核電廠SLC兩系CPU信號不一致問題技術研究

符 江，練 鍇，劉勝智，潘偉偉

(蘇州熱工研究院有限公司系統(tǒng)工程中心，廣東 深圳 518003)

0 引言

自2015年以來，當重要廠用水系統(tǒng)處于泵切換或泵停運瞬態(tài)，以及循環(huán)水過濾系統(tǒng)旋轉濾網沖洗水泵切換或沖洗水泵狀態(tài)發(fā)生變化時，紅沿河/寧德/陽江/防城港電廠沖洗水管路多次出現(xiàn)短時的壓力波動現(xiàn)象。

這種短時的壓力波動通常小于100 ms。安全邏輯處理機柜內的兩系CPU信號采集與運算周期同為固定的100 ms，但兩系CPU的運行是獨立且不同步的，極易導致兩系CPU中的一系采集到該短時波動信號，而另一系沒有采集到該信號。

根據(jù)安全邏輯處理機組的自診斷機制，當兩系CPU內部組態(tài)不一致時間持續(xù)超過40 s，會自動觸發(fā)機柜兩系不一致故障報警以及頻繁非預期啟動水生物捕集器反沖洗電機和旋轉濾網沖洗水泵。

上述問題在紅沿河/寧德/陽江/防城港電廠是共性問題，亟需得到解決。

1 運行狀態(tài)分析

目前,中廣核下屬紅沿河/寧德/陽江/防城港核電廠在運機組(除陽江5、6號機組)安全級控制系統(tǒng)均采用三菱安全級集散控制系統(tǒng)(distributed control system，DCS)。該控制系統(tǒng)中的時序邏輯控制(sequential logic control，SLC)機柜均設置了兩系CPU對信號進行采集，容錯時間為40 s。兩系CPU獨立且不同步運行，均能對采集的現(xiàn)場信號執(zhí)行邏輯功能。

重要廠用水系統(tǒng)均在熱交換器的上游安裝了一臺水生物捕集器，用來過濾水生物。SEC031SP(SEC-重要廠用水系統(tǒng)，SP-壓力開關)監(jiān)測A列SEC001FI(FI-水生物捕集器)出入端差壓值。SEC032SP監(jiān)測SEC002FI出入端差壓值。

循環(huán)水過濾系統(tǒng)的旋轉濾網均設有反沖洗系統(tǒng)，CFI611/614SP(CFI-循壞水系統(tǒng))監(jiān)測CFI031TF(TF-旋轉鼓網)沖洗水母管壓力值，循環(huán)水過濾系統(tǒng)612/613SP監(jiān)測032TF沖洗水母管壓力值。

反沖洗電機非預期啟動示意圖如圖1所示。按照邏輯功能要求，反沖洗電機應是每隔2 h執(zhí)行一次反沖洗工作[1]。但是由于執(zhí)行泵切換操作導致水生物捕集器出入端壓差異常升高，導致啟動反沖洗電機次數(shù)頻繁。

圖1 反沖洗電機非預期啟動示意圖

當循環(huán)水過濾系統(tǒng)旋轉鼓網沖洗水泵切換或沖洗水泵狀態(tài)發(fā)生變化時，沖洗水管路會出現(xiàn)短時的壓力波動，也會直接導致沖洗水泵異常啟動。

2 CPU信號采集不一致報警根本原因分析

2.1 三菱安全級DCS中SLC機柜CPU信號處理機制

機柜內CPU采取的并行冗余配置，冗余配置的CPU獨立且不同步運行。如果信號狀態(tài)發(fā)生變化，在非常短的時間內從1到0或者從0到1(0-低電平信號、1-高電平信號)，少于CPU掃描周期100 ms，即使這樣的信號只被一個CPU采集，同樣會執(zhí)行邏輯動作，設置兩系CPU信號采集不一致的自診斷機制目的如下。

①針對硬件故障進行自診斷；

②對時鐘頻率的偏差進行自診斷；

③對自身軟件的缺陷進行自診斷；

④對兩系CPU不一致狀態(tài)進行自診斷。

并行冗余CPU的本意是為了提高信號邏輯執(zhí)行的可靠性，而自診斷機制則是幫助并行冗余的CPU克服上述問題。但自診斷機械在較好地保證可靠性的前提下也帶來了新的設備異常啟動問題。

