核電廠加熱器水位控制可靠性措施分析

楊金鳳

（國(guó)核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京 100095）

研究與應(yīng)用

核電廠加熱器水位控制可靠性措施分析

楊金鳳

（國(guó)核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京 100095）

以提高核電廠加熱器水位控制可靠性為出發(fā)點(diǎn)，定性分析了防止水位控制各環(huán)節(jié)失效的措施，提出冗余獨(dú)立的儀表設(shè)置方案、獨(dú)立調(diào)節(jié)和保護(hù)的控制策略，通過(guò)驅(qū)動(dòng)設(shè)備故障安全、時(shí)間要求和失效模式的分析，提出驅(qū)動(dòng)設(shè)備的配置方案。并對(duì)DCS硬件配置和控制邏輯環(huán)節(jié)的可靠性保證措施進(jìn)行深入挖掘，保證了控制方案各環(huán)節(jié)的可靠性。

加熱器；水位；故障安全；失效模式

電廠回?zé)嵯到y(tǒng)是減少冷源損失，提高機(jī)組熱效率的重要手段，而加熱器作為回?zé)嵯到y(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，其運(yùn)行性能直接影響機(jī)組的運(yùn)行，合理的水位是加熱器安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的關(guān)鍵，對(duì)核電廠來(lái)說(shuō)安全可靠尤其重要，需保證加熱器在合理的水位范圍內(nèi)運(yùn)行。加熱器水位控制測(cè)量、運(yùn)算、執(zhí)行各環(huán)節(jié)失效都會(huì)直接影響水位控制效果，因此各環(huán)節(jié)可靠性是組成水位控制可靠性不可或缺的部分。本文以某核電廠加熱器為例，從硬件配置和控制邏輯層面定性分析防止各環(huán)節(jié)失效的軟硬件措施，為加熱器水位控制系統(tǒng)優(yōu)化配置提供依據(jù)。

1 儀表設(shè)置

每臺(tái)加熱器的模擬量水位信號(hào)將作為調(diào)節(jié)回路的被調(diào)量，與給定值比較得出偏差作為控制器的輸入，信號(hào)的準(zhǔn)確程度直接影響系統(tǒng)的控制效果，該廠設(shè)置3臺(tái)冗余的液位變送器，3個(gè)液位信號(hào)經(jīng)3取中值算法處理后，參與正常水位和高水位的調(diào)節(jié)，3取中值算法的應(yīng)用使得在任1臺(tái)液位變送器故障時(shí)，系統(tǒng)能夠根據(jù)剩余無(wú)故障變送器的輸出信號(hào)正常運(yùn)行，提高系統(tǒng)可靠性。

輸入熱工保護(hù)系統(tǒng)的接點(diǎn)信號(hào)應(yīng)是無(wú)源干接點(diǎn)，一般應(yīng)直接取自現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)關(guān)量?jī)x表或運(yùn)行設(shè)備的終端節(jié)點(diǎn)。應(yīng)盡量避免用二次信號(hào)或多級(jí)處理信號(hào)作為保護(hù)信號(hào)，以確保信號(hào)的可靠性和信號(hào)速度。熱工保護(hù)強(qiáng)調(diào)可靠性和靈敏性，不允許誤動(dòng)和拒動(dòng)的出現(xiàn)，系統(tǒng)內(nèi)單一部分的故障不應(yīng)引起保護(hù)的誤動(dòng)和拒動(dòng)。加熱器水位保護(hù)是獨(dú)立于調(diào)節(jié)回路的控制方法，需設(shè)置單獨(dú)的3個(gè)高3值液位開(kāi)關(guān)，通過(guò)開(kāi)關(guān)量3取2算法獲得系統(tǒng)高可靠性，以滿足熱工保護(hù)可靠性的要求。

2 控制器配置和控制策略

2.1 調(diào)節(jié)回路獨(dú)立

正常水位控制和高水位控制設(shè)置2個(gè)獨(dú)立的控制器，并搭建2個(gè)獨(dú)立的調(diào)節(jié)回路，2個(gè)調(diào)節(jié)回路的調(diào)節(jié)范圍無(wú)交叉，避免調(diào)節(jié)回路間的耦合帶來(lái)調(diào)節(jié)回路控制性能的下降。正常和危急疏水調(diào)節(jié)閥采用2個(gè)獨(dú)立的控制器，與工藝設(shè)置2路獨(dú)立的疏水管道相對(duì)應(yīng)，當(dāng)1路疏水管路發(fā)生故障時(shí)，另1路可有效保證系統(tǒng)的疏水能力，2個(gè)獨(dú)立的控制器可有效分散事故風(fēng)險(xiǎn)，當(dāng)其中1個(gè)控制器發(fā)生故障時(shí)，另1個(gè)控制器仍能控制1個(gè)疏水閥以保證系統(tǒng)的控制能力。

