彭 飛,朱濤濤
(中核核電運(yùn)行管理有限公司,浙江 海鹽 314300)
秦山核電二期1、2號600MW汽輪發(fā)電機(jī)組的數(shù)字電液控制系統(tǒng)(DEH)采用了美國西屋電氣公司的WDPF II產(chǎn)品,為標(biāo)準(zhǔn)的DCS集散控制系統(tǒng)。在1、2號機(jī)組運(yùn)行期間,該系統(tǒng)因系統(tǒng)設(shè)計、邏輯算法、細(xì)節(jié)處理、設(shè)備老化等方面出現(xiàn)過影響機(jī)組運(yùn)行的故障,在經(jīng)過多次系統(tǒng)改造后,更加完善了DEH系統(tǒng)對機(jī)組汽輪氣的調(diào)節(jié)和控制。而近年來,隨著運(yùn)行時間的延長,機(jī)柜電源、DPU、I/O卡等設(shè)備故障發(fā)生率較以前有了較大得增加,各工作站的故障也偶有發(fā)生。大部分備件西屋公司已經(jīng)停產(chǎn),備件的獲取難度也越來越大。
秦山核電二期擴(kuò)建機(jī)組的DEH控制系統(tǒng)采用了西屋公司新一代產(chǎn)品OVATION,該產(chǎn)品為WDPF的升級替代產(chǎn)品。目前,1、2號機(jī)組面臨著DEH系統(tǒng)的元器件開始老化,備品備件獲取難度加大等問題,DEH系統(tǒng)升級改造勢在必行,升級后可以減少系統(tǒng)設(shè)備保障,提高汽輪機(jī)運(yùn)行安全。
通過秦山核電二期1、2號機(jī)組DEH升級改造,發(fā)現(xiàn)許多調(diào)試的問題,通過對調(diào)試問題的總結(jié),對未來其它核電進(jìn)行的DEH升級改造調(diào)試提供可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。
秦山核電二期1、2號機(jī)組DEH升級改造調(diào)試主要分為3部分,調(diào)試第一部分為汽輪機(jī)現(xiàn)場改造后的調(diào)試,包括油路系統(tǒng)改造后的調(diào)試,系統(tǒng)OPC油壓與AST油壓的調(diào)試;調(diào)試第二部分為不啟動現(xiàn)場就地設(shè)備的功能測試和DEH升級改造新增加氣機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)備的功能測試,主要包括系統(tǒng)電源接地試驗(yàn)、工作站功能調(diào)試、系統(tǒng)I/O功能調(diào)試、跳機(jī)回路調(diào)試,手動跳機(jī)按鈕調(diào)試等;調(diào)試第三部分為掛閘且主蒸汽隔離閥處于關(guān)閉狀態(tài)下的帶現(xiàn)場就地設(shè)備啟動的汽機(jī)控制系統(tǒng)的性能及功能調(diào)試,包括雙LVDT調(diào)試、汽機(jī)閥門動作時間調(diào)試、熱態(tài)功能調(diào)試等。
油路調(diào)試先進(jìn)行EH油與潤滑油的油沖洗。油沖洗兩輪,每輪油沖洗完成后,化學(xué)取樣油質(zhì)是否合格。油質(zhì)合格后進(jìn)入EH油系統(tǒng)耐壓測試,驗(yàn)證新增相關(guān)設(shè)備、管路焊縫及管接件。優(yōu)先將安全閥的整定值設(shè)置為17.5Mpa,首先在6Mpa平臺查漏觀察10min,無問題后升到10Mpa平臺繼續(xù)查漏觀察10min,再升到15Mpa平臺進(jìn)行查漏,最后再升到16.675MPa平臺查漏。整個耐壓試驗(yàn)通過逐漸升壓的方式測試是否有漏點(diǎn)。
OPC是汽輪機(jī)的超速保護(hù),通過TDM(OPC)模塊電磁閥實(shí)現(xiàn)。當(dāng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到103%(即3090rpm)或甩負(fù)荷時,OPC電磁閥打開,OPC動作,關(guān)閉主氣門與再熱調(diào)門。
AST油壓是指汽輪機(jī)緊急停機(jī)保護(hù),通過TDM模塊電磁閥實(shí)現(xiàn)。當(dāng)汽輪機(jī)的某個參數(shù)達(dá)到停機(jī)值時,TDM模塊電磁閥失電打開,泄去安全油,汽輪機(jī)各汽門迅速關(guān)閉,保護(hù)機(jī)組安全。
