核电厂常规岛热力性能在线监测与诊断系统的开发 --兼谈与常规电厂的区别 The Development of Thermal Performance On-line Monitoring & Diagnostic System for Nuclear Power Plant Conventional Island 张大勇 池志远 李召杰 （广东核电合营有限公司，广东深圳，518124） 　　 摘 要 在研究国内外电厂优化软件开发和应用现状的基础上，通过对核电厂与常规电厂的比较，并结合当前我国电力系统全面改革措施的实行，论述了核电厂优化软件的开发和应用有利于核电经济性的提高。 　　 关键词 核电厂 火电厂 优化软件 　　 Abstract On the basis of studying the present development and application status of optimization software of power plant at home and abroad，and by comparing nuclear power station with conventional thermal power plant in this respect, this article discusses the development and application of optimized computer software for nuclear power plant, which it says is beneficial to the enhancement of economics of nuclear power under the full implementation of reform measures all over the countrys power industry. 　　 Key words Nuclear power station Conventional power plant Optimization software 　　随着我国电力工业改革的逐步深入，引进竞争机制，提倡"厂网分开、竞价上网"，电力行业的竞争日趋激烈。在这种压力下，国内热力发电厂正在改变观念，改变了只把机组安全稳定运行作为生产管理重点的观点，把机组经济性的提高也作为当前工作的重点。在这种情况下，对设备性能的实时监测以及准确评估其对发电成本的影响对企业的长期生存显得至关重要。同样的压力在核电领域也存在。 　　大亚湾核电站两台机组投入商业运行以来，常规岛的热力性能状况基本保持稳定，但也多次出现过机组热效率下降、机组不能满发的情况。每当这种情况发生，电厂即组织人力物力进行调查分析处理。由于常规岛影响机组热效率的系统、设备繁多，机组的运行状况与环境各异，调查和分析的过程往往需要一个月甚至更长的时间，从而导致人力物力的过多消耗，问题又不能及时得到解决。同时，18个月换料项目在大亚湾核电站成功实施，也对常规岛热力系统稳定高效率运行提出了更高的要求。通过监测与诊断系统及时发现热力循环设备的故障隐患，可以及时进行处理以免故障扩大而不得不停机处理。 　　因此，无论从实时监督、故障诊断、维修指导、技术改进等方面来看，建立一套"常规岛热力性能在线监测与诊断系统"是非常必要的，它可以使机组效率得到充分发挥。 1 　火电厂运行优化系统的开发与应用 　　火电厂运行优化系统（以下称SIS系统）是在热力性能在线监测与诊断系统的基础上逐步发展起来的。 1.1 系统构成 　　国内火电厂的分布控制系统（DCS系统）技术均已十分成熟，它包含了各种各样的数据，例如现场系统测点实时数据以及其他信息，也包括了热力系统性能监测与分析所需要的数据。因此，火电厂的SIS系统基本上是建立在这个系统上的。典型的系统结构如图1。 　　在硬件方面，运行优化系统的核心部分由数据交换机、数据采集服务器、历史数据库服务器、优化工作站服务器与WEB服务器组成。交换机之间的数据传输或通过光缆（速度快）、或通过网卡（速度一般）进行；服务器之间的传输一般通过网卡传输。软件开发的平台大部分采用WINDOWS NT，开发语言采用C++辅以VB，数据库选用ORACLE或PI等。 1.2 系统功能 　　火电厂运行优化系统主要为发电厂的安全稳发、成本控制、高效节能等提供真实可靠的现场实时数据与历史数据，配合科学有效的开发软件对生产过程进行分析综合以及对故障进行诊断，以指导电厂的运行与维修活动。