核電廠電動主給水泵系統(tǒng)轉(zhuǎn)速異常波動淺析

孫明遠(yuǎn)，韓雙

(中廣核核電運(yùn)營有限公司，廣東深圳518124)

1 APA系統(tǒng)功能簡介

1.1 功能

核電站電動主給水泵為離心泵[]，利用離心力工作，將能量傳遞給二回路給水，提供其動能及勢能，構(gòu)成二回路循環(huán)。

系統(tǒng)的主要功能包含兩方面：

①將給水從除氧器中吸出，升溫升壓后通過高壓加熱系統(tǒng)送SG，在SG內(nèi)完成一二回路間的換熱，導(dǎo)出堆芯熱量。

②在整個功率量程范圍內(nèi)響應(yīng)系統(tǒng)的調(diào)速需求，消除單臺蒸發(fā)器液位調(diào)節(jié)對其他蒸發(fā)器造成的耦合影響。

調(diào)速性能是APA系統(tǒng)的核心關(guān)注，它直接影響蒸汽發(fā)生器（SG）水位控制的穩(wěn)定性，當(dāng)APA系統(tǒng)調(diào)速發(fā)生異常時，SG的液位受其影響也將發(fā)生波動，一旦出現(xiàn)蒸發(fā)器液位超過/低于特定閾值將引起反應(yīng)堆跳堆。

1.2 APA調(diào)速系統(tǒng)的組成

APA轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)主要通過5個重要部分實(shí)現(xiàn)：勺管、主渦輪、次級渦輪，勺管位置控制單元，調(diào)速PLC，其功能如下：（圖1）

①勺管：實(shí)現(xiàn)主次級渦輪的工作油環(huán)厚度調(diào)節(jié)。②主渦輪：輸出電動機(jī)動能。③次級渦輪：通過工作油接收電動機(jī)動能，并輸出到壓力級泵。④勺管位置控制單元：接收調(diào)速PLC生成的勺管定值信號。⑤調(diào)速PLC：接收系統(tǒng)轉(zhuǎn)速定值，經(jīng)偏差運(yùn)算后生成勺管定值。

圖1 APA系統(tǒng)調(diào)速環(huán)節(jié)簡圖

1.3 調(diào)速原理

1.3.1 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)的幾個重要參數(shù)

①汽水差壓整定值。主蒸汽流量表征實(shí)時汽機(jī)功率水平，主蒸汽流量表測得的實(shí)時主蒸汽流量經(jīng)GD函數(shù)換算后生成汽水差壓整定值。

②汽水差壓實(shí)測值。汽水差壓由主給水流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)(ARE)的差壓傳感器測得，取樣點(diǎn)分別位于主蒸汽母管與主給水母管，差壓值作為轉(zhuǎn)速設(shè)定值生成控制器的負(fù)反饋環(huán)節(jié)。

③轉(zhuǎn)速定值。汽水差整定值是隨功率變化的擬合曲線,它與汽水差壓實(shí)測值做偏差運(yùn)算，經(jīng)轉(zhuǎn)速設(shè)定值生成控制器處理后生成APA轉(zhuǎn)速定值。

④轉(zhuǎn)速實(shí)測值。APA系統(tǒng)轉(zhuǎn)速探頭安裝在液力耦合器輸出軸上端，采集測速齒輪轉(zhuǎn)速，經(jīng)就地頻率電流（F/I）轉(zhuǎn)換模塊處理后生成4-20mA標(biāo)準(zhǔn)信號，傳輸至調(diào)速PLC（SLC-500）的模擬量輸入模塊，作為轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制的負(fù)反饋環(huán)節(jié)。

⑤勺管位置定值。轉(zhuǎn)速設(shè)定值與轉(zhuǎn)速實(shí)測值做偏差運(yùn)算，經(jīng)調(diào)速PLC處理后生成勺管位置定值。

⑥勺管位置實(shí)測值。BALLUFF傳感器作為液力耦合器勺管的位置測量單元，實(shí)時采集勺管位置，并將勺管位置處理后生成標(biāo)準(zhǔn)信號，送至勺管位置控制單元（VEHS）,作為控制單元的負(fù)反饋，參與控制變量的計(jì)算。

1.3.2 調(diào)節(jié)過程

主渦輪通過變速齒輪與APA電動機(jī)主軸機(jī)械連接，其動力通過兩級渦輪間高速旋轉(zhuǎn)的油環(huán)傳遞到次級渦輪，次級渦輪與APA壓力級泵主軸機(jī)械連接，當(dāng)兩級渦輪內(nèi)的油環(huán)厚度發(fā)生變化時，由主渦輪傳遞到次級渦輪的動能將發(fā)生變化,從而輸出到壓力級泵的轉(zhuǎn)速將發(fā)生變化，勺管正是用來調(diào)節(jié)兩級渦輪間油環(huán)厚度來控制輸出轉(zhuǎn)速的。

2 轉(zhuǎn)速波動的幾種故障模式

調(diào)節(jié)系統(tǒng)的特性決定了其控制對象不可能永遠(yuǎn)穩(wěn)定在某一恒定水平，對于轉(zhuǎn)速控制而言波動是正?，F(xiàn)象，但這種波動應(yīng)呈現(xiàn)規(guī)律且可控，其波幅及頻率應(yīng)不對機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行造成負(fù)面影響，一旦控制對象的波動呈現(xiàn)不可控狀態(tài)，那么必須分析其成因，及時采取必要措施，下面列出幾種可能情況：

波動產(chǎn)生的可能原因：

可能原因1：主蒸汽流量表故障，主蒸汽流量表故障后其生成的汽水差壓整定值將產(chǎn)生偏差，進(jìn)而使得APA轉(zhuǎn)速定值出現(xiàn)波動，導(dǎo)致APA泵速度波動。

