百萬千瓦級核電站泵入口壓力保護(hù)系統(tǒng)研究及應(yīng)用

惠瓏偉，翟巴菁，明遷

(中廣核工程有限公司，廣東深圳518124)

0 引言

泵組保護(hù)系統(tǒng)可用是核電站大型泵組首次啟動時(shí)必須具備的可用條件之一，該保護(hù)系統(tǒng)主要通過DCS［1］組態(tài)來實(shí)現(xiàn)，因此，對DCS系統(tǒng)有很大的依賴性。而縱觀整個核電工程建設(shè)項(xiàng)目，DCS系統(tǒng)均存在不同程度的工期延誤，滿足不了核電站泵組首次啟動及調(diào)試期間的保護(hù)需求，如果泵組啟動時(shí)沒有保護(hù)，將會導(dǎo)致設(shè)備損壞及人身傷亡的風(fēng)險(xiǎn)增加?；谝陨媳尘埃{(diào)試人員通過長期的現(xiàn)場實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，開發(fā)出一種可靠的泵組入口壓力保護(hù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括不間斷的直流電源模塊、壓力開關(guān)傳感器模塊和繼電器延時(shí)模塊等設(shè)備，保護(hù)系統(tǒng)能夠在DCS不可用的情況下，既可以自動采集泵組入口壓力信號實(shí)現(xiàn)自動停泵功能，也可以在泵組其他參數(shù)出現(xiàn)異常時(shí)由就地巡檢人員手動完成停泵保護(hù)操作，在核電機(jī)組泵組啟動調(diào)試過程中發(fā)揮了重要的作用。

本研究通過分析核電站DCS的系統(tǒng)缺陷，基于邏輯控制電路原理，建立由壓力檢測模塊、信號延時(shí)模塊、傳輸模塊、電源模塊組成的新泵控制系統(tǒng)。

1 泵入口壓力低的危害

泵組工作時(shí)，如果葉輪入口處壓力P0低于飽和壓力Pn時(shí)，入口處就會發(fā)生汽化，同時(shí)溶解在水中的氣體也從水中逸出，形成許多蒸汽與氣體混合的小氣泡［2］。小氣泡隨著水流進(jìn)入葉輪內(nèi)，當(dāng)壓力超過飽和蒸汽壓力Pn時(shí)，氣泡中的蒸汽突然凝結(jié)成水，在氣泡消失處形成空洞，周圍的水急速沖入空洞，造成極大的水力沖擊。由于氣泡不斷地形成與凝結(jié)，強(qiáng)大的水擊壓力以極高的頻率反復(fù)地作用在葉輪上，會使金屬表面逐漸的因疲勞而破壞。產(chǎn)生的氣泡中還夾雜有一些活潑的氣體，借助水蒸氣凝結(jié)時(shí)所釋放出的熱量對金屬起化學(xué)腐蝕作用。在化學(xué)腐蝕與機(jī)械剝蝕［3］共同作用下金屬表面將出現(xiàn)蜂窩狀的麻點(diǎn)，并逐漸形成空洞。

此外，由于水流中大量的氣泡破壞了水流的連續(xù)性，增大流動阻力，使水泵流量、揚(yáng)程、功率和效率下降，隨著汽蝕程度的加強(qiáng)，氣泡大量產(chǎn)生，最后甚至?xí)嗔鳌?/p>

調(diào)試期間，泵組試驗(yàn)時(shí)為防止管道中異物進(jìn)入泵組從而損壞葉輪葉片，需在泵前安裝臨時(shí)濾網(wǎng)或正式濾網(wǎng)，復(fù)雜的工況(例如濾網(wǎng)堵塞)增加了泵吸入口壓力降低的風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而導(dǎo)致泵入口有效氣蝕余量［4］低于泵的必須氣蝕余量而發(fā)生氣蝕現(xiàn)象。

以下原因可能導(dǎo)致泵入口壓力降低而發(fā)生氣蝕的風(fēng)險(xiǎn)［5］:

(1)泵入口濾網(wǎng)密度細(xì)致，流體中雜質(zhì)被濾網(wǎng)截流導(dǎo)致流量的流通面積減小，當(dāng)管路流量增大時(shí)通過濾網(wǎng)的壓損增大;

(2)部分試驗(yàn)所要求的在線情況與正常運(yùn)行工況差別較大，泵入口管路介質(zhì)的局部損失增大;

(3)泵入口介質(zhì)吸入高度不夠。

為了防止泵組發(fā)生氣蝕現(xiàn)象，在大型泵組試驗(yàn)期間，必須密切監(jiān)視泵入口壓力P0，以保證泵入口運(yùn)行壓力不能低于其允許的最低壓力(通常泵吸入口允許的最低壓力在泵制造說明書中會予以說明)。

2 DCS實(shí)現(xiàn)泵組保護(hù)

大型泵組首次啟動及系統(tǒng)運(yùn)行期間，泵組入口壓力保護(hù)系統(tǒng)是通過軟件(即修改DCS組態(tài))的方式來實(shí)現(xiàn)的，DCS實(shí)現(xiàn)泵組入口壓力保護(hù)原理圖如圖1所示。