目前该系统的主要功能集中在以下几个方面： 1.2.1 实现全厂生产过程的监视 　　通过采集电厂各生产过程控制系统包括DCS、DEH以及其他辅助控制系统的实时生产数据，对各生产流程进行统一的监视与查询。对生产数据进行综合处理以形成全厂生产报表。同时，通过全厂实时和历史数据库来满足管理部门快速高效地对现场过程数据进行查询与处理的要求。 1.2.2 负荷分配与调度 　　根据电厂与电网的合同与协议，以及电厂所制定的机组中、长期检修和运行计划，对照日负荷的预测，以最优方式安排运行机组的组合和各运行机组的运行方式。同时根据日负荷实际变化情况，结合机组主、辅系统的可用情况和经济特征值，进行优化计算，为实时优化机组的经济负荷分配和辅助系统的运行提供参考。 1.2.3 实时处理生产成本信息 　　通过各单元机组的DCS以及全厂辅助控制系统的信息采集，实时地将相关的生产成本信息送入实时数据库，为电价计算提供依据。 1.2.4 性能计算与分析 　　通过实时采集的数据或规定时间内的数据进行性能计算，包括锅炉、汽轮发电机组、凝汽器、高压加热器、低压加热器、给水泵等主要设备和系统以及整个机组的效率、损耗等，并提供性能计算的期望值与实际计算值的比较，功能较强的软件还能分析偏差产生的原因并提供改进措施建议。 1.2.5 系统自诊断与自学习 　　通过相关联的数据比较和分析，能自我诊断出系统本身的故障，例如传感器故障、软件计算误差。通过神经网络与记忆因子等理论，系统能判别机组运行的参数，找出区域最优点。 1.2.6 设备故障诊断 　　在实时数据监测与性能计算的基础上，当发现某个数据或计算参数与期望值发生偏差时，说明设备或系统存在着故障。SIS系统能够利用故障诊断技术或专家系统，分析故障产生的根本原因或最大可能的根本原因，提出设备运行与维修建议。有的系统还设计有远程监视开展远程诊断与远程技术服务，及时得到厂外专家的诊断结果与处理建议。 1.2.7 设备寿命管理 　　通过实时监测，系统能分析参数变化对主要设备（例如汽轮机等部件）的金属温度及其变化率的影响，从而评价设备的寿命。它可以跟踪机组起停时和大幅度负荷变化时的参数状态，并提供最佳起停方式。 1.2.8 电厂运行考核管理 　　系统设计了小指标和节能等统计考核指标，例如供电煤耗、汽机热耗、间接经济性指标和各种耗差统计结果，为班组和各值的运行考核提供公平的基准依据，监督运行人员的运行操作，促进运行人员对机组的经济运行。 1.3 系统应用状况 　　就我们所走访的电厂以及通过网上查询、资料查阅等情况来看，普遍反映SIS的使用对机组效率的提高、设备异常的及时发现、运行班组业绩考核、机组或系统设备的性能试验、机组优化运行等作用很大。 　　（1）高机组效率。通过使用SIS系统，最明显的效果就是将电厂的供电煤耗降了下来，年平均供电煤耗降低了约15~20 g/kWh，大大提高了机组的发电效率，降低了生产成本。 　　（2）及时发现设备异常。在SIS系统运行中，能发现主蒸汽压力调整不当、高压加热器端差、凝汽器背压异常等问题。有一些软件还利用模糊理论与神经网络理论开发了锅炉系统与凝汽器系统的故障诊断子系统，虽然还处于初级阶段，但已经可以给出故障的基本信息。 　　（3）运行考核。SIS为班组和运行值的业绩考核提供了一个公平的基础，通过考核统计结果实施适当的奖惩，提高电厂员工的效率意识与经济运行意识。 　　（4）性能试验。有了SIS系统，就能很方便地进行机组整体以及系统设备的效率试验，而且SIS的功能能够及时甚至实时地将试验结果计算报告出来，彻底改变了这类大型试验的实施过程。 　　（5）优化运行。各个厂均利用SIS系统来寻求机组间的负荷最优分配，力求控制生产成本。最普遍的优化运行就是循环水系统，通过SIS的分析计算可以确定循环水系统的运行方式，降低厂用电率，从而降低供电煤耗。锅炉优化、调峰期间的蒸汽初压的优化也在许多电厂中应用。 2 　核电厂常规岛的特点 　　核电厂与火电厂相比，基本的循环理论都是朗肯循环，但是还是存在很多不同之处。除了设置有许多安全和冗余设备外，在锅炉和蒸汽发生器、汽轮机、汽水分离再热器等设备上也存在着明显的不同特点。其中有些设备是核电厂所特有的。众所周知，火电厂与核电厂最大的区别在于发电的燃料不同，火电厂利用煤、石油和天然气等化石燃料，而核电厂利用核燃料来进行发电。由于核燃料的放射性及反应性控制的要求，反应堆所释放的热量不能直接传递给二回路，必须利用一回路冷却剂实现核热能到蒸汽热能之间的转移。蒸汽发生器就是为实现这一能量传递而设计的。因此，我们可以把核反应堆及其一回路和蒸汽发生器一起看作火电厂中的锅炉。 　　