题，大流量设定值的调节也可以通过合适的PID参数来实现。但是这种方案存在的问题需要修改设计文件SAMA图，增加前馈作用。

图6 加前反馈与不加前反馈的调节效果对比

针对PID参数进入调节区间慢的问题，可以考虑在PID模板中间增加精细调节区和粗调区的设置。在控制时，增加一个判断：当输入偏差大于设定范围时，处于粗调区，增加比例作用和积分作用的修正参数，以增强积分和比例作用；当输入偏差小于设定范围时，处于精调区，比例作用和积分作用不进行修正。此种方案可以加快阀门进入合适调节区的速度，存在的问题是如果修改模板，需要厂家支持，而且修改模板会导致控制站需要重新下装。

1. 3. 多种方案同时执行和验证

3.3.1 PID输出从0%开始，分段设置PID参数

如果PID输出从0%开始，通过试验数据得知，需要将流量设定值分成四个区间（0-2.199）、(2.199-2.991)、(2.991-4.799)、(4.799-16)分别设置PID参数，使硼化模式下不同的硼化流量能做到非常平稳，如图7所示。

图7 四个流量区间的调节效果

不足之处在于自动补给模式下，硼酸回路受除盐除氧水回路和容控箱背压影响，极易出现硼酸流量波动，如图8所示。而硼酸流量区间分段太多，PID参数分组过多，容易造成区间端点处流量控制的不稳定，此外PID参数抗扰动的能力十分有限，没有普遍适用的能力。

图8 自动补给工况下硼酸流量波动明显

3.3.2 PID输出从75%开始，分段设置PID参数

考虑到硼酸流量调节阀从0%开度调节到流量设定值所需开度耗时较长，所需分段过多，极易导致阀门无法稳定或者调节超时导致模式复位的情况出现。

如果阀门从75%开度往下调节到流量设定值所需开度（为了避免硼酸注入过多，选择对PID输出上限进行限幅75%处理，75%开度能保证在硼化和自动补给模式下，最大流量达15.7m³/h），在大流量设定值时，较小，而由于阀门流量特性在大开度时流量变化快，的值不会很小，应该能够较快完成调节；而在小流量设定值时，较大，也较大，这样调节到流量设定值对应的开度的时间应该也会快很多，调节效果肯定会优于PID输出从0%开始。

经试验，发现仅需要根据流量区间分成两段分别设置PID参数即可以完成硼酸流量的稳定调节，对于中途修改设定值的情形也能完全适应，在自动补给模式下，硼酸的流量也能实现稳定的控制，如图9，图10和图11所示。

图9 硼化模式下全量程可以稳定调节

图10 修改设定值（设定值在不同区间）时的调节效果

图11 自动补给时的调节效果

3.3.3分段设置PID参数和对PID输出进行限幅

通过上述创新和优化，效果已达到试验预期，在全量程范围内实现阀门流量的稳定调节。但在机组满功率状态下第一循环寿期初硼浓度大约为667pm，在自动补给模式下，硼浓度的设定值基本不到2m³/h。因PID输出上限是75%，无论流量设定值是多小，阀门都是从75%开度往下调节，导致阀门在小流量设定值时，多注入较多的硼酸，可能会对一回路的硼酸浓度产生一定的影响，会逐渐造成控制棒R棒的不必要动作。

经过试验，硼酸流量设定值越小，在截取从调节开始至稳定这一段时间的硼酸体积，相对于同等时间内稳定调节时注入硼酸体积的比值越大，调节效果见图12和多注入硼酸量的计算见表1，因此有必要对该问题进行优化。

图12 PID输出限幅为75%时的调节效果

表1 未进行分段限幅时多注入的硼酸流量计算

根据之前试验结果，如果阀门从0%开度开始调节，存在意外跳模式的可能，因此考虑根据硼酸流量设定值分段对PID输出进行限幅，该功能可在DCS组态中实现，具有可操作性。

通过试验发现，设置当硼酸设定值SP＜4时，限幅为50%；4≤SP＜8，限幅为60%；SP≥8时，限幅为75%。试验结果表明，分段限幅后，多注入的硼酸量有了显著的减少。进行PID分段输出限幅的调节效果如图13所示，多注入硼酸量的计算见表2。

图13进行PID分段输出限幅的调节效果

表2进行分段限幅时多注入的硼酸流量计算

4. 结论和意义

经过对硼酸流量调节阀设置多组PID参数（以流量区分）以及分区间进行开度限制幅度，硼酸流量调节阀的调节性能得到非常大的改善，有效地减少了在自动补给模式时硼酸的注入量，而且上述方法可以从根本上解决M310机组以及ACP1000在功率运行期间硼酸流量调节阀在小流量进行自动补给时还需重新设置PID参数的问题。而且该方案不仅于应用在硼酸流量调节阀上，还可以应用在类似的调节阀上，具有非常切实际的参考价值和借鉴意义。同时也能反馈给设计人员，即该类型阀门的PID参数的设置并非是单一的，包括阀门的开度幅度也能进行限制以实现优化。

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