華龍一號機組氣動閥控制故障分析

魏紹帥，時中政

（中國核電工程有限公司 華東分公司 調試部，浙江 嘉興 314000）

0 引言

華龍一號壓水堆機組中，余熱排出系統(tǒng)（RHR）的主要功能是在電廠停堆期間，在經(jīng)蒸汽發(fā)生器初步冷卻和降壓后，從堆芯和反應堆冷卻劑系統(tǒng)排出熱量，將反應堆冷卻劑的溫度從180℃降至60℃。在達到冷停堆工況時，RHR系統(tǒng)能將反應堆冷卻劑溫度維持在冷停堆工況，并可滿足換料和維修操作所需要的持續(xù)時間。

余熱排出系統(tǒng)的主管道連接反應堆冷卻劑系統(tǒng)的環(huán)路2熱段，反應堆冷卻劑經(jīng)余熱排出系統(tǒng)主管道的熱交換器后，溫度降低，再被送回至反應堆冷卻劑環(huán)路1冷段和環(huán)路3冷段。余熱排出系統(tǒng)分為兩列，RHR024VP、RHR025VP分別為余熱排出系統(tǒng)的兩列主管道上的氣動調節(jié)閥。余熱排出系統(tǒng)通過調節(jié)這兩個閥門的開度來控制通過熱交換器的反應堆冷卻劑的流量，進而控制對一回路冷卻劑的余熱導出速度。

圖1 RHR024VP組態(tài)圖Fig.1 RHR024VP Configuration diagram

對現(xiàn)場設備的控制，華龍一號機組采用了全數(shù)字化的DCS控制系統(tǒng)。其中，主控室的電廠計算機信息和控制系統(tǒng)主要承擔電廠的數(shù)字化控制任務，但在核電站的總體設計中考慮到了全部失去電廠計算機信息和控制系統(tǒng)的可能性。因此，在主控室內設置了后備盤（BUP），作為失去主控室畫面控制的后備操作手段。在主控室畫面不可用期間（無論是計劃的或非計劃的不可用），在任何機組工況條件下（含正常工況及事故工況），后備盤都可將機組維持在安全狀態(tài)或帶入并維持到安全狀態(tài)[1]。

在主控室畫面和BUP均可實現(xiàn)對RHR024VP、RHR025VP閥門的控制?，F(xiàn)場在進行調試RHR024VP的過程中，單體調試閥門動作正常，連同DCS系統(tǒng)一起調試時，產(chǎn)生了非預期的故障現(xiàn)象。

1 故障現(xiàn)象

1.1 閥門控制指令與閥門動作不一致

根據(jù)氣動閥執(zhí)行機構的正反作用和閥門結構的不同組裝方式，常見氣動閥一般分為氣開型和氣關型。其中對于氣關型閥門，當進入氣動閥氣缸的壓縮空氣增加時，閥門向關閉方向動作[2]。RHR024VP的設計要求是閥門故障（供電故障和供氣故障）時，閥門保持原位，且最終安全位置為開啟狀態(tài)。因此，閥門為進氣關閉閥門。即當主控室畫面發(fā)出開度為0%的控制指令時，閥門應全開。但給閥門供電供氣后，主控畫面發(fā)出0%的控制指令后，閥門全關，與設計要求不符。

1.2 控制指令突變

在對RHR024VP進行失氣保持驗證時，在主控室畫面發(fā)出開度為50%的控制指令。經(jīng)過一段時間，主控畫面控制指令變?yōu)?00%。經(jīng)調取主控畫面操作記錄，未發(fā)現(xiàn)主控畫面操作歷史，調取控制指令趨勢，發(fā)現(xiàn)控制指令從50%開度變?yōu)?00%開度，歷時約1s。而在主控室畫面操作，控制指令從50%變?yōu)?00%，歷時約15s。

2 故障分析

2.1 閥門控制指令與閥門動作不一致分析

華龍一號的非安全級DCS采用西門子SPPA-T2000平臺，RHR024VP的一層組態(tài)采用SP模塊+PID模塊+CCON模塊來實現(xiàn)對閥門的遠程控制。其組態(tài)圖如圖1所示。

一般情況下，當主控畫面發(fā)出0%開度指令時，SP模塊的輸出為0，PID的輸出模塊也為0，CCON模塊將其轉換為4mA信號送往閥門電氣轉換器。閥門的電氣轉換器將4mA信號轉換為供氣壓力最小值（0.2bar），閥門關閉。

RHR024VP為進氣關閉閥門，即當供氣壓力最小時（0.2bar），閥門應處于全開狀態(tài)。而DCS一層組態(tài)的默認設置為：當主控畫面發(fā)出0%控制指令后，AO卡件輸出4mA至閥門電氣轉換器，此時閥門供氣壓力最小，閥門關閉，與設計要求的閥門進氣關閉不符。

