CPR1000核電廠(chǎng)RRA系統(tǒng)等幅震蕩問(wèn)題分析

項(xiàng)洪一　李永洪　李鏘　劉鵬　吳啟烈

摘 要：針對(duì)中國(guó)改進(jìn)型壓水堆某核電站（CPR1000）4號(hào)機(jī)組，RRA（余熱排出系統(tǒng)）系統(tǒng)在裝料后的首次啟動(dòng)中，RRA013VP閥門(mén)上氣缸進(jìn)氣銅管斷裂，控制系統(tǒng)產(chǎn)生等幅震蕩等問(wèn)題。該文從系統(tǒng)設(shè)計(jì)、工藝流程、DCS組態(tài)、閥門(mén)定位器等方面進(jìn)行分析，結(jié)合歷史數(shù)據(jù)，找到問(wèn)題的根源并處理。故障處理后，經(jīng)過(guò)大量的擾動(dòng)試驗(yàn)進(jìn)行再驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果表明，故障已經(jīng)徹底消除，控制系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：余熱排出系統(tǒng) 閥門(mén) 故障 等幅震蕩 擾動(dòng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TM623 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）06（c）-0123-04

余熱排出系統(tǒng)（Residual Heat Removal RRA），作為核電站的重要系統(tǒng)，其主要功能是在正常停堆以及事故緊急停堆時(shí)，用于去除堆芯衰變熱及一回路顯熱（統(tǒng)稱(chēng)為余熱）[1]。作為余熱排出系統(tǒng)的流量調(diào)節(jié)閥，RRA013VP調(diào)節(jié)性能的好壞直接影響余熱的排出，影響到核電站的安全停堆問(wèn)題。

文章針對(duì)某CPR1000核電站4號(hào)機(jī)組RRA系統(tǒng)在裝料后的首次啟動(dòng)過(guò)程中，RRA013VP閥門(mén)產(chǎn)生了上氣缸進(jìn)氣銅管斷裂故障，EP線(xiàn)性度下降輸出量程不夠、定位器輸入壓力小表漏氣、定位器零點(diǎn)漂移、控制系統(tǒng)產(chǎn)生等幅震蕩，即RRA013VP和RRA006MD（余熱排出流量）等幅震蕩等問(wèn)題，從系統(tǒng)設(shè)計(jì)、工藝流程、DCS組態(tài)、閥門(mén)本體等方面進(jìn)行分析，結(jié)合歷史數(shù)據(jù)，找到問(wèn)題的根源并處理。故障處理后經(jīng)過(guò)RRA系統(tǒng)流量設(shè)定值擾動(dòng)（910～1300 m3/h）、泵切換試、閥門(mén)開(kāi)5%、關(guān)10%擾動(dòng)等進(jìn)行再驗(yàn)證，驗(yàn)證控制系統(tǒng)的穩(wěn)定。

1 RRA系統(tǒng)的主要功能介紹

RRA系統(tǒng)的主要功能是在電廠(chǎng)停堆期間，經(jīng)蒸汽發(fā)生器初步冷卻降壓后，從堆芯和反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)（RCP）排出熱量。將反應(yīng)堆冷卻劑的溫度從180 ℃降到60 ℃。在達(dá)到冷停堆工況時(shí)，RRA系統(tǒng)能將反應(yīng)堆冷卻劑溫度維持在冷停堆工況，并可以滿(mǎn)足換料和維修操作所需要的時(shí)間[2]。

在反應(yīng)堆啟動(dòng)和停堆期間，一回路溫度壓力從60 ℃/0.1 MPa·a加熱到180 ℃/2.8 MPa·a和從180 ℃/2.8 MPa·a冷卻到60 ℃/0.1 MPa·a過(guò)程中，RRA系統(tǒng)投入運(yùn)行，控制升溫和降溫速率小于28 ℃/h[3]。熱交換器出口溫度由閥門(mén)RRA024/025手動(dòng)控制，閥門(mén)RRA013VP保證系統(tǒng)流量穩(wěn)定在設(shè)定值。其與一回路鏈接的系統(tǒng)圖（見(jiàn)圖1）。

