福清核電主給水泵轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)單點失效分析與改進

鄭孝珠 陳湛楊

福建福清核電有限公司 福建福清 350300

主給水流量控制系統(tǒng)是核電站中的重要控制系統(tǒng)之一，其控制性能直接影響著蒸發(fā)器液位的穩(wěn)定。在主給水流量控制系統(tǒng)中，若主給水泵轉(zhuǎn)速波動將直接影響蒸發(fā)器液位控制。主給水泵轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)作為核電站中最重要的SPV（指單個設(shè)備故障即可導(dǎo)致電站停堆、停機、降功率、功率大幅度波動的設(shè)備）設(shè)備之一，是維持蒸發(fā)器液位穩(wěn)定的核心。

在福清核電運行的機組中，曾經(jīng)多次由于主給水泵轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的調(diào)速裝置誤動導(dǎo)致蒸發(fā)器液位波動，同行電廠中也出現(xiàn)過類似情況。針對該問題，文章通過分析，提出一些主給水泵轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)優(yōu)化改進建議。

1 主給水泵轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)原理介紹

福清核電的主給水泵轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)使用的調(diào)速裝置是福伊特公司生產(chǎn)的R17K450M型液力耦合器（以下簡稱液耦），液耦基于費丁格爾原理設(shè)計，將驅(qū)動電機產(chǎn)生的機械能通過泵輪轉(zhuǎn)化成工作油的動能，渦輪再將工作油的動能轉(zhuǎn)變成機械能。耦合器旋轉(zhuǎn)時，工作油在工作腔內(nèi)形成油環(huán)，通過改變勺管的位置來控制油環(huán)厚度，改變耦合效應(yīng)，從而達到控制渦輪轉(zhuǎn)速的目的[1]。

液耦中有一套獨特的轉(zhuǎn)速控制裝置，叫做VEHS（福伊特電液執(zhí)行器），它實現(xiàn)了對主給水泵轉(zhuǎn)速的精準(zhǔn)控制。VEHS通過比較勺管的實際位置與設(shè)定值，計算出偏差量，輸出信號改變?nèi)凰耐ㄩy的位置，調(diào)節(jié)勺管液壓缸內(nèi)的差壓，進而改變勺管位置[2]。

液耦的轉(zhuǎn)速控制PLC由一個自動控制器（以下簡稱SLC500）和一個手動控制器(以下簡稱S7-200)組成的。SLC500將從DCS接收的轉(zhuǎn)速設(shè)定值信號與實際轉(zhuǎn)速值信號相比較后，經(jīng)過PID運算轉(zhuǎn)化為液耦勺管位置設(shè)定值并發(fā)送給VEHS，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的自動調(diào)節(jié)；S7-200接收主控發(fā)出的升速/降速脈沖，直接驅(qū)動勺管上升或下降，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的手動調(diào)節(jié)。

2 主給水泵轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)單點失效案例分析

2017年9月9日，福清核電4號機組在執(zhí)行切泵操作時，將4APA302PO置手動后，其轉(zhuǎn)速由4126rpm快速降至613rpm，導(dǎo)致蒸發(fā)器液位波動，與預(yù)期不符。儀控人員檢查發(fā)現(xiàn)勺管位置反饋信號的隔離分配卡件輸出至S7-200的信號回路電流偏低,具體實測數(shù)據(jù)可見下表1。

本次勺管下插的原因為勺管位反信號隔離分配卡件性能下降，其輸出到手動控制PLC的位反信號偏低，并且不穩(wěn)定。泵由自動切到手動控制時，由于輸出到手動控制PLC的位反信號偶發(fā)丟失，導(dǎo)致勺管下插到最小位置。根據(jù)現(xiàn)場測試我們發(fā)現(xiàn)在主給水泵正常運行時，出現(xiàn)以下幾種故障可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)異常：

DCS的轉(zhuǎn)速設(shè)定值信號丟失：轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)由自動切為手動；

PLC控制電源掉電：勺管下插到最小位置；

手自動PLC全故障：勺管下插到最小位置；

PLC輸出指令斷線：勺管下插到最小位置；

VEHS反饋信號斷線：勺管下插到最小位置；

勺管的位置反饋傳感器信號失效：勺管下插到最小位置；

主給水泵轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)作為核電站中的重要SPV設(shè)備之一，如果其單點失效將導(dǎo)致勺管誤動，導(dǎo)致蒸發(fā)器液位波動。當(dāng)勺管誤動時，極可能由于干預(yù)不及時導(dǎo)致蒸發(fā)器液位大幅波動，嚴重時甚至停堆。在福清核電機組調(diào)試運行這幾年中，曾出現(xiàn)過多次由于控制柜內(nèi)接線端子虛接或控制卡件失效，導(dǎo)致液耦調(diào)速裝置故障。