油路調(diào)試最后通過調(diào)整TDM模塊的針閥來調(diào)整AST油壓,最終需要達(dá)到西屋提供的標(biāo)準(zhǔn)AST油壓,大概在OPC母管油壓的85%~90%左右。
最終調(diào)整TDM模塊針閥后,1號機(jī)組OPC母管油壓為14.11MPa,AST油壓為12.4MPa;2號機(jī)組OPC母管油壓為14.30MPa,AST油壓為12.8MPa。
I/O通道調(diào)試是DEH調(diào)試的第一步,后續(xù)的DEH技改調(diào)式都是在I/O通道回路檢查的基礎(chǔ)上進(jìn)行的,因此對于調(diào)試者來說必須重視DEH調(diào)試中的I/O通道回路檢查[1]。新增機(jī)柜卡件通道精度測試在FAT中已經(jīng)測試合格,就地傳感器也是單獨(dú)在技改中校驗(yàn),保證設(shè)備精度合格。最后,在安裝完成后將整個I/O通道回路全部連接,檢查DEH系統(tǒng)的輸入與輸出信號回路,以及系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的信號回路。對于模擬量,通過信號發(fā)生器模擬0%、25%、50%、75%、100%信號,從傳感器源頭加信號進(jìn)行測試;對于數(shù)字量,通過短接線信號通斷從信號源頭測試。
DEH升級技改增加一套獨(dú)立的電超速保護(hù)系統(tǒng),此套新增電超速與原有電超速保護(hù)安裝位置不同。目前,秦山核電二期1、2號機(jī)組的電超速系統(tǒng)選用的是盤車位置的3個磁組轉(zhuǎn)速探頭,新增的電超速保護(hù)安裝位置為汽輪機(jī)前箱處。新電超速保護(hù)裝置作為代替原先機(jī)械超速保護(hù)裝置的功能,需要獨(dú)立于目前送ETS模塊跳機(jī)的方式。因此,新增的電超速保護(hù)裝置為Woodward公司生產(chǎn)的超速保護(hù)模塊 DOPS(Diverse Overspeed Protection)。
圖2 改造后AST電磁閥跳機(jī)示意圖Fig.2 Trip diagram of AST solenoid valve after transformation
在冷態(tài)掛閘調(diào)試中,試驗(yàn)將Woodward DOPS置于試驗(yàn)?zāi)J?,在不跳機(jī)的情況下單獨(dú)測試每一個TDM3電磁閥的動作情況。
分別對3個獨(dú)立的module進(jìn)行測試,進(jìn)入各自“Auto Simulated Speed Test”,然后各自進(jìn)行“Start Test”測試。
此試驗(yàn)程序啟動后,轉(zhuǎn)速通道的輸入會自動從就地探頭切換為模塊內(nèi)部的頻率發(fā)生器產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速信號,跳機(jī)值會自動設(shè)定為比真實(shí)跳機(jī)設(shè)定值低100rpm,內(nèi)部頻率發(fā)生器以10rpm/sec的速率模擬轉(zhuǎn)速上升,直到模擬的轉(zhuǎn)速超過跳機(jī)值而跳機(jī)。
在各自獨(dú)立的module中顯示“Tripped”,并且在跳機(jī)系統(tǒng)油路中可以觀察到對應(yīng)電磁閥失電,導(dǎo)致滑閥動作。
而當(dāng)在熱態(tài)調(diào)試中機(jī)組轉(zhuǎn)速在3000rpm時,將每個module設(shè)定轉(zhuǎn)速由3300rpm跳機(jī)轉(zhuǎn)速修改到3050rpm,然后機(jī)組轉(zhuǎn)速提高到3050rpm,觸發(fā)AST跳機(jī)模塊電磁閥。在3050rpm機(jī)組狀態(tài)下進(jìn)行的測試,可以避免原先機(jī)械超速3300rpm左右跳機(jī)帶來不方便且充滿風(fēng)險,徹底避免機(jī)組在高轉(zhuǎn)速情況下的損傷,也能避免惡性的汽機(jī)飛車事故發(fā)生。