2.2 保護(hù)策略獨(dú)立

在加熱器高3水位時(shí)，需隔離加熱器 （抽汽和水側(cè)），并切斷逐級(jí)疏水，其控制方法獨(dú)立于正常和危急疏水的控制。采用獨(dú)立的控制方法可防止單一設(shè)備 （運(yùn)行部件）故障時(shí)導(dǎo)致汽輪機(jī)進(jìn)水。

2.3 控制器配置

3個(gè)液位信號(hào)應(yīng)通過(guò)3個(gè)獨(dú)立的I／O模件引入DCS的冗余處理器，液位信號(hào)進(jìn)入處理器進(jìn)行了取中運(yùn)算，可以有效避免單一故障的產(chǎn)生。

為保證控制系統(tǒng)的可靠性，液位信號(hào)也應(yīng)通過(guò)信號(hào)分配器分成兩路獨(dú)立信號(hào)分別送至2個(gè)控制器。如液位信號(hào)送至其中1個(gè)控制器后再通過(guò)總線方式傳輸至另1個(gè)控制器，則當(dāng)該控制器故障或網(wǎng)絡(luò)故障等情況出現(xiàn)時(shí)，另1臺(tái)控制器無(wú)法得到準(zhǔn)確的液位值，加熱器液位控制無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行。具體配置如圖1所示。

圖1 液位變送器控制系統(tǒng)分配方案

對(duì)于加熱器隔離控制的各個(gè)受控的閥門(mén)，應(yīng)將其控制置于不同的控制器下進(jìn)行，避免當(dāng)1個(gè)控制器故障時(shí)，造成整個(gè)控制的失效。如控制水側(cè)的給水閥或凝水閥的控制器失效時(shí)，控制汽側(cè)的抽汽隔離閥的控制器依然正常動(dòng)作，從而可以有效地進(jìn)行汽側(cè)隔離。

同樣，3個(gè)液位開(kāi)關(guān)應(yīng)通過(guò)3個(gè)獨(dú)立的I／O模件引入DCS的冗余處理器，以避免I／O模件故障造成控制的失效。液位開(kāi)關(guān)信號(hào)也應(yīng)通過(guò)信號(hào)分配器分成N路獨(dú)立信號(hào)分別送至各個(gè)控制器。

3 驅(qū)動(dòng)設(shè)備配置

3.1 故障安全分析

正常和危急疏水調(diào)節(jié)閥選擇氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)作為驅(qū)動(dòng)設(shè)備，為避免保護(hù)動(dòng)作時(shí)失去動(dòng)力源而喪失安全功能，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，閥門(mén)應(yīng)設(shè)計(jì)為向工藝安全的方向動(dòng)作。另外，為防止在發(fā)生一般故障時(shí)2個(gè)閥門(mén)在相同狀態(tài)，確保至少有1路疏水管道可用，2個(gè)閥門(mén)應(yīng)向相反方向動(dòng)作。按照表1進(jìn)行閥門(mén)故障安全分析并確定閥門(mén)類(lèi)別。

表1 閥門(mén)故障安全分析

3.2 時(shí)間要求分析

根據(jù)工藝要求，正常疏水調(diào)節(jié)閥在加熱器低水位時(shí)要求快關(guān)，避免水位繼續(xù)下降導(dǎo)致加熱器干燒損壞，危急疏水調(diào)節(jié)閥在加熱器高3水位時(shí)要求快開(kāi)，避免水位繼續(xù)上升導(dǎo)致發(fā)生汽輪機(jī)進(jìn)水事故。實(shí)現(xiàn)全開(kāi)的方式有將氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的IP定位器置20 mA對(duì)應(yīng)氣量和在氣源管路上配置電磁閥直接通斷氣路2種實(shí)現(xiàn)方式。實(shí)際工程中，未配置快開(kāi)／快關(guān)電磁閥的氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)全量程時(shí)間為20～30 s，配置快開(kāi)／快關(guān)電磁閥的氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)全量程時(shí)間在5 s內(nèi)，后者能滿足工藝時(shí)間要求為選用方案。

3.3 失效模式分析

正常和危急疏水閥主要的失效模式有3種，失氣、失電、失信號(hào)，失氣見(jiàn)3.1節(jié)分析。

失電有失去控制電壓和失去電力2種失效模式。針對(duì)IP定位器和電磁閥2個(gè)部件進(jìn)行分析，主要有以下幾種情況。

a. 氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu) IP定位器失去控制電壓。當(dāng)氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)4～20 mA信號(hào)失去控制電壓時(shí)，IP定位器檢測(cè)到失去信號(hào)來(lái)源后，應(yīng)向系統(tǒng)安全方向動(dòng)作，正常疏水調(diào)節(jié)閥關(guān)閉，危急疏水調(diào)節(jié)閥打開(kāi)。

b.氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)IP定位器失去控制信號(hào)。此種情況與氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)IP定位器失去控制電壓相同。

c. 電磁閥失去控制電壓。d.電磁閥失去電力。

e.電磁閥失去控制信號(hào)。

電磁閥有常帶電電磁閥和不常帶電電磁閥2種配置。下面針對(duì)2種配置，考慮單一故障工況，對(duì)電磁閥3種失效模式下氣路狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比分析，具體如表2所示。