2 閥門(mén)等幅震蕩問(wèn)題描述

某核電廠(chǎng)RRA系統(tǒng)在首次裝料后的投運(yùn)期間，由于一回路系統(tǒng)內(nèi)含氣量高，導(dǎo)致RRA系統(tǒng)管線(xiàn)震動(dòng)大，從而使RRA013VP閥門(mén)定位器至上氣缸連接的銅管斷裂。為處理銅管斷裂問(wèn)題，現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)手輪將閥位卡死，在線(xiàn)對(duì)斷裂銅管進(jìn)行更換。更換斷裂銅管后，在小范圍開(kāi)度下對(duì)閥門(mén)進(jìn)行操作性檢查，確認(rèn)閥門(mén)動(dòng)作無(wú)異常后將閥門(mén)恢復(fù)自動(dòng)調(diào)節(jié)。此時(shí)流量與閥門(mén)出現(xiàn)等幅振蕩，持續(xù)約半小時(shí)等幅震蕩仍未消除。將RRA013VP切手動(dòng)控制，手動(dòng)將RRA006MD流量調(diào)節(jié)穩(wěn)定后，再投自動(dòng)控制，流量與閥門(mén)的等幅震蕩消失，閥門(mén)調(diào)節(jié)正常。

3 問(wèn)題分析

為了找出產(chǎn)生等幅震蕩的原因，各個(gè)專(zhuān)業(yè)分別從控制邏輯的設(shè)計(jì)、DCS組態(tài)實(shí)現(xiàn)和RRA013VP閥門(mén)響應(yīng)時(shí)間、RRA泵出力情況、閥門(mén)在低流量下調(diào)節(jié)性能不佳、系統(tǒng)壓力較低時(shí)閥門(mén)變化對(duì)流量影響較大等方面進(jìn)行分析。

3.1 控制邏輯設(shè)計(jì)檢查

RRA013VP采用純積分控制，積分時(shí)間是7.5 s。設(shè)計(jì)的控制邏輯圖（見(jiàn)圖2）。RRA006MD作為測(cè)量值送到PID控制器RRA401RG中，RRA401RG的設(shè)定值是固定的1 800 m3/h或者KIC上RRA407KU的手動(dòng)輸入值。PID計(jì)算出的閥位指令送到RRA013VP進(jìn)行控制。

檢查結(jié)論：控制邏輯設(shè)計(jì)正確。

3.2 DCS控制組態(tài)檢查

在進(jìn)行DCS組態(tài)檢查前，先進(jìn)行PID算法的理論分析，根據(jù)理論分析結(jié)果，驗(yàn)證DCS控制系統(tǒng)內(nèi)的組態(tài)是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

理想的PID調(diào)節(jié)器的動(dòng)態(tài)方程：。

對(duì)應(yīng)傳遞函數(shù)：。

RRA設(shè)計(jì)為純積分控制，其動(dòng)態(tài)方程：。

安全級(jí)使用的是三菱DCS控制系統(tǒng)、MELENS控制軟件，其CPU的掃描周期是100 ms，按照設(shè)定值和測(cè)量值的偏差為2 000 m3/h（量程的100%）進(jìn)行計(jì)算，積分時(shí)間是7.5 s，即7.5 s的時(shí)間閥門(mén)開(kāi)度由0%開(kāi)到100%。每個(gè)掃描周期的輸出：===。

根據(jù)DCS控制系統(tǒng)內(nèi)的組態(tài)（見(jiàn)圖3），計(jì)算求和模塊的兩路系數(shù)，根據(jù)每個(gè)掃描周期輸出相等列式：。DCS的組態(tài)中的參數(shù)設(shè)置為1/3000（0.00033333）是正確的。S1051XR是流量設(shè)定值，設(shè)定為2000，S1050XA是RRA006MD流量信號(hào)，經(jīng)過(guò)差值計(jì)算模塊S1050G作差后，分兩路信號(hào)乘以系數(shù)1/3000（0.00033333）后，送到求和模塊YRRA401RG1進(jìn)行求和，輸出的信號(hào)是每個(gè)掃描周期根據(jù)偏差的計(jì)算值，經(jīng)過(guò)高、低選模塊（YRRA401RG8、YRRA401RG10）進(jìn)行限幅后，送到加法模塊YRRA401RG11進(jìn)行計(jì)算，加法模塊YRRA401RG11起的作用相當(dāng)于增量式PID控制，即在前一個(gè)掃描周期CPU計(jì)算的輸出基礎(chǔ)上，加上該掃描周期CPU的計(jì)算輸出，作為當(dāng)前的閥位指令輸出。

檢查結(jié)論：DCS控制組態(tài)正確，正確實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)功能。