危急遮斷系統(tǒng)ETS是在緊急情況下,迅速關(guān)閉汽輪機(jī)主汽門,切斷汽輪機(jī)所有進(jìn)汽的保護(hù)系統(tǒng)[2]。
本次DEH升級技改使用的西屋提供三通道三取二跳機(jī)的電磁閥模塊(TDM模塊)。
汽輪機(jī)正常運(yùn)行期間TDM(ETS)模塊上擁有3個電磁閥常開,A1/A2、B1/B2、C1/C2 6個滑閥關(guān)閉,每組滑閥由一個電磁閥控制,兩個滑閥之間分別擁有PT1、PT2、PT3 3個變送器,變送器壓力是由于兩端通過節(jié)流孔連接進(jìn)油管和泄油管,正常運(yùn)行時產(chǎn)生一個穩(wěn)定的壓力。跳機(jī)情況為兩個電磁閥失電,導(dǎo)致一組滑閥前后開啟泄油,如通道1上的B1C1,通道2上的A1C2,通道3上的A2B2機(jī)組才會跳機(jī)。
ETS跳機(jī)信號包含:低EH油壓力、低真空信號、低潤滑油信號、電超速信號、推力瓦磨損信號、外部跳機(jī)信號、絕對振動大跳機(jī)信號、汽機(jī)脹差大跳機(jī)信號、相對振動大跳機(jī)信號、DEH電源失去都為調(diào)試測試。
其中,EH油壓力信號、真空信號、潤滑油信號三者的跳機(jī)方式由原來的4取2壓力開關(guān),更換成了3取2冗余的壓力變送器。3個壓力變送器送模擬量信號分別到DEH機(jī)柜獨(dú)立的3塊卡件,通過卡件運(yùn)算進(jìn)行壓力值顯示,并在邏輯中與設(shè)定的跳機(jī)值比較,輸出3個跳機(jī)開關(guān)信號,通過組態(tài)中的3取2模塊輸出一個跳機(jī)信號送電磁閥進(jìn)行跳機(jī),變送器形式的優(yōu)點(diǎn)為:①變送器超差能及時發(fā)現(xiàn)并處理;②簡易在線測試,僅需邏輯中測試,無需通過試驗(yàn)塊泄油;③操作員能實(shí)時查看壓力變化趨勢;④臨界跳機(jī)時報警。
ETS跳機(jī)模塊的調(diào)試通過強(qiáng)制兩個對應(yīng)變送器或速度探頭觸發(fā)跳機(jī)信號進(jìn)行測試,滿足條件使機(jī)組打閘,并且“first-out status”首先觸發(fā)跳機(jī)邏輯報警。汽輪機(jī)檢測系統(tǒng)與核島堆功率保護(hù)信號送ETS跳機(jī)信號,由于為數(shù)字量點(diǎn)并為技改改變,則通過強(qiáng)制D/I點(diǎn)來進(jìn)行調(diào)試驗(yàn)證。
手動跳機(jī)按鈕的調(diào)試在DEH技改調(diào)試中是非常重要的一部分,一般DEH的手動停機(jī)按鈕分別為主控停機(jī)按鈕與就地停機(jī)按鈕,而就地停機(jī)按鈕可以保證在啟機(jī)停機(jī)或現(xiàn)場有緊急情況時,現(xiàn)場操縱員第一時間根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際情況進(jìn)行緊急停機(jī)操作[3]。
升級技改取消手動打閘,拉桿是直接動作,薄膜閥導(dǎo)致泄油跳機(jī),因此新加的就地停機(jī)按鈕不送ETS中進(jìn)行邏輯跳機(jī)。就地停機(jī)按鈕直接停AST與DOPS電磁閥的供電,使電磁閥失電滑閥動作泄油跳機(jī)。另外,考慮到日常期間手動跳機(jī)按鈕誤動的風(fēng)險,主控停機(jī)按鈕與就地停機(jī)按鈕都選用常開觸點(diǎn)接線方法。
在汽輪機(jī)掛閘情況下,測量機(jī)柜測TRIP-PB端子排上繼電器R4、R5、R12、R13都處于帶電狀態(tài),現(xiàn)場按下就地跳機(jī)按鈕,按鈕指示燈會通過卡件供電變亮,所有TRIP-PB端子排上繼電器R4、R5、R12、R13都處于失電狀態(tài),就地TDM1(ETS)、TDM2(DOPS)所有跳機(jī)的電磁閥都動作,泄油跳機(jī)。確認(rèn)機(jī)組跳機(jī)后,將就地跳機(jī)按鈕復(fù)位,此時可以測量到TRIP-PB端子排上繼電器R4、R5、R12、R13重新處于帶電狀態(tài)。
圖3 手動跳機(jī)邏輯示意圖Fig.3 Logic diagram of manual tripping
