АВТОМАТИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ УРОВНЯ В ДЕАЭРАТОРЕ Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

TECHNICAL SCIENCES

АВТОМАТИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ УРОВНЯ В ДЕАЭРАТОРЕ

Зацаринная Т.Г.

канд. тех. наук, доцент Севастопольского государственного университета,

Аникевич К.П.

старший преподаватель Севастопольского государственного университета,

Повзун Ю.И.

студент Севастопольского государственного университета AUTOMATIC LEVEL CONTROL IN DEAERATOR

Zatsarinnay T.G.

Candidate of Science, assistant professor of Sevastopol State University

Anikevich K.P.

Lecturer of Sevastopol State University Povzun Yu.I.

Student of Sevastopol State University

Аннотация

На примере регулятора уровня в деаэраторе рассмотрены варианты автоматических систем регулирования, построенных на различных программно-технических средствах. Иллюстрация поэтапного перехода от аналоговой аппаратуры к цифровой, применяемой для автоматизации энергоблоков, а также краткая характеристика использования современных методов регулирования технологических параметров изложены в данной статье.

Abstract

The variants of the automatic control systems built on different programmatic-technical facilities applied for level adjusting in the deaerator are considered. The evolution process from analog up to numerical devices which are used for automatization of Nuclear Power Station and also brief characteristics of the modern methods control technological parameters are expounded in this article.

Ключевые слова: Регулятор, уровень, деаэратор, параметр, контроль, команда, регулирующий орган, блокировка, отказ, надежность, вероятность, диагностика, управление, атомная электростанция.

Keywords: Regulator, level, deaerator, parameter, control, command, regulating authority, blocking, refuse, reliability, probability, diagnostics, management, nuclear power plant.

Сложность и многообразие оборудования, эксплуатируемого на АЭС в условиях радиационных нагрузок, высоких давлений и температур, а также значительное число измеряемых параметров требует обеспечения высокой надёжности и оперативности управления энергоблоками АЭС. В связи с чем, научно-исследовательскими и промышленными предприятиями Федерального агентства по атомной энергии разрабатываются и внедряются новые распределенные АСУ ТП с принципиально новыми возможностями для вновь строящихся и модернизируемых российских и зарубежных АЭС. Базовой системой современной АСУ ТП являются программно-технические средства (ПТС) низовой автоматики, реализующие функции сбора и первичной обработки информации, автоматическое и дистанционное управление исполнительными механизмами, реализацию защит и блокировок, автоматическое регулирование, выдачу аналоговых и дискретных сигналов на средства оперативно-диспетчерского управления, обмен информацией с системой верхнего блочного уровня.

Деаэрационная установка (деаэратор) является одним из объектов управления, в которой автоматическое регулирование параметров осуществляется на базе ПТС.

Функционально деаэратор используется для подогрева питательной воды в регенеративном цикле турбоустановки и термической деаэрации одновременно. Деаэрационная колонка, в которой происходит основной выпар представлена на рисунке 1[5, с. 110].

В нижнюю часть деаэраторной головки, установленной над аккумуляторным баком питательной воды (14), подводится греющий пар по коллектору (2). Основной конденсат поступает в верхнюю часть деаэрационной колонки (7) и сливается вниз на горизонтально расположенное сито (10), а затем проходит барботажное устройство (4) и водона-правляющий лист (6). За время движения вниз основной конденсат нагревается паром до температуры насыщения при этом давлении. Основная часть греющего пара конденсируется при нагревании воды, а избыток его вместе с выделившимися из воды газами отводится из верхней части колонки (8) в атмосферу или на эжекторы турбины. Деаэрированная вода поступает в бак-аккумулятор (14), где происходит дополнительное выделение газов, не успевших выделится в деаэрационной колонке (1).

Рис. 1. Устройство деаэрационной колонки типа ДП-1600-2: 1 - деаэрационная колонка; 2 - коллектор подвода греющего пара; 3 - поддон; 4 - перфорированный лист барботажного устройства; 5 - пароперепускные трубы; 6 - перепускной лист; 7 - подвод основного конденсата; 8 - выпар в атмосферу или эжектора турбины; 9 - смесительно-распределительное устройство; 10 - перфорированная тарелка; 11 - пароперепускные трубы; 12 - сливная труба; 13 - головка аккумуляторного бака; 14 - бак-аккумулятор.