2015年5月7日，一號機組處于功率運行，1APA202PO突然由自動控制切為手動控制，就地控制柜出現(xiàn)“Wire break at ADC Ch2：Scoop tube position”(勺管位反斷線故障 )報警，經(jīng)過檢查發(fā)現(xiàn)是由于勺管位反信號的端子虛接。

2016年7月19日，3APA302PO轉(zhuǎn)速從4085rpm突然降至620rpm，持續(xù)一分鐘后恢復(fù)至4085rpm。經(jīng)過檢查發(fā)現(xiàn)，勺管位反的供電端子虛接，短時失去供電導(dǎo)致勺管下插至0%。

2017年9月9日，由于勺管位反信號隔離分配卡件性能下降，輸出到手動控制PLC的位反信號偶發(fā)丟失，4APA302PO切手動后轉(zhuǎn)速由4126rpm快速降低至613rpm，勺管下插到0%。

表1 勺管位反信號隔離分配卡件輸入輸出實測數(shù)據(jù)表

綜合各案例可知，主給水泵轉(zhuǎn)速控制失效基本都是由于信號丟失導(dǎo)致勺管誤動。如果信號丟失時能及時觸發(fā)報警，并阻止勺管動作，則能防止主給水泵轉(zhuǎn)速及蒸發(fā)器液位大幅波動，同時也給操縱員提供足夠的干預(yù)時間，防止事態(tài)進一步惡化。

3 主給水泵轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)單點失效改進

3.1 主給水泵轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)中增加保位閥

根據(jù)勺管動作原理可知，通過改變?nèi)凰耐ㄩy的位置，調(diào)節(jié)勺管液壓缸內(nèi)的差壓，使得勺管動作。在勺管液壓缸的管路中加裝一個保位電磁閥，當(dāng)出現(xiàn)液耦調(diào)速裝置故障時，保位電磁閥失電關(guān)閉，切斷勺管液壓缸管路，使液壓缸內(nèi)的液壓油與外部供油管路隔斷，從而確保勺管液壓缸的兩側(cè)壓力不變，實現(xiàn)保位功能（見圖1）。

圖1 液耦增加保位閥改造原理圖

根據(jù)上述分析，液耦增加保位閥需要實現(xiàn)當(dāng)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)異常時，保位電磁閥失電關(guān)，切斷勺管液壓缸油路，達到保位功能。實施本改造主要分為硬件改造和軟件改造兩部分。

（1）硬件改造部分。硬件改造主要包括機柜內(nèi)的改造和現(xiàn)場更換三位四通閥模塊。本次機柜改造主要為新增勺管的位反隔離模塊、控制保位電磁閥的繼電器及將RESET復(fù)位功能、保位閥動作的報警送至主控。

勺管的位反隔離模塊將勺管的位置反饋一分為二，送往SLC500和S7-200參與保位閥控制。當(dāng)勺管的位反斷線或故障時，保位閥失電關(guān)；另一路送往勺管PID計算模塊參與勺管控制?？蓪⒁宦飞坠芪环葱盘栔苯咏尤隨LC500控制器的模擬量輸入卡件的備用通道，另一路勺管位反信號接入S7-200控制器的備用通道。SLC500及S7-200上都預(yù)留了備用數(shù)字量輸出通道，可直接將PLC計算結(jié)果輸出至保位電磁閥繼電器，驅(qū)動保位電磁閥動作。

機柜下部需要新增端子排，安裝新增的保位繼電器及送往DCS的信號。。繼電器供電可直接由手自動兩PLC并聯(lián)供電，并將手自動PLC輸出的兩個保位電磁閥動作信號以并聯(lián)的方式控制保位電磁閥，當(dāng)失去供電及手自動PLC模塊都輸出0時，繼電器失電，保位電磁閥關(guān)閉。并在AGM就地控制柜與DCS機柜間新增一條電纜將保位電磁閥動作反饋至KIC。為了能使主控在故障解決后復(fù)位保位閥的狀態(tài)，還需要新增復(fù)位保位閥狀態(tài)的RESET按鈕，使操縱員能在主控復(fù)位故障。