圖1 DCS實(shí)現(xiàn)泵組入口壓力保護(hù)原理圖

當(dāng)泵入口壓力值低于整定值時(shí)，泵入口壓力開關(guān)便會閉合，壓力信號便會傳遞至DCS邏輯處理模塊，經(jīng)過DCS邏輯處理模塊判斷后，系統(tǒng)將停泵指令傳遞給泵電氣盤柜，以斷開泵組動力電源，從而達(dá)到停泵的目的。設(shè)計(jì)Ts(按照工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，Ts一般取5 s［6］)延時(shí)是為了防止泵組啟動時(shí)導(dǎo)致泵入口壓力瞬時(shí)低于壓力開關(guān)的設(shè)定值而誤產(chǎn)生停泵信號。

而在實(shí)際的工程建設(shè)過程中，DCS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)泵組保護(hù)存在以下缺陷［7］:

(1)受制于供貨、安裝、調(diào)試等進(jìn)度，在泵組啟動時(shí)，DCS不具備可用條件;

(2)對固化的邏輯組態(tài)進(jìn)行修改將導(dǎo)致系統(tǒng)控制方式的變更，帶來其他不可控的風(fēng)險(xiǎn);

(3)核島大多數(shù)設(shè)備屬于核安全級設(shè)備，控制系統(tǒng)屬于核安全級系統(tǒng)［8］，設(shè)備調(diào)試時(shí)，調(diào)試及維修工程師沒有權(quán)限對邏輯組態(tài)進(jìn)行修改(例如日本三菱DCS控制系統(tǒng))，需得到控制系統(tǒng)供應(yīng)商許可，實(shí)施變更的周期長;

(4)DCS升版或系統(tǒng)改造時(shí)，會將原有控制變更覆蓋掉，每次啟動設(shè)備前，需要儀控工程師配合工藝工程師確認(rèn)DCS邏輯組態(tài);

(5)巡檢人員就地發(fā)現(xiàn)異常時(shí)缺乏立即停運(yùn)運(yùn)行中的泵組的手段，操作員滯后才了解現(xiàn)場情況，可能會增加設(shè)備的損壞程度。

3 泵入口壓力保護(hù)系統(tǒng)

調(diào)試人員通過長期的實(shí)踐總結(jié)，開發(fā)出一種可靠的泵組保護(hù)系統(tǒng)。該保護(hù)系統(tǒng)原理如圖2所示。

圖2 泵入口壓力保護(hù)系統(tǒng)原理圖

泵組運(yùn)行期間，當(dāng)泵入口壓力測點(diǎn)探測到泵入口壓力(5)低于泵入口允許的最低壓力，安裝在泵入口的壓力開關(guān)(1)探測到壓力異常信號，其常開觸點(diǎn)變?yōu)槌ｉ]觸點(diǎn)，將信號傳遞給延時(shí)繼電器(2)，延時(shí)繼電器按照設(shè)定的時(shí)間延時(shí)T(s)后，產(chǎn)生泵組入口壓力低信號，壓力低信號通過硬接線傳遞給泵組電氣盤柜上的指令端子(3)，從而斷開泵的動力電源開關(guān)，達(dá)到停泵的目的。

本研究在壓力開關(guān)(1)上并聯(lián)了一塊事故按鈕(4)，其主要作用為在泵運(yùn)行期間如果出現(xiàn)意外情況(例如泵軸承溫度異常升高等)，就地巡視人員就可以在泵房直接停止泵的運(yùn)行，有效緩解泵房和電氣間通訊帶來滯后效應(yīng)而引起事故后果的加重。此外，在泵組置于試驗(yàn)位時(shí)，通過按下試驗(yàn)按鈕可以檢驗(yàn)保護(hù)系統(tǒng)是否可用。

研究人員按照原理圖完成試驗(yàn)裝置現(xiàn)場安裝后，首次投用之前需要對該裝置進(jìn)行測試［9-10］，以保證試驗(yàn)裝置的可用性及動作準(zhǔn)確性。首次測試時(shí)筆者使用壓力校驗(yàn)儀模擬泵入口壓力信號對入口壓力開關(guān)進(jìn)行定值校驗(yàn)，同時(shí)可驗(yàn)證整個控制回路的可用性及設(shè)備動作的準(zhǔn)確性。首次校驗(yàn)完成后、再次啟動泵組試驗(yàn)［11］前則可以利用泵入口水箱(8)水位產(chǎn)生的壓力模擬泵運(yùn)行期間入口壓力驗(yàn)證壓力開關(guān)的動作。

試驗(yàn)按鈕和壓力開關(guān)的檢驗(yàn)功能之間存在的重疊部分確保整個保護(hù)回路可用。

運(yùn)行時(shí)，保護(hù)系統(tǒng)工作流程如圖3所示。

4 結(jié)束語

圖3 保護(hù)系統(tǒng)工作流程圖

嶺澳二期、紅沿河一期、寧德一期、陽江一期核電等項(xiàng)目的應(yīng)用效果證明該保護(hù)系統(tǒng)完全能夠滿足工程建設(shè)期間核電站泵組保護(hù)的需求。同時(shí)對常規(guī)電廠泵組啟動有參考意義。本研究通過設(shè)置泵組保護(hù)系統(tǒng)，解決了“在DCS不可用或安全級DCS無權(quán)限修改情況下，無法進(jìn)行大型泵組試驗(yàn)”的工程難題。該保護(hù)系統(tǒng)減小了泵組試驗(yàn)時(shí)對DCS系統(tǒng)的依賴性，保證相關(guān)調(diào)試工作的順利開展，節(jié)約了工程建設(shè)工期。

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