Как известно в паросиловом цикле деаэратора имеются потери воды и пара. Для покрытия этого недостатка в контур добавочно подводится химически обессоленная вода (ХОВ). Подпитка ХОВ осуществляется в конденсатор турбины. Сигналом уменьшения массы воды в контуре является снижение уровня в баке-аккумуляторе [4, с. 244 - 245]. Регулятор уровня в деаэраторе Рь (рисунок 2) получает сигнал от уровнемера (ДМ) и воздействует на

клапан, регулирующий подачу ХОВ в конденсатор турбины. При этом регулирующее воздействие задерживается, так как увеличение расхода ХОВ сначала приводит к увеличению уровня в конденсаторе, что воспринимается АСР уровня в конденсаторе и только в результате работы АСР увеличивается подача воды в питательную линию.

Рис. 2. Структурная схема АСР уровня в деаэраторе: ДМ - дифманометр; ПНД - подогреватель низкого давления; Рь - регулятор уровня; L - уровень; LзАд -

уставка регулятора; вк - расход конденсата; Gxoв - расход химобессоленной воды

АСР уровня с П-регулятором по каналу «расход химобессоленной воды в конденсатор - расход конденсата из конденсатора» описывается уравнением инерционного звена первого порядка, конден-сатопровод с ПНД по каналу «расход на входе -расход на выходе» практически безынерционный с единичным коэффициентом передачи и, наконец, деаэратор описывается уравнением интегрального звена. Таким образом, передаточная функция объекта управления определяется по формуле [4, с. 244]

к к W(S) = • к

(1)

ТS +1 Б

Коэффициент К2 характеризует астатические свойства деаэратора.

Кривая разгона, определяемая по формуле (1), представляет собой прямую наклонную линию с

емкостным запаздыванием, т.е. деаэратор по уровню является неустойчивым объектом. По этой причине, а также в связи с отсутствием жестких требований к поддержанию уровня в баке деаэратора в АСР уровня применяется П-закон регулирования, который реализуется охватом ПИ-регулятора жесткой обратной связью по положению регулирующего органа. Для энергоблока с ВВЭР-1000 номинальный уровень Lном = 2000 мм, абсолютная неравномерность регулирования - до 250 мм, допустимые отклонения уровня в статике ± 20 мм, в динамике ± 70 мм.

В первоначальном варианте регулятор уровня в деаэраторе (РУД) на АЭС реализовывался на базе комплекса аналоговых средств «Каскад -2» [2, с. 92, 127, 135, 141]. Функционально-блочная структура отдельных узлов РУД показана на рисунке 3.

Наименование регулятора Регулятор уровня в деаэраторах машзала Д-7

Рис. 3 - Схема автоматизации регулятора уровня в деаэраторе на базе «Каскад-2»: Д-05 - блок динамических преобразований; БГР - блок гальванической развязки; Р-27 - блок регулирующий с импульсным выходным сигналом; БВР - блок включения регулятора; БУК - блок управления клапаном; БКЛ -блок логических ключей; БСПТ - блок сигнализации положения токовый; БРУ-32 - блок ручного управления; МЭО - механизм электрический однооборотный; ПБР 2-3 - пускатель бесконтактный реверсивный.

Дистанционное управление регулирующими клапанами регулятора, представленного на рисунке 3, производится через блоки БУК и БКЛ. В БУК формируется команда на открытие регулирующего органа в виде логического сигнала «1» (и = 15 В), в БКЛ эта команда преобразуется в напряжение, достаточное для управления пусковым устройством исполнительного механизма (ИМ). В БУК поступает информация от конечных выключателей ИМ о положении регулирующего органа; при полном открытии запрещается выходная команда «Больше»,

а при полном закрытии запрещается выходная команда «Меньше» Запрещается прохождение команд дистанционного управления при поступлении информации от БВР «Регулятор в режиме Автоматика», коммутация выходных цепей регулятора производится в блоке БВР.

В отключенном состоянии выходные цепи регулятора подключены в схему самобаланса регулятора на вход интегратора. При переводе БРУ-32 в положение «А», БВР переводится в режим «Автоматика». В этом режиме при отсутствии разрешения дистанционного управления регулятором и при

отсутствии запретов команд регулятора его входные цепи подключаются к пусковому устройству ПБР 2-3. При этом из БВР в БУК поступает команда «Регулятор в режиме Автоматика», который запрещает дистанционное управление регулирующим органом.