（2）軟件改造部分。軟件改造主要包括SLC500/S7-200的程序修改及DCS內(nèi)新增模塊，增加保位電磁閥動作和RESET復(fù)位按鈕的邏輯（見圖二）?？刂票Ｎ浑姶砰y的繼電器由PLC供電，當(dāng)PLC失電時，保位電磁閥失電關(guān)。當(dāng)程序判定出現(xiàn)PLC故障或輸出指令斷線時，保位電磁閥失電關(guān)。對于VEHS里勺管位反斷線或故障的判定，我們可以增加一個對VEHS送PLC的信號判定，當(dāng)PLC接收到的電流小于3mA時，判斷VEHS的位反信號斷線或故障；同理對于勺管位反輸出的信號也做一個判斷，PLC接收到小于3mA的信號時，則認為勺管位反斷線或故障。只要有任一故障信號存在，保位電磁閥失電關(guān)閉。當(dāng)在DCS或就地控制柜上點擊RESET按鈕后，程序?qū)Ξ?dāng)前條件進行判斷，若故障消除后，復(fù)位故障并使得電磁閥得電。在DCS內(nèi)新增一個CIN塊作為保位閥開關(guān)的反饋，新增一個COUT塊，作為RESET按鈕的輸出。

圖2 觸發(fā)保位電磁閥動作及復(fù)位邏輯

（3）保位閥改造的風(fēng)險控制及應(yīng)用效果。主給水泵轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)增加保位閥改造的風(fēng)險主要來源于兩方面，一方面是改造中新增設(shè)備故障引入的額外風(fēng)險，另一方面是保位閥動作后解保位時的風(fēng)險。

本次改造主要分為軟件改造和硬件改造，在軟件改造中新增保位繼電器動作的相關(guān)邏輯，需要對軟件邏輯進行驗證，主要包括故障報警功能驗證、PLC控制功能測試、保位信號觸發(fā)后保位模式功能驗證及動作時間測試等。在硬件改造中新增了一些繼電器等設(shè)備，需要對硬件安裝、設(shè)備端接的完整性、設(shè)備供電電源進行檢查，然后對控制柜上電進行電源冗余測試及通道測試。

根據(jù)信號傳輸過程可知，勺管位反斷線故障信號經(jīng)過PLC判斷后，由PLC輸出保位閥動作指令這條回路最長。根據(jù)同行電廠調(diào)研可知，當(dāng)發(fā)生勺管位反斷線故障時到保位閥關(guān)閉保壓這段時間內(nèi)，勺管下插3%左右。機組在運行時，勺管下插3%主給水泵轉(zhuǎn)速將下降200rpm左右，主給水流量波動大概在50t/h～100t/h左右，基本不影響蒸發(fā)器液位控制。

保位閥動作后，解保位是機組安全運行的另一個重點。由于保位閥動作時，主給水泵轉(zhuǎn)速切為手動控制，轉(zhuǎn)速設(shè)定值跟隨當(dāng)前轉(zhuǎn)速，若故障能在短時間內(nèi)消除，可在故障消除后按RESET按鈕復(fù)位，并將主給水泵的轉(zhuǎn)速控制模式切為自動控制。若故障原因無法及時定位并處理，運行可啟動備用泵進行切泵。福清核電的主給水泵增加了暖泵管線，可以保證備用泵實時處于熱備用狀態(tài)，在保位閥動作后，操縱員可及時手動啟動備用泵，進行切泵操作。相對于毫無準(zhǔn)備的跳泵后備用泵自啟動，操縱員手動切泵對主給水流量的波動是可預(yù)期的，可通過編寫預(yù)案將蒸發(fā)器液位波動降至最低。

3.2 主給水泵轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備管理上的優(yōu)化與改進

3.2.1對于SPV設(shè)備日常巡檢上的優(yōu)化與改進

根據(jù)主給水泵轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)及運行情況，可針對性地對勺管及VEHS裝置進行“跑冒滴漏”方面的檢查，特別需要關(guān)注其是否漏油，是否有異音等。對于PLC就地控制柜，可定期在控制柜的操作面板上查看設(shè)備運行狀態(tài)，例如指令與反饋是否一致，是否有異常報警等[1]。

3.2.2對于SPV設(shè)備備件管理方面的優(yōu)化與改進

針對SPV設(shè)備備件管理問題，應(yīng)該設(shè)立專門的SPV設(shè)備備件包，將其與普通設(shè)備區(qū)分開來。對于這類重要設(shè)備的備件，在已有信息的基礎(chǔ)上，再對其做一次全面梳理，補充完善所有不完整的信息，確保每個SPV設(shè)備備件信息齊全，大大提升后期的采購效率。同時在備件管理系統(tǒng)上開發(fā)一個SPV設(shè)備備件包管理模塊，對錄入的信息進行分類管理。將SPV設(shè)備備件包中的備件進行分類，可分為必換件和選換件。必換件顧名思義就是在維修中必須更換的備件，針對必換件可進行定額管理，根據(jù)更換周期設(shè)置一個定期觸發(fā)的采購項目定期采購；對于可能在糾正性維修中需要更換的備件成為選換件，可根據(jù)裝機量、故障率等數(shù)據(jù)進行定額管理，設(shè)置最小庫存，當(dāng)備件被領(lǐng)走后庫存數(shù)量降低到一定值，提醒維修工程師及設(shè)備管理工程師去查看分析是否需要補充備件。