2.2 控制指令突變分析

RHR024VP除了可以在主控畫面操作以外，還可以通過BUP操作。設備在主控畫面控制失效時，在BUP可以實現(xiàn)對設備的控制[3]。通過多次試驗排查發(fā)現(xiàn)，當DCS的控制權限從主控畫面切換至BUP控制時，閥門的控制指令會產(chǎn)生突變。RHR024VP無自動控制模式，只有主控畫面手動控制模式和BUP控制模式。一層組態(tài)中該閥門的SP模塊的輸出去往PID模塊，而SP模塊的跟蹤值取自PID模塊的輸出值“Y”。當閥門由主控畫面手動控制模式切換為BUP控制模式時，SP模塊將跟蹤值“Y”輸出給PID模塊，以實現(xiàn)切換前后閥門狀態(tài)一致，即實現(xiàn)閥門無擾切換。

由于SPPA-T2000平臺的特性，SP模塊的閾值范圍為0～100，PID模塊的閾值范圍為0～10000。因此，從PID模塊輸出值“Y”送往SP模塊前，需經(jīng)過量程等比例換算處理。一層組態(tài)中，量程等比例換算系數(shù)設置為100，即PID模塊的輸出值“Y”放大100倍后送至SP模塊的跟蹤值，此時跟蹤值（5000）已遠遠超過SP模塊的閾值上限，故SP模塊輸出量程上限100至PID模塊。但此時為主控畫面手動控制模式，該跟蹤值不起作用。當RHR024VP閥門的控制權限由主控畫面切換至BUP控制室，該跟蹤值開始起作用，SP模塊輸出量程上限100至PID模塊，PID模塊輸出10000（對應100%開度），導致閥門全開。

3 解決方案

3.1 閥門控制指令與閥門動作不一致解決方案

根據(jù)上文分析的結果，閥門控制指令與閥門動作不一致需從信號取反角度進行處理。有兩種方案可以實現(xiàn)：

第一種方案：在DCS組態(tài)中將信號取反。CCON模塊的YREV參數(shù)可以實現(xiàn)輸出信號取反的功能，將其設置為“Reverse manipulated variable YA”，即可實現(xiàn)當PID模塊的輸出為0時，CCON模塊的輸出為最大值20mA；當PID模塊的輸出為10000時，CCON模塊的輸出為最小值4mA。

DCS組態(tài)中參數(shù)設置完成后，當主控畫面發(fā)出0%的控制指令后，SP模塊和PID模塊的輸出均為0，CCON模塊閥門的輸出為20mA，電氣轉換器將20mA信號轉換為最大供氣壓力，閥門全開。同樣，當主控畫面發(fā)出100%的控制指令后，SP模塊和PID模塊的輸出均為最大值，CCON模塊的輸出為4mA，閥門電氣轉換器將4mA信號轉換為最小供氣壓力，閥門全關。

但是這種方案引來了一個新的問題：RHR024VP的主控畫面控制指令顯示與BUP盤上的控制指令顯示不一致。因為該閥門的控制指令從CCON模塊送往閥門電氣轉換器的同時，也送往BUP顯示。當主控畫面發(fā)出0%的控制指令后，CCON模塊的輸出為20mA，BUP盤臺上的顯示為滿量程100%。

第二種方案：在RHR024VP閥門的定位器處將擋板組件從正作用區(qū)調至反作用區(qū)，即，當電氣轉換器輸出最小供氣壓力時，定位器將使閥門全開。當主控畫面發(fā)出0%的控制指令后，CCON模塊的輸出為4mA，BUP接收4mA信號顯示0%，同時閥門電氣轉換器接收4mA信號并將其轉換為最小供氣壓力，由于定位器在反作用區(qū)，閥門全開。

綜合兩種解決方案，可以看出由于RHR024VP閥門控制指令同時送主控畫面和BUP進行顯示，第二種方案更合適。當閥門控制指令不送BUP顯示時，兩種方案均可實現(xiàn)閥門進氣關閉功能。

3.2 控制指令突變解決方案

通過上文分析，閥門控制指令突變的原因為PID模塊輸出至SP模塊時，其量程等比例換算關系不合適導致。因此，將SP模塊的輸入端的量程等比例換算系數(shù)修改為與其量程匹配的值即可解決該問題?，F(xiàn)場將其系數(shù)由100修改為0.01后，閥門控制權限由主控畫面切換至BUP控制，閥門可以實現(xiàn)無擾切換。

4 結束語

氣動調節(jié)閥的調試相比于電動閥和電磁閥更為復雜，在現(xiàn)場調試過程中遇到氣動調節(jié)閥的控制故障問題時，要結合控制系統(tǒng)本身的特性及設計要求，對故障問題進行分析解決。本文針對氣動調節(jié)閥的兩個故障問題，從SPPA-T2000平臺的組態(tài)特性出發(fā)，結合設計要求，分析出問題產(chǎn)生的原因，并針對性地提出了解決方案。其解決問題的思路對后續(xù)氣動調節(jié)閥的缺陷處理具有指導意義。