蒸汽发生器不象火电厂中的锅炉那样直接由燃烧产生的高温烟气加热，而是采用一回路高温水加热，水温受其压力的限制不可能太高，这就限制了二回路蒸汽只能是饱和状态（压力：6.63 MPa，温度：283℃）。这一特点是压水堆电厂与常规火电厂二回路的最大不同点，它也决定了核电与火电在常规岛方面的许多不同之处。 2.1 汽轮机 　　受初参数的影响，核电汽轮机与火电汽轮机也有很大的差别。火电机组一般有高压缸、中压缸和低压缸三部分组成，但由于核电机组的蒸汽压力低，可利用的理想焓降小，因此只有高压缸和低压缸两部分组成。为了得到机组的大功率，核电机组必须增大蒸汽的流量，这就使得核电汽轮机的流通面积比火电机组大得多，因此核汽轮机设置有三个双流道低压缸。 2.2 汽水分离再热器 　　汽水分离再热器是核电机组所特有的设备，其作用一是除去高压缸排汽中的水分，二是加热高压缸排汽，提高进入低压缸蒸汽的干度，使其具有一定的过热度。汽水分离再热器的加热来源一部分是高压缸的第二级抽汽，一部分是新蒸汽，因此该设备的正常工作与否对常规岛的影响很大，直接关系到机组的发电效率。由于国内常规火电厂不具有此设备，对汽水分离器的研究也较少，对于该设备的在线监测和性能考核计算将是一个难点。 2.3 参数与运行 　　核电厂与火电厂一样，都是根据电厂负荷需要调节"锅炉"的发热量，使得热功率与电功率相匹配。但核电厂的蒸汽参数较火电厂低得多，并且新蒸汽为饱和蒸汽，不象火电厂的新蒸汽具有很高的过热度。就大亚湾核电站而言，不象常规电厂那样参与电网的负荷调节，一般是在满功率水平运行，因此在核岛满功率水平下，如何尽可能地发掘常规岛的发电潜力、提高发电效率是非常有意义和经济价值的课题。 2.4 新蒸汽 　　就大亚湾核电站而言，新蒸汽由三台蒸汽发生器生产，额定工况下每台蒸汽产率为1938 m3/h，压力为68.9 bar，由于蒸汽发生器和一回路的特殊性质决定了这些新蒸汽是饱和蒸汽，并且含有一定的湿度。火电机组的新蒸汽一般压力在150 bar以上，温度在550℃左右，具有较高的过热度。由此可见，火电机组的蒸汽参数远高于核电机组参数。 　　核电厂新蒸汽具有一定的湿度，在蒸汽发生器出口处设计湿度为不大于0.25%，大亚湾两台机组在调试期间对湿度进行了测量，分别为0.09%和0.11%。新蒸汽通过高压缸做功后，湿度变得更大，为了低压缸的安全运行，必须对高压缸排汽进行除湿。因此核电机组设计并安装了汽水分离再热器，提高进入低压缸蒸汽的干度。在汽轮机的设计中，也必须考虑各级之间的除湿问题，尽量地将液滴分离出去，不影响下一级的工作。火电机组新蒸汽中不含水汽，对于高压缸排汽中的水汽，一般是采用再热的方法处理，使得进入中压缸的蒸汽重新具有一定的过热度。由于核电汽轮机各级抽汽都含有水汽，对其测量非常困难，这将对常规岛给水加热器的效率计算产生很大的障碍。 2.5 运行 　　核电机组采用的是饱和蒸汽，若运行方式采用常规岛厂的滑压运行并不经济，因此核电机组采用定压运行方式，在负荷从0%到100%变化过程中，新蒸汽压力仅有很小范围的变化。机组负荷的调节是靠调整蒸汽进汽量实现的。常规电厂在负荷较小时，采用滑压运行，而在负荷大时也采用定压运行。 　　大亚湾两台机组并不参与电网的负荷调节，以发挥其大功率机组稳定的优点，因此一般稳定在满功率水平运行。功率的调节主要通过给水流量的调节来实现。 3 　开发平台 　　常规电厂的开发平台是DCS和MIS系统。核电厂基于安全的考虑，没有象常规电厂的DCS系统，核电厂的操作都是"硬"操作，不是如同DCS的"软"操作。因此，核电厂的数据采集是通过KDO、KIT等数据采集系统完成的。 3.1 常规电厂的DCS系统 　　分布控制系统（distributed control system，简称DCS），是为了克服以前模拟仪表控制系统和集中计算机控制技术的缺点而提出和发展起来的，是4C技术（计算机技术、通讯技术、控制技术、CRT图形显示技术）相结合的产物。是以微处理机为基础、按系统要领设计、具有控制功能分散、监视操作集中的新型数字控制系统。其中心思想是把大量的信息处理和功能控制等任务，分散给各个微处理机来完成，即把一个庞大的监测控制任务分配给各个承担不同控制要求的微机来执行，通过数据通信网来实现监控任务及信息管理。 　　在火电厂中，微机分布控制系统可以完成一台单元机组的监视和控制任务，也可以扩大到整个电厂的监视和控制任务。其监视功能包括数据采集、数据处理、性能计算、屏幕显示和打印制表等。控制功能包括模拟量控制、开关量控制、报警、联动及保护等。