3.2.3對于就地控制柜重要卡件性能管理的優(yōu)化與改進

近年來，福清核電一二號機組BUP盤臺上多個無紙記錄儀出現(xiàn)黑屏故障，平均一兩周就有一個無紙記錄儀損壞。我們將換下來的無紙記錄儀寄回廠家返修檢測，發(fā)現(xiàn)故障都是由于無紙記錄儀內(nèi)部的電子元器件老化失效導(dǎo)致。從福清核電三號機組隔離分配卡件性能下降導(dǎo)致勺管下插到最小位置的事件可看出，每一個電子設(shè)備都存在其固有的壽命，用的時間長了，可能由于老化導(dǎo)致其性能下降，此時這就像一個“定時炸彈”，當(dāng)滿足某一條件將這個“定時炸彈”觸發(fā)后，可能產(chǎn)生重大影響。

根據(jù)上述例子，我們可以得出一個結(jié)論：當(dāng)電子元器件使用到一定時間后，控制性能由于老化將大不如前。針對此問題，我們需要對重要卡件的工作時間對其控制性能的影響進行分析。針對主給水泵轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的就地控制柜，我們分析識別出以下幾個重要卡件：

31U3勺管位置反饋信號隔離卡件

32N4轉(zhuǎn)速設(shè)定值輸入輸出模塊

手動PLC控制模塊

自動PLC控制模塊

以上這些卡件失效將直接影響轉(zhuǎn)速PLC控制的可靠性，對此我們需要分析識別出這些重要卡件的有效壽命?？刹檎壹夹g(shù)文件中是否有工作條件、工作時間對產(chǎn)品性能可能產(chǎn)生的影響的相關(guān)資料，或者是搭建一個最小測試平臺，對卡件進行測試分析，根據(jù)測試結(jié)論來給出卡件的合理工作時間，判斷其是否需要定期更換。

3.2.4主給水泵轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)預(yù)防性維修項目分析與改進

以福清核電一號機組為例，目前主給水泵轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)相關(guān)的預(yù)防性維修項目有17項，其中與轉(zhuǎn)速控制直接相關(guān)的檢查有5項，分別為就地控制柜及接線箱端子檢查清理和給水泵勺管VEHS校驗。

在就地控制柜和接線箱端子檢查的規(guī)程中，規(guī)定了檢查每一個端子的方法：按照“看、緊、拉”三步驟進行檢查，并明確規(guī)定了每個類型端子的緊固力矩。但是規(guī)程中只要求對就地控制柜和就地接線箱的接線進行檢查，對于VEHS上的重要設(shè)備并未作出要求，例如勺管位反的端子箱就不在規(guī)程的檢查范圍內(nèi)。

在勺管校驗的規(guī)程中，要求在就地接線箱中模擬勺管的指令，并測量VEHS和勺管位置反饋信號是否準(zhǔn)確。以上工作包含了轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的接線檢查及VEHS、勺管位反的設(shè)備可靠性檢查，但是對于PLC回路中的重要卡件并未進行檢查測試。根據(jù)上述分析，我們需要增加定期對卡件進行檢測的預(yù)防性維修項目，提前識別卡件性能是否滿足運行要求，對不滿足運行要求的卡件及時進行維修或更換[2]。在增加預(yù)防性維修項目的同時，還需要優(yōu)化這些項目的執(zhí)行周期、執(zhí)行窗口及執(zhí)行順序。

4 結(jié)語

主給水泵轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的控制性能，直接影響著蒸汽發(fā)生器液位控制的穩(wěn)定性，文章通過分析福清核電勺管異常下插到最小位置的事件，總結(jié)出可能導(dǎo)致勺管誤動的幾個原因：

（1）PLC控制電源掉電；

（2）手自動PLC全故障；

（3）PLC輸出指令斷線；

（4）VEHS反饋信號斷線；

（5）勺管位置傳感器信號失效；

文章針對這幾個原因，對主給水泵轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)單點失效進行詳細分析，從提升轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)硬件可靠性角度上，提出在VEHS上增加保位閥的變更。同時根據(jù)目前對主給水泵轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的管理模式及預(yù)防性維修項目上進行分析，提出了一些適合福清核電的主給水泵轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)優(yōu)化改進建議。