圖4 調(diào)門雙LVDT結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure diagram of double LVDT of regulating valve
主控停機(jī)按鈕的調(diào)試也是同樣通過按下按鈕改變TRIP-PB端子排上繼電器R4、R5、R12、R13狀態(tài),從而觸發(fā)電磁閥動作,泄油停機(jī)。
調(diào)門單LVDT(線性差動變速器)控制方式可靠性低,一旦出現(xiàn)單LVDT故障將直接導(dǎo)致調(diào)門反饋異常,機(jī)組可能會出現(xiàn)控制回路開環(huán)或自動控制系統(tǒng)失靈,導(dǎo)致機(jī)組負(fù)荷波動,造成停機(jī)停堆的風(fēng)險。DEH升級改造中將單LVDT升級為雙LVDT,調(diào)門上裝冗余雙支LVDT,同時需要兩塊RVP閥門控制卡,分別連到MOOG閥的兩組線圈上。運(yùn)行時只有一塊主的RVP進(jìn)行計算,給出MOOG閥指令,另一塊RVP只是給出同樣的指令。一旦檢測到主LVDT或卡件故障,能無擾切換備用,提高機(jī)組的可靠性與安全性。
汽輪機(jī)現(xiàn)場雙LVDT安裝后,開始初次調(diào)門校驗(yàn)工作。第一步是將調(diào)門兩塊RVP卡件參數(shù)在Ovation Developer Studio(組態(tài)軟件)中設(shè)置一致;第二步設(shè)置兩塊RVP卡件的主備之分,將RVP-A卡設(shè)置成“RVP STATUS”為“PRIMARY”(主控)狀態(tài),RVP-B卡件設(shè)置成“RVP STATUS”為“BACKUP”狀態(tài);前兩步設(shè)置工作完成后就可以進(jìn)行全行程校驗(yàn)工作,調(diào)門全行程校驗(yàn),優(yōu)先校驗(yàn)主控RVP-A,校驗(yàn)完成后將調(diào)門“Top Cal Position”與“Bot Cal Position”參數(shù)下裝到RVP-A卡件中,再以相同方法對備用RVP-B進(jìn)行全行程校驗(yàn)[4]。
完成全行程校驗(yàn)后,進(jìn)行調(diào)門測試。在控制圖7089中設(shè)置“output value”區(qū)域分別輸入25、50、75、100開度,點(diǎn)擊“slew time”設(shè)置5s,點(diǎn)擊“slew output”,確認(rèn)“M/A out”顯示分別為25、50、75、100時,“RVP A DEM”的對應(yīng)值分別為25、50、75、100左右。同時,在汽機(jī)機(jī)頭分別確認(rèn)各調(diào)門處于穩(wěn)定開度狀態(tài),油動機(jī)活塞桿上標(biāo)記對應(yīng)開度位置,測量所標(biāo)記的零位與各開度位置之間的距離。
圖5 調(diào)門控制軟手冊Fig.5 Soft manual of control valve
圖6 秦山核電二期擴(kuò)建機(jī)組TDM模塊中存有雜物Fig.6 Impurities in TDM module of unit 4 in Qinshan No.2 Power Plant
圖7 模擬量輸入卡件提供接線方法Fig.7 Wiring method provided by analog input card
汽輪機(jī)相關(guān)油路管道在技改施工后存在變動,雖然每根管道與三通在焊接后都用壓空進(jìn)行過吹掃,但是可能存在小顆粒雜物。在油沖洗時,如果進(jìn)入閥芯將對調(diào)閥、跳機(jī)模塊造成永久損傷。秦山核電二期擴(kuò)建機(jī)組曾經(jīng)在油路管線變動后進(jìn)行油沖洗工作,造成TDM模塊存留黑色雜物。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)反饋在1、2號機(jī)組技改油路調(diào)試第一輪油沖洗時,將3個新增TDM跳機(jī)模塊拆除,直接增加短管讓油直接回油進(jìn)EH油箱,等第一輪油沖洗油質(zhì)合格后,再進(jìn)行第二輪沖洗,將3個跳機(jī)模塊安裝入系統(tǒng),但拆除模塊上所有的電磁閥與滑閥,用盲板封堵,通過兩輪油沖洗能將管道中的雜物去除。