可能原因2：汽水差壓傳感器異常，為轉(zhuǎn)速定值生成控制器的負(fù)反饋環(huán)節(jié)，原理同上。

可能原因3：BALLUFF傳感器故障，BALLUFF傳感器作為末級控制器(VEHS)的負(fù)反饋環(huán)節(jié)，參與勺管控位置控制。

可能原因4：轉(zhuǎn)速手/自動控制切換的瞬間，未能實(shí)現(xiàn)無擾切換，勺管定值擬合曲線在該切換點(diǎn)上的擬合值與實(shí)際勺管位置不一致，手動控制時自動輸出跟蹤實(shí)際勺管位置，切自動瞬間兩者之間的偏差引發(fā)轉(zhuǎn)速波動。

可能原因5：“轉(zhuǎn)速-勺管位置”曲線不平滑，個別區(qū)段曲線斜率較大，即，△v/△s（△v：轉(zhuǎn)速增量；△s：勺管增量）過大，使得勺管控制在此區(qū)段抗干擾性能變差,微小擾動引入后控制過于靈敏出現(xiàn)震蕩。

3 實(shí)際案列

轉(zhuǎn)速控制在手動狀態(tài)時，每次點(diǎn)擊升降速按鈕，勺管上升或者下降3.3%，相應(yīng)的，兩級渦輪內(nèi)油環(huán)徑向厚度也將變化3.3%，但其油耦合的傳動方式以及渦輪的物理結(jié)構(gòu)決定了對應(yīng)3.3%的油環(huán)厚度變化其在不同工作點(diǎn)上所帶來的轉(zhuǎn)速變化不可能是恒定值，它的大小受制于主次級渦輪在不同轉(zhuǎn)速點(diǎn)的傳動效率、所帶負(fù)荷以及其他機(jī)械方面的因素。

異常1：

案列中涉及的APA泵，當(dāng)勺管在0-100%之間變化時，對應(yīng)轉(zhuǎn)速變化范圍0-6000rpm，因此3.3%的勺管位置階躍理論上將引起198rpm的轉(zhuǎn)速階躍，從歷次啟泵的經(jīng)驗(yàn)來看其轉(zhuǎn)速階躍值大致在150-300rpm范圍內(nèi)。

本次啟動APA泵時，從670rpm到3700rpm之間的每次點(diǎn)動升速操作其所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速變化量也基本落在了150-300rpm之間（個別點(diǎn)稍有偏離），但在進(jìn)行最后一步操作時，轉(zhuǎn)速直接由3710升到4290rpm左右，其階躍580rpm，因與預(yù)期不一致，故操縱員嘗試將轉(zhuǎn)速降到前一級平臺（3700rpm）重新升速，第二次階躍是590rpm左右，依舊遠(yuǎn)超預(yù)期，兩次在3700rpm平臺的點(diǎn)動升速操作其所對應(yīng)的勺管變化均在3.3%左右，與理論值基本一致，但輸出的轉(zhuǎn)速階躍均較前一級大為增加，故懷疑在此調(diào)速區(qū)間，轉(zhuǎn)速相對于勺管的靈敏度過高。

異常2：

APA泵轉(zhuǎn)速控制切自動后不久便現(xiàn)了轉(zhuǎn)速波動現(xiàn)象，波幅110rpm左右，波動每次出現(xiàn)持續(xù)一段時間，自發(fā)消失，切手動后轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。

波動的可能原因:

①轉(zhuǎn)速設(shè)定值波動，可能性?。涸勹b定期間定值為內(nèi)部給定值，由操作員手動給出，不隨汽水差壓變化。

②設(shè)定值回路卡件異常，可能性?。浩洳▌舆^程呈規(guī)律變化，間斷性消失，且機(jī)組檢修期間設(shè)定值通道校驗(yàn)未發(fā)現(xiàn)異常波動。

③特殊區(qū)間內(nèi)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的靈敏度過高，可能性大：存在轉(zhuǎn)速切換點(diǎn)附近APA轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)靈敏度過高的可能性,此時即使系統(tǒng)內(nèi)引入的是瞬時擾動也會引發(fā)持續(xù)的轉(zhuǎn)速震蕩,舉例說明如下：當(dāng)瞬時擾動或者系統(tǒng)偶發(fā)的較大轉(zhuǎn)速波動出現(xiàn)后，如在較穩(wěn)定的調(diào)速區(qū)間內(nèi)，則該波動在自動系統(tǒng)的調(diào)節(jié)下會呈現(xiàn)一過性特征，但在調(diào)速靈敏度很高的區(qū)間則勺管為了“糾偏”而產(chǎn)生的每一步調(diào)節(jié)其對應(yīng)的轉(zhuǎn)速變化都要比預(yù)期大很多，系統(tǒng)這時就會不斷的出現(xiàn)“糾偏-超調(diào)-糾偏...”的現(xiàn)象，同時因?yàn)檗D(zhuǎn)速調(diào)節(jié)與勺管調(diào)節(jié)存在微小的非同步現(xiàn)象（且勺管響應(yīng)略微滯后），所以當(dāng)某一瞬間轉(zhuǎn)速與勺管恰好波動到預(yù)期位置，則系統(tǒng)復(fù)歸穩(wěn)定狀態(tài)，而后續(xù)再有擾動引入時，波動重復(fù)出現(xiàn)。其它泵組再鑒定期間的轉(zhuǎn)速曲線顯示其全程無轉(zhuǎn)速波動，3700rpm以上平臺升速無異常階躍（階躍在：320rpm左右），可以反證上述分析。