При срабатывании системы контроля исправности регулятора на вход БВР поступает сигнал «Отключить от защит и блокировок», отключающий регулятор. Эта команда запоминается и повторное включение регулятора производится только после его ручного отключения.

Важнейшие функции технологических защит, блокировок, дистанционного управления и регулирования вышеупомянутого регулятора реализовы-вались с помощью средств жесткого монтажа унифицированного комплекса технических средств и «Каскад-2», не имеющих диагностики отдельных блоков. Поэтому скрытые отказы в аппаратуре зачастую обнаруживались только при проведении планово-предупредительных ремонтов. Анализ опыта эксплуатации и статистики отказов оборудования АЭС стал одной из причин для перехода к современным цифровым методам регулирования технологических параметров на АЭС. Проведенная реконструкция систем регулирования энергоблоков путем замены аппаратуры АСУТ-1000-2 и «Кас-кад-2» на программно-технические комплексы (ПТК) АСР турбинного отделения (ТО) на базе технических средств автоматизации М2002 позволила реализовать функции автоматического многосвязанного регулирования технологических параметров, блокировок и контроля исправности исполнительных механизмов [3, с. 13], расширила функциональные возможности регуляторов. Так, цифровой регулятор РУД помимо основного режима работы (поддержания уровня в деаэраторе) имеет два дополнительных режима работы по поддержанию уровня в конденсаторе и давления в напорном коллекторе конденсатного электронасоса второй ступени.

Подсистема автоматического регулирования в составе ПТК АСР ТО строится по модульному принципу. Библиотека программных модулей автоматического регулирования включает: модуль регулятора; модуль блока управления клапаном, модули динамического преобразования сигналов и первичной обработки информации; стандартные программы арифметических и логических операций.

Модуль регулятора осуществляет безударное включение регулятора, в нем же производится расчет регулирующего воздействия, а также управля-

ющих команд на регулирующий орган и реализуются запреты управляющих команд. Параметры настройки модуля регулятора вводятся в диалоговом режиме с автоматизированного рабочего места (АРМ) в единицах физической величины.

Формирование закона регулирования основано на расчете перемещения регулирующего органа в каждом такте управляющего вычислительного комплекса (УВК), в соответствии с пропорционально-интегральным законом регулирования

1 т

АБ = К [(е-8')]+-/ай,

Ти 0

Где - требуемое перемещение регулирующего органа, %; £ - рассогласование настоящего

такта, %; £ - рассогласование предыдущего такта,

%; К - коэффициент усиления регулятора; Т -

время расчета управляющего воздействия, с;

T -

постоянная времени интегрирования, с.

При регулировании уровня в деаэраторе поддерживается равным нулю рассогласование

£ = а, • Б -а2 •(Р-Ц)-Б + Ь -+ ^,

где

F -

расход питательной воды перед по-

догревателем высокого давления (вместо значения расхода питательной воды может использоваться значение суммарного расхода пара из парогенератора), т/ч; Ц - поправка из-за разности диапазонов измерений измерительного прибора расхода питательной воды и основного конденсата, т/ч; N -

поправка для компенсации несоответствия при различных мощностях энергоблока между значением расхода основного конденсата и значением расхода питательной воды в момент включения регулятора

в работу, т/ч; Б, - расход основного конденсата

перед деаэратором,

т/ч; L -

задание регулятору

по уровню в деаэраторе, мм; Ld - текущее значе-

ние уровня в деаэраторе, мм;

AL -

поправка для

компенсации статической неравномерности, мм; а , а 2 - весовые коэффициенты.

Контроль работы регулятора уровня в деаэраторе осуществляется по индивидуальным фрагментам с АРМ, одна из подобных видеограмм представлена на рисунке 4.

06! кибоандв РКЧД.Тосн^г.у. о Д|||______________в ^____ И|| _____,|| и......„, ,

II 1111 5Ц05 ВМ50М1^ РК|-|Д-7<.СИ- 33«>. О ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^

:00:00 8:06:00 8:12:00 8:18:00 8:24:00 8:30:00 8:38:00 8:42:00 8:48:00 8:54:00

Рис. 4. Видеограмма графиков с АРМ

Соответствие реакции регулятора возмущению, возникшему в системе регулирования, определяется, выбранными параметрами настройки регулятора, а именно, коэффициентом усиления регулятора, определяемом отношением времени перемещения клапана к проценту рассогласования; постоянной времени интегрирования; зоной нечувствительности, зоной возврата; минимальной длительностью импульса; скоростью изменения задан-

ного значения параметра при включении регулятора или изменении задания. Для улучшения качества регулирования выполняют оптимизацию параметров настройки регулятора.