以邏輯中存在ON DELAY延時模塊為例，并行CPU信號處理簡圖如圖2所示。

圖2 并行CPU信號處理簡圖

當來自現(xiàn)場小于10 ms的OFF信號被一系CPU讀取到，而另一系CPU沒有讀取到，延時時間結束后不一致狀態(tài)會被自動清除，但是超過40 s的部分會報警提醒運行人員。

2.2 原因分析

根據(jù)并行冗余CPU信號處理及自診斷機制，對重要廠用水系統(tǒng)經歷泵切換或泵停運瞬態(tài)時出現(xiàn)小于100 ms的短時壓力波動信號導致反沖洗電機非預期啟動并產生SLC機柜兩系CPU信號不一致報警的原因進行分析計算。變化前SEC031SP信號狀態(tài)傳輸簡圖如圖3所示。以A列SEC031SP的信號邏輯為例，對SEC031SP信號狀態(tài)因系統(tǒng)壓力波動發(fā)生變化的過程進行分析。

圖3 變化前SEC031SP信號狀態(tài)傳輸簡圖

變化前SEC031SP沒有高壓差信號產生，低電平信號經過以下路徑后保持水生物捕集器的反沖洗電機和排污閥關閉。

①低電平信號a經1 s OFF DELAY延時模塊c仍保持低電平狀態(tài)，信號路徑為a→b→c。

②低電平信號a一分為二，經1 s OFF DELAY延時模塊c后的一路信號經100 s OFF DELAY延時模塊d回到與門模塊b前取反置“1”形成高電平信號，為采集SEC031SP發(fā)出的高電平信號提供條件。信號路徑為a→b→c→d→b。

③低電平信號a一分為二，經1 s OFF DELAY延時模塊c后的另一路信號經或門模塊h去往與門模塊e前取反置“1”形成高電平信號。此高電平信號經60 s ON DELAY 延時模塊f后繼續(xù)輸出高電平信號，此高電平信號經與門模塊j取反后形成低電平信號保持水生物捕集器反沖洗電機011MO(MO-反沖洗電機)關閉，低電平信號經取反模塊k取反形成高電平信號后保持排污閥021 VE(VE-閥門)關閉，信號路徑為a→b→c→h→e→f→j→k。

變化后SEC031SP信號狀態(tài)傳輸簡圖如圖4所示。變化后SEC031SP有高壓差信號產生，高電平信號經過以下路徑后啟動水生物捕集器的反沖洗電機和排污閥打開，分析如下。

①高電平信號a經1 s OFF DELAY延時模塊c繼續(xù)輸出高電平信號并保持1 s，信號路徑為a→b→c。

②高電平信號a一分為二，經1 s OFF DELAY延時模塊c后的一路信號經100 s OFF DELAY延時模塊d回到與門模塊b前取反置“0”形成低電平信號并輸出101s，相當于保護電路鎖定了來自現(xiàn)場的信號，信號路徑為a→b→c→d→b。

圖4 變化后SEC031SP信號狀態(tài)傳輸簡圖

③高電平信號a一分為二，經1 s OFF DELAY延時模塊c后的另一路信號經或門模塊h去往與門模塊。e前取反置“0”形成低電平信號經60s ON DELAY 延時模塊f繼續(xù)輸出低電平信號。此低電平信號經與門模塊j前取反置“1”后形成高電平信號啟動水生物捕集器反沖洗電機011MO打開。此高電平信號經取反模塊k取反置“0”形成低電平信號后打開排污閥021VE，信號路徑為a→b→c→h→e→f→j→k。

閃發(fā)信號失去后SEC031SP信號狀態(tài)傳輸簡圖如圖5所示。SEC031SP壓力信號由1→0后，由于60 s ON DELAY延時模塊f的工作機制，當與門模塊e輸出低電平信號轉變?yōu)楦唠娖叫盘柡螅孕璩掷m(xù)保持輸出60 s低電平信號后才能輸出高電平信號，信號狀態(tài)才能轉變，所以每次閃發(fā)信號出現(xiàn)后也意味著水生物捕集器反沖洗電機和排污閥需要非預期啟動60 s。但是并不是水生物捕集器堵塞，冷卻水不能到達設備冷卻水換熱器的真實工況。經計算，在60 s ON DELAY延時模塊f輸出信號端，采集到閃發(fā)信號的CPU執(zhí)行邏輯的時間為(小于100 ms的閃發(fā)信號時間)61 s，超過SLC機柜兩系CPU的容錯時間40 s。