可以看出，為防止在發(fā)生失電時(shí)2個(gè)閥門(mén)在相同狀態(tài)且危急疏水閥能故障打開(kāi)，正常和危急疏水調(diào)節(jié)閥應(yīng)采用常帶電電磁閥，DCS的DO卡件通道配備常閉觸點(diǎn)繼電器，能降低失效模式帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。另外配置1和配置2在失去控制電壓或控制信號(hào)2種失效模式下，若保護(hù)信號(hào)未發(fā)出，均不能執(zhí)行保護(hù)動(dòng)作，可在控制邏輯優(yōu)化中進(jìn)行分析并制定應(yīng)對(duì)2種失效模式下的措施。

表2 電磁閥失效模式分析

4 控制邏輯優(yōu)化

4.1 提高自診斷能力

在邏輯中對(duì)每1個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行質(zhì)量好壞的判斷，一旦測(cè)點(diǎn)發(fā)生故障，應(yīng)在主控室報(bào)警通知操縱員，冗余邏輯根據(jù)剩余無(wú)故障測(cè)點(diǎn)信號(hào)保證控制系統(tǒng)正常運(yùn)行。操縱員根據(jù)測(cè)點(diǎn)故障報(bào)警采取相應(yīng)措施進(jìn)行故障排查，并根據(jù)故障測(cè)點(diǎn)信號(hào)的個(gè)數(shù)決定是否切換至手動(dòng)操作。

4.2 驅(qū)動(dòng)設(shè)備多部件保障

3.3節(jié)主要分析了減少3種失效模式影響的硬件配置措施。電磁閥在失去控制電壓和控制信號(hào)失效模式下，無(wú)法完成危急疏水調(diào)節(jié)閥的快開(kāi)，正常疏水調(diào)節(jié)閥的快關(guān)動(dòng)作。因此當(dāng)加熱器高2水位時(shí)，給危急疏水調(diào)節(jié)閥電磁閥發(fā)送快開(kāi)指令的同時(shí)，發(fā)送100%開(kāi)度信號(hào)給IP定位器，保證這時(shí)電磁閥若失效，仍有1路控制信號(hào)保證危急疏水閥全開(kāi)，保證疏水管路暢通。

4.3 信號(hào)多樣性保障

加熱器水位高3值時(shí)，需要執(zhí)行汽輪機(jī)防進(jìn)水保護(hù)措施，高3值水位信號(hào)準(zhǔn)確無(wú)誤發(fā)出至關(guān)重要。因此除3臺(tái)高3值液位開(kāi)關(guān)信號(hào)進(jìn)行3取2邏輯運(yùn)算得到的開(kāi)關(guān)量信號(hào)外，還將3臺(tái)液位變送器3取中值算法的輸出信號(hào)進(jìn)行高3值閾值計(jì)算，并將2個(gè)開(kāi)關(guān)量信號(hào)進(jìn)行或運(yùn)算，得到的結(jié)果用于保護(hù)控制。該措施保證在液位開(kāi)關(guān)失效時(shí)，仍有1路輸入信號(hào)保證控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)加熱器水位控制的儀表設(shè)置、驅(qū)動(dòng)設(shè)備配置、DCS硬件配置、控制策略幾個(gè)方面進(jìn)行分析，得出各環(huán)節(jié)的可靠性保證措施，從而完成了一套完整的防止各環(huán)節(jié)失效的加熱器水位控制方案，目前已應(yīng)用于在建核電廠，對(duì)于同類(lèi)控制方案的分析研究有借鑒意義。

［1］ 董衛(wèi)國(guó)，徐則明.火電廠給水加熱器的運(yùn)行、維護(hù)和檢修［M］.北京：中國(guó)電力出版社，1997.

［2］ 潘汪杰，黃桂梅，史金鐸.熱工測(cè)量及儀表 ［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2006.

［3］ GB／T 13626—2008，單一故障準(zhǔn)則應(yīng)用于核電廠安全系統(tǒng)［S］.

Research on Reliability Measures of Heater Level Control for Nuclear Power Plant

YANG Jin?feng
（State Nuclear Electric Power Design and Research Institute，Beijing 100095，China）

This paper analyses the control measures to prevent the failure of the water level control and improve the reliability by taking to improve level control of the heater water as the core.Independent regulation，protection control stragegy are presented.Configuation scheme of driving arrangement by analyzing failure safety，time requirements and failure mode are put forword.The guarantee measures for reliability for the DCS hardware configuration and control logic are ready to enter into in?depth discussions which ensure the reliabili?ty of control program.

Heater；Water level；Failure safety；Failure mode

TM623

A

1004-7913（2015）11-0024-03

楊金鳳 （1984—），女，碩士，工程師，從事大型火力發(fā)電廠和核電廠熱工自動(dòng)化設(shè)計(jì)工作。

2015-09-11）