На российских АЭС хорошо зарекомендовали себя АСУ ТП, построенные на базе программно-технических средств типа ТПТС [1, с. 241-262]. Контур регулирования на базе ТПТС-51 представлен на рисунке 5.

Рис. 5. Структурная схема контура регулирования: АРМ СВБУ - автоматизированное рабочее место системы верхнего блочного уровня; НКУ - низковольтное коммутационное устройство; МПКУ - мозаичные панели контроля и управления; ТПТС-1332 -модуль ввода/вывода информации и команд управления ПТС; ТПТС-1411 - регулятор с импульсным выходом; ТПТС-1722 - прием и обработка унифицированных аналоговых сигналов.

Формирование обобщенного сигнала регулируемой величины в регуляторе, показанном на рисунке 5, производится на основе прямых или динамически преобразованных сигналов технологических параметров (регулируемых величин). Как правило, эти сигналы передаются по цифровой шине от модулей ТПТС, специально предназначенных для ввода и обработки аналоговой информации, но они могут вводиться в модули регулирования и непосредственно через аппаратный интерфейс.

Стандартное решение по управлению регулирующим клапаном с помощью модуля импульсного регулирования ТПТС-51.1411 предусматривает использование двух (в каждую сторону) сигналов исчерпания диапазона регулирования: концевого выключателя и моментной муфты (если она имеется).

Росн.к

1

В схеме стандартной логики переключений модуля по соответствующему дискретному сигналу от регулирующего клапана осуществляется прекращение подачи управляющей команды (как автоматической, так и ручной) в заданном направлении, а оператору выдается информация о невозможности действия в данном направлении. Одновременно в схеме управления клапаном разрывается цепь передачи команды в рассматриваемую сторону.

Для сравнительного анализа по надежности регуляторов уровня в деаэраторе на базе «Каскад-2» и ТПТС-51 произведен расчет вероятности безотказной работы (ВБР) основного канала, результаты которого представлены на рисунке 6.

0,8

0.6

0.4

0,2

V \Ч

\Ч \\ \ \ \ \

ч \ ч \ ч ч » s Ч^

ч \ X ч, Каскад-2 - ТПТС-51

____

0 4380 8760 13140 17520 21900 26280 30660 35040 t,4

Рис. 6. Сравнение вероятностей безотказной работы основного канала за время t для двух типов

регуляторов

Таким образом, рассмотренные программно -технические средства низовой автоматики различных типов позволяют реализовать автоматическое регулирование уровня в деаэраторе. Сравнительный анализ на основе схемных решений и расчета вероятности безотказной работы основного канала аналогового и цифрового регуляторов дает основание для подтверждения, что регуляторы на ТПТС-51 обладают более высокой надежностью, чем регуляторы на базе «Каскад-2». Внедряемые в настоящее время ПТС, выполняющие информационные и управляющие функции, обладают достаточно большими возможностями самодиагностики, большей гибкостью к изменению структуры и функций системы по сравнению с "жесткой логикой", позволяют получить существенно более эффективное регулирование технологических параметров за счет реализации более сложных алгоритмов обработки и управления. Использование цифровых систем предоставляет оператору разнообразный и удобный интерфейс для визуального наблюдения и в

тоже время, влияние «человеческого фактора» на технологический процесс сведено к минимуму.

Список литературы

1. Аксенов В.Р., Батраков С.В., Василенко В.А. Автоматизированные системы управления технологическим процессом атомных электростанций. — СПб.: Изд-во Политехнического университета. —2007. — 310 с.

2. Аникевич К.П. Автоматическое регулирование технологических параметров. — Севастополь: СНУЯЭиП. — 2008. — 336 с.

3. Биленко В.А. Многосвязное регулирование энергоблоков на базе современных программно-технических комплексов // Теплоэнергетика. — 2001. — № 10.

4. Демченко В.О. Автоматизащя та моделю-вання технолопчних процес1в АЕС та ТЕС. — Одеса: Астроприн. — 2001. — 308 с.

5. Часть 1// Системы турбинного отделения. — Балаково: БАЭС, ЦПП. — 2000. — 367с.