分布控制系统的功能除DAS（数据采集和处理）、CCS（协调控制系统）、SCS（顺序控制系统）和BMS（燃烧器管理系统）外，有时还把DEH（数字电液汽轮机控制系统）、BPC（汽轮机旁路控制）及MEH（给水泵汽轮机控制系统）包括在内，组成一体化系统。 3.2 核电厂的在线系统 　　KIT、KDO系统是核电厂的在线监视系统，但这两个系统并不具有安全功能，即他们只提供电厂的运行参数和状态，并不参与运行和控制。 　　KIT由两级系统构成，一级系统完成数据的采集和预处理，分散在整个电厂中，二级系统完成数据处理，是KIT的中央处理机系统，并且和外围设备相连接，实现数据的输出和存储，二级系统在设计上是完全冗余的。KIT系统具有较高的可用性，它的基本功能包括信息采集和处理、事件后分析、反应堆监督和操纵员辅助功能。 　　KDO系统是与电厂安全运行无关的试验网络，用于完成启动监测系统和状态计数功能，其组成主要包括状态记录仪、公用隔离机和微机。其输入信号分别来自继电器机柜、调节机柜和电气测量，采集来的过程信号送往公共的隔离和处理单元。最终输出的结果有：启动试验的分析、性能参数的记录、事故分析和主要瞬变分析。 　　KME系统也是与电厂安全运行无关的试验网络，它主要的任务是通过计算机采集计算一回路的热功率。 4 　核电厂常规岛热力性能在线监测与诊断系统的开发 4.1 系统功能 　　核电厂常规岛热力性能在线监测与诊断系统的预期功能为： 　　（1）热力参数实时监督。系统将实时监测与常规岛热力循环相关的200多个参数，并与预设在系统中的参数期望值进行比较，可以及时发现相关的参数异常和设备缺陷。 　　（2）在线热效率计算。可以在采集一段时间（半小时左右）的参数后，计算单个系统（例如高压给水系统）或某个设备（例如高压加热器）或整个常规岛的热效率，及时了解单个系统或整个常规岛的效率状态。 　　（3）故障诊断。通过以上两个功能，可由系统或技术人员分析出是哪个系统或哪个设备发生了异常，并能分析根本原因或可能的根本原因，及时提出维修纠正行动。大修前后的故障诊断还可以分别为大修活动的计划安排以及大修后续行动提供维修与运行建议，并通过数据对比鉴定大修质量。 　　（4）运行考核管理。通过设置合理的指标进行统计，实现对运行维修人员活动的监督，加强电厂各级人员提高经济运行的意识。 　　（5）自我更新。系统能够自动识别机组的最佳状态或参数最佳值，并通过系统或有授权的技术人员更新到系统期望值与系统热力模型中，从而保证系统能及时跟随机组的最佳运行状态以及设备的维修与技术改造的状态。 4.2 硬件配置 　　大亚湾核电站没有火电厂的DAS、DCS等比较全面的数据系统，虽然KIT、KME、KKO等仪表和控制系统中有一些涉及到热力性能的数据，但其精度、采集速度与实时性等不能满足要求。因此，必须全新开发或对现有系统进行改造才能实现。全新开发安装一套单独的系统，既不能利用现有的电厂资源，而且也不能与其他系统进行资源共享，从而造成资源浪费。 　　对现有系统进行利用的途径有3条：（1）改造KIT系统，将热力性能监测所需的信号利用KIT系统进行采集；（2）将信号接至KRG系统，然后利用KIT和KDO系统进行采集；（3）改造KME系统，将信号接至KME系统进行采集。 　　当数据进入数据交换机后，以下的系统配置就与火电厂的系统配置没有太大的差别。在传感器、通讯方式、服务器方面，均属于成熟的设备，只要在可靠性方面加以考虑。 　　通过监测与诊断系统所得出的数据与结论，也可以通过WEB服务器传到公司CIS网，供管理层与员工浏览。 5 　小结 　　通过建立一套计算机的监视和诊断系统，进行水蒸汽性质计算、数据处理、流量计算、机组性能计算，实时显示经济指标，为经济运行提供可靠的依据，从而指导运行人员及时调整运行方式，保证热力系统在经济工况下运行。这套系统的建立不仅能解决大亚湾两台机组运行中无法直观了解机组经济指标的不足，而且应用实际节能理论，对电厂两台机组在运行中存在的偏离设计条件的大部分因素进行了在线、实时、有效的分析和计算，可大大提高了机组的运行管理水平，方便运行管理人员对机组性能的及时了解，使试验人员可以在线分析和了解机组运行故障和运行的经济性，分析比较机组能损的原因，及时掌握机组运行动态，以减少机组不必要的能量损失，从而选择机组最优的运行方式，以利于机组的最优管理。为电厂更进一步开展节能降耗、提高上网电量、实现信息管理的科学化提供有利的条件。 参考文献 [1] 陈济东．大亚湾核电站系统及运行．原子能出版社． [2] 候子良．再论火电厂厂级监控信息实时系统．电力系统自动化，Vol.26． [3] 曹文亮等．电厂厂级监控信息系统现状及发展前景．中国电力，Vol.35 2002/9．