圖5 閃發(fā)信號失去后SEC031SP信號狀態(tài)傳輸簡圖

機柜兩系CPU信號不一致報警的原因進行分析計算[1-2]。變化前CFI611SP信號狀態(tài)傳輸簡圖如圖6所示。以A列CFI611SP的信號邏輯為例，CFI611SP的信號邏輯電路實際非常復雜，對邏輯進行簡化表示，可以比較直觀地表達壓力波動出現(xiàn)后的信號邏輯。

圖6 變化前CFI611SP信號狀態(tài)傳輸簡圖

變化前CFI611SP沒有低壓力信號產生，壓力正常信號經過下述路徑不啟動旋轉濾網沖洗母管沖洗水泵，分析如下。

壓力正常信號a依次經過與門模塊b、或門模塊c、與門模塊d后繼續(xù)輸出壓力正常信號，不會啟動對應的沖洗水泵CFI101PO(PO-泵)。

變化后CFI611SP信號狀態(tài)傳輸簡圖如圖7所示。

圖7 變化后CFI611SP信號狀態(tài)傳輸簡圖

低電平信號依次經過與門模塊b、或門模塊c、與門模塊d、或門模塊c后形成了自保持回路。在無運行人員操作的前提下，對應的沖洗水泵將持續(xù)運行，自保持回路的時間將遠大于40 s，所以每次閃發(fā)信號出現(xiàn)后，也意味著旋轉濾網的沖洗水泵會非預期持續(xù)啟動。

但這并不表示旋轉濾網沖洗水壓力低的真實工況，沖洗水管擔負著為旋轉濾網清污的功能。若是非預期啟動沖洗水泵，不但不利于設備健康，還會給運行人員沖洗水管壓力低的錯誤信息，加重了運行人員的監(jiān)盤壓力。因為若要停止沖洗水泵需要運行人員執(zhí)行相關操作。

目前群廠(紅沿河、寧德、陽江、防城港)冷源系統(tǒng)中的水錘波效應比較普遍，這也是工藝系統(tǒng)的固有特性。當經歷泵切換、停運、啟動等瞬態(tài)變化勢必會引起水錘波效應，本文涉及的儀表及相關的控制系統(tǒng)均有聯(lián)鎖邏輯、報警提示和自診斷機制，壓力波動產生的短時信號會帶來虛假信息。針對上述問題，提出解決方案，消除壓力波動對設備以及運行人員的不利影響[3]。

3 改進措施研究

以寧德核電廠1號機組為例，2017年8月至2018年8月，重要廠用水系統(tǒng)主管道在SEC泵狀態(tài)發(fā)生變化時SEC031SP閃發(fā)導致反沖洗電機非預期啟動以及水錘波效應持續(xù)時間如表1所示。

表1 反沖洗電機非預期啟動以及水錘波效應持續(xù)時間

為了過濾當重要廠用水系統(tǒng)經歷泵切換、停運、啟動瞬態(tài)時引起的壓力波動以及循環(huán)水過濾系統(tǒng)沖洗水母管壓力波動，需要在重要廠用水系統(tǒng)031/032SP HIGH信號后和循環(huán)水過濾系統(tǒng)611/612/613/614SP INSUFFICIENT信號后添加0.5s ON DELAY前延時模塊[4]。SEC031SP增加0.5 s ON DELAY延時模塊、CFI611SP增加0.5 s ON DELAY延時模塊如圖8、圖9所示。

圖8 SEC031SP增加0.5 s ON DELAY延時模塊

本措施選取0.5 s ON DELAY前延時模塊，基本可以覆蓋現(xiàn)場壓力波動閃發(fā)信號對系統(tǒng)設備的影響。當真實壓力低或高信號出現(xiàn)后，雖然水生物捕集器反沖洗電機以及旋轉濾網沖洗水泵會晚啟動0.5 s，但是并不會對機組運行帶來負面影響。對于水生物捕集器來說，當其兩側壓差達到10 kPa時會啟動反沖洗電機對水生物捕集器進行沖洗[5]，正常情況下SEC母管內壓力約為249～285 kPa。監(jiān)測水生物捕集器出入端的差壓開關高設定值如表2所示。