3.3 閥門(mén)響應(yīng)時(shí)間分析

圖4中，RRA013VPC是閥門(mén)開(kāi)度指令信號(hào)，RRA006MD是流量測(cè)量值。根據(jù)數(shù)據(jù)趨勢(shì)分析，當(dāng)閥門(mén)開(kāi)度指令由t1時(shí)刻的73%關(guān)到t2時(shí)刻的65%時(shí)，流量信號(hào)由t1時(shí)刻的960 m3/h變化到t2時(shí)刻的970 m3/h，流量信號(hào)從t2時(shí)刻開(kāi)始下降，經(jīng)過(guò)90 s的時(shí)間才降到最低點(diǎn)910 m3/h。t2-t1=92 s即從閥門(mén)開(kāi)度指令開(kāi)始關(guān)小開(kāi)始，到流量開(kāi)始下降的時(shí)間為92 s！而92 s基本上是半個(gè)震蕩周期的時(shí)間，響應(yīng)時(shí)間異常導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)等幅震蕩。RRA013VP是核級(jí)閥門(mén)，安裝在核島內(nèi)，只有指令信號(hào)沒(méi)有反饋信號(hào)，所以圖4中的閥門(mén)開(kāi)度信號(hào)只是閥門(mén)的開(kāi)度指令，而非真實(shí)的閥門(mén)開(kāi)度。流量變送器RRA006MD根據(jù)其他機(jī)組的數(shù)據(jù)分析，流量對(duì)于閥門(mén)開(kāi)度指令的響應(yīng)時(shí)間最長(zhǎng)為10 s，而這里居然是92 s，所以由此推斷出是閥門(mén)響應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致等幅震蕩。endprint

分析結(jié)論：閥門(mén)響應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致等幅震蕩。需要就地檢查閥門(mén)響應(yīng)慢的原因，并重新進(jìn)行閥門(mén)整定。

3.4 閥門(mén)故障分析

到就地檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)RRA系統(tǒng)管線(xiàn)異常振動(dòng)大，綜合一回路系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行分析，找出RRA系統(tǒng)管線(xiàn)振動(dòng)大的原因是由于一回路內(nèi)含氣量高導(dǎo)致。系統(tǒng)管線(xiàn)振動(dòng)大導(dǎo)致RRA013VP閥門(mén)定位器至上氣缸連接的銅管斷裂。當(dāng)一回路排氣后，RRA系統(tǒng)管線(xiàn)異常振動(dòng)消失。

更換新銅管后，將RRA013VP切自動(dòng)控制，流量和閥門(mén)出現(xiàn)等幅振蕩（分析見(jiàn)4.3節(jié)）。通過(guò)FlowScanner校驗(yàn)儀對(duì)閥門(mén)進(jìn)行校驗(yàn)發(fā)現(xiàn)EP（電信號(hào)-壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換器）故障，并且定位器輸入壓力小表漏氣。

分析結(jié)論：一回路含氣量大導(dǎo)致RRA系統(tǒng)管線(xiàn)振動(dòng)，從而使定位器至上氣缸銅管斷裂、EP故障、定位器輸入壓力小表漏氣。

此外還對(duì)RRA泵出力情況、閥門(mén)在低流量下調(diào)節(jié)性能不佳、系統(tǒng)壓力較低時(shí)閥門(mén)變化對(duì)流量影響較大等因素進(jìn)行分析，但都逐一排除。

4 閥門(mén)故障處理及再驗(yàn)證

4.1 閥門(mén)故障處理

在更換定位器至上氣缸的斷裂銅管后，將閥門(mén)切到手動(dòng)控制，手動(dòng)給71%的固定開(kāi)度，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)閥門(mén)閥位進(jìn)行觀(guān)察，持續(xù)觀(guān)察約10 min，就地閥位未動(dòng)作，因此可確定閥門(mén)氣缸不存在漏氣情況。

校驗(yàn)前繪制FlowScanner曲線(xiàn)，根據(jù)曲線(xiàn)結(jié)果對(duì)比熱試前曲線(xiàn)情況看出，EP線(xiàn)性不好，輸出量程不夠，為0.2～0.88 bar，低于0.2～1 bar要求（見(jiàn)圖5）。并且定位器上下氣缸壓力建立不起來(lái)，最大氣壓1.35 bar，閥門(mén)在全開(kāi)、全關(guān)位置時(shí)氣缸達(dá)不到最大壓力4.0 bar。根據(jù)繪制出的閥門(mén)特性曲線(xiàn)看出，閥門(mén)死區(qū)增大，在近8.0 mA電流信號(hào)時(shí)，閥門(mén)才會(huì)動(dòng)作（見(jiàn)圖6）。熱試前閥門(mén)正常時(shí)的死區(qū)為5.4 mA。對(duì)EP進(jìn)行調(diào)整后，繪制FlowScanner曲線(xiàn)，分析出EP量程已經(jīng)滿(mǎn)足要求，但EP線(xiàn)性仍舊存在問(wèn)題，在4～6 mA區(qū)間電流信號(hào)存在，但定位器無(wú)輸入壓力，判斷EP需要更換。

更換EP備件后，繪制FlowScanner曲線(xiàn)，根據(jù)EP特性曲線(xiàn)以及閥門(mén)上下氣缸氣壓特性變化情況看出，電流信號(hào)在7～9.5 mA區(qū)間，定位器輸入壓力增長(zhǎng)變緩慢，閥門(mén)上下氣缸氣壓較之前有所改善，最大壓力已達(dá)2.25 bar，但仍無(wú)法達(dá)到最大供氣壓力4.0 bar。經(jīng)過(guò)進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)，定位器輸入壓力小表存在漏氣情況，將漏氣處理完畢后，調(diào)整EP、定位器零點(diǎn)量程合格，繪制曲線(xiàn)看出閥門(mén)特性以及EP、定位器性能良好，閥門(mén)故障消除（見(jiàn)圖7、圖8）。

4.2 閥門(mén)故障處理后再驗(yàn)證

RRA013VP閥門(mén)故障處理完后，分別進(jìn)行流量設(shè)定值擾動(dòng)（910～1 300 m3/h）、泵切換試驗(yàn)、閥門(mén)開(kāi)5%、關(guān)10%擾動(dòng)等試驗(yàn)進(jìn)行再驗(yàn)證，閥門(mén)正常響應(yīng)，系統(tǒng)控制穩(wěn)定，未再次出現(xiàn)震蕩。試驗(yàn)期間再驗(yàn)證曲線(xiàn)（見(jiàn)圖9）。流量設(shè)定值擾動(dòng)試驗(yàn)過(guò)程中，流量設(shè)定值由910 m3/h增加到1 300 m3/h，閥門(mén)的開(kāi)度由41%開(kāi)到64%，響應(yīng)及時(shí)控制穩(wěn)定。在流量達(dá)到1 300 m3/h平臺(tái)穩(wěn)定后，進(jìn)行了RRA001PO（余熱排出系統(tǒng)1號(hào)泵）和RRA002PO（余熱排出系統(tǒng)2號(hào)泵）的切泵試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程是先啟動(dòng)RRA002PO，使RRA001PO/RRA002PO雙泵運(yùn)行，再停運(yùn)RRA001PO保持RRA002PO運(yùn)行，在切泵過(guò)程中流量最高值1 572 m3/h，閥門(mén)開(kāi)度最小值48%，控制系統(tǒng)穩(wěn)定。待RRA002PO運(yùn)行穩(wěn)定后，在流量為910 m3/h和950 m3/h兩個(gè)平臺(tái)分別進(jìn)行，閥門(mén)手動(dòng)開(kāi)5%，關(guān)10%擾動(dòng)試驗(yàn)，控制系統(tǒng)很快進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。

此次再驗(yàn)證，包含了RRA系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中的最差工況，在最差工況擾動(dòng)下RRA系統(tǒng)控制穩(wěn)定，其他穩(wěn)態(tài)工況，RRA系統(tǒng)也運(yùn)行穩(wěn)定。

5 結(jié)語(yǔ)

由于一回路系統(tǒng)內(nèi)含氣量高，RRA系統(tǒng)管線(xiàn)震動(dòng)大，從而導(dǎo)致RRA013VP閥門(mén)定位器至上氣缸連接的銅管斷裂、EP線(xiàn)性度下降輸出量程不夠、定位器輸入壓力小表漏氣、定位器零點(diǎn)漂移等問(wèn)題，是造成RRA013VP產(chǎn)生等幅震蕩的根本原因。在更換EP、處理好定位器輸入小表漏氣，并重新整定定位器后，故障消除，RRA系統(tǒng)恢復(fù)正?？刂?。

參考文獻(xiàn)

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