圖9 CFI611SP增加0.5 s ON DELAY延時模塊

表2 定值統(tǒng)計表

當真實壓差高工況出現(xiàn)時，因為堵塞是緩慢變化的過程，預估每秒上升1 kPa計算，并考慮SEC/RRI設備冷卻水換熱器的壓差不能低于設定值，否則將影響RRI端熱量導出至熱阱，影響機組運行[6]。按照最不利的情況考慮，當水生物捕集器出入端壓差達到高設定值30 kPa時，增加0.5 s延時后，水生物捕集器兩端壓差將達到30.5 kPa。SEC目前壓力249 kPa減去30.5 kPa等于218 kPa，遠高于SEC/RRI換熱器能夠工作的最低壓差值100 kPa，是能夠保證設備正常工作的。又因為堵塞過程是緩慢變化的，本方案增加0.5 s延時的目的只是為了過濾壓力波動對設備的不利影響，并不會對設備造成不利影響，是可行的。

針對旋轉濾網沖洗母管611/612/613/614SP INSUFFICIENT信號后添加0.5 s ON DELAY前延時模塊同樣是為了過濾壓力波動對設備造成的不利影響。正常情況下，旋轉濾網轉速為2.5 m/min。當沖洗母管真實壓力低信號出現(xiàn)后，由于增加0.5 s的原因，備用泵將比增加延時前晚啟動0.5 s，旋轉濾網走過了2 cm的長度。而沖洗水泵的沖洗水的目的是為了清除旋轉濾網的堵塞物，而堵塞是緩慢變化的過程，晚啟動0.5 s造成了旋轉濾網2 cm長度上沒有沖洗，對旋轉濾網的影響微乎其微，所以是可行的[6-7]。

本措施增加的0.5 s ON DELAY前延時模塊需要修改安全級DCS，修改費用約為50萬元/臺，統(tǒng)籌考慮14臺機組共計需700萬元。

4 實施驗證

目前，改進措施一已經得到了紅沿河、寧德、陽江、防城港核電廠的認可，并且紅沿河核電廠1/2號機組已執(zhí)行修改，陽江核電廠1號機組已經執(zhí)行了修改。寧德核電廠1/3/4號機組已經執(zhí)行了修改，實施后效果顯著，已實施機組沒有再發(fā)生上述問題。

5 技術研究的拓展

目前，紅沿河、寧德、陽江、防城港核電廠同樣大量存在因水錘波效應產生的壓力波動引起的兩系CPU信號采集不一致，以及非預期啟動安全級電機、泵或是無法啟動電機、泵導致定期試驗不成功的相似共性問題。

①每兩個月執(zhí)行一次的RRI(RRI-設備冷卻水系統(tǒng))-009/010(A/B列備用泵啟動試驗)因壓力波動導致SEC021/022SP輸出短時信號閃發(fā)SEC001/002KA報警，報警產生會記第一組I0，最終解決方案為增加0.5 s ON DELAY延時模塊。

②每個循環(huán)執(zhí)行一次的RRI-023/024(失去SEC B列時A列自動啟動試驗/失去SEC A列時B列自動啟動試驗)因壓力波動導致RRI001/004SP達到設定值而超時啟動備用列泵，從而導致試驗失敗。超時啟動可能影響設備冷卻水的熱量導出，影響機組安全，最終解決方案為增加3 s ON DELAY延時模塊。

③運行人員定期執(zhí)行A/B列互相切換操作中因壓力波動導致RRI025/026SP閃發(fā)壓力不正常信號在未完成計時的情況下導致切列失敗，最終解決方案為增加0.5 s ON DELAY延時模塊。

本文所提出的研究成果為解決上述問題提供了參考和依據(jù)。上述問題的解決采用了與本研究成果的研究思路和方法[8-9]。

6 結論

本文針對紅沿河、寧德、陽江、防城港電廠中重要廠用水系統(tǒng)和循環(huán)水過濾系統(tǒng)泵切換或泵停運瞬態(tài)的固有特性所引起的短時壓力波動時，這種短時波動信號閃發(fā)時間小于100 ms，將導致SLC機柜兩系CPU出現(xiàn)采集不一致的工況。除了直接導致安全級機柜兩系CPU采集到的信號不一致時間超過40 s產生兩系不一致報警KCS005/006KA，還會非預期啟動相應的反沖洗電機和沖洗水泵。但是這既不是水生物捕集器堵塞需要沖洗的真實工況，也不是旋轉濾網沖洗母管壓力低的真實工況，而是反饋給運行人員錯誤的信息。通過在壓力開關前端增加0.5 s ON DELAY的延時模塊較好地解決了上述問題，利于設備健康運行，也利于運行人員監(jiān)盤，增加延時模塊的方法易實施、周期短、結果可靠，是解決上述問題的有效可靠途徑。本文的技術研究成果也為未來解決相似的問題提供了參考。