在實(shí)際的I/O通道回路調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)模擬量輸入點(diǎn)存在部分壞點(diǎn),其中一部分為變送器的無源信號正負(fù)接線顛倒導(dǎo)致的通道失效,另外失效的通道,主要原因?yàn)橛性磁c無源連接。
有源信號與無源信號一般是針對4mA~20mA電流信號而言。有無源主要看4mA~20mA信號的那臺設(shè)備是否有獨(dú)立的工作電源,如果有(AC220V或DC24V),則它輸出的信號為有源信號,否則為無源信號。
有源信號的采集主要通過設(shè)備輸入接口的正端和負(fù)端分別對應(yīng)4mA~20mA信號源設(shè)備的正端和負(fù)端就可以了。
對于無源信號的采集,無源信號的那臺設(shè)備沒有獨(dú)立的工作電源,當(dāng)它需要輸出4mA~20mA信號時,它的工作電壓需要外部設(shè)備來提供。因此,采集信號的設(shè)備往往要求有配電功能,如配有DC24V輸出的,當(dāng)它采集4mA~20mA信號時就可以同時提供DC24V。
失效通道主要是TSI(汽機(jī)監(jiān)測保護(hù)系統(tǒng))轉(zhuǎn)送的4mA~20mA信號,通過萬用表檢查發(fā)現(xiàn)這些通道在TSI端側(cè)就供有DC24V有源信號,而西屋公司原本設(shè)計為秦山核電二期1、2號機(jī)組所有模擬量輸入點(diǎn)全部為無源信號,由ovation卡件供電,所以造成了汽機(jī)監(jiān)測保護(hù)通道點(diǎn)的失效[5]。
秦山核電二期1號機(jī)組運(yùn)行期間執(zhí)行直流油泵(1GGR004PO)自啟動試驗(yàn),運(yùn)行人員啟動1GGR004PO后,DEH系統(tǒng)中潤滑油母管壓力變送器1GGR901MP、1GGR902MP、1GGR903MP同時升高至0.203MPa,超過變送器量程上限(0.2MPa),觸發(fā)質(zhì)量位失效信號(質(zhì)量位設(shè)定值0.2025MPa)機(jī)組跳機(jī)。
信號質(zhì)量位是對信號質(zhì)量好壞的判定,為控制系統(tǒng)在判斷輸入信號可能失效的情況下如何應(yīng)對處理提供依據(jù)。比如,變送器故障、通訊故障、卡件故障等都會使信號失效或不可靠,為應(yīng)對信號失效,數(shù)字控制系統(tǒng)一般都會進(jìn)行信號質(zhì)量判斷及應(yīng)對處理。
DEH涉及質(zhì)量位保護(hù)為MEDINSEL算法塊,其中的MRE路為質(zhì)量位路徑在算法塊中有3種情況能觸發(fā)質(zhì)量位1.3個信號同時失效時質(zhì)量位變1,2.3個信號之間兩兩偏差超過模塊設(shè)定值時質(zhì)量位變1,3.1個信號失效,剩余兩個信號偏差超過模塊設(shè)定值時質(zhì)量位變1。這3種情況都可能觸發(fā)質(zhì)量位停機(jī)。
在啟機(jī)3000 rpm平臺測試直流油泵(1GGR004PO)自啟動試驗(yàn),通過變送器測量直流油泵啟動時驗(yàn)證了潤滑油母管的最高壓力可達(dá)0.203MPa??紤]到可能最壞情況交直流泵同時啟動,潤滑油壓可能最高為0.5MPa。因此,將GGR901/902/903潤滑油壓變送器的量程由0.2MPa修改為0.4MPa。將高失效電流由大于20.2mA修改為大于25mA,機(jī)組只有超過0.525MPa時機(jī)組才會觸發(fā)質(zhì)量位。
圖8 質(zhì)量位跳機(jī)邏輯Fig.8 Quality bit trip logic
秦山核電二期調(diào)門LVDT本身由鐵芯與線圈組成,線圈有一個初級線圈和兩個次級線圈組成,初級線圈、次級線圈分布在鐵芯的左右兩側(cè),鐵芯內(nèi)部有一個可自由移動桿狀銜鐵。當(dāng)銜鐵處于中間位置時,兩個次級線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢相等,此時輸出電壓為0;當(dāng)銜鐵在線圈內(nèi)部移動并偏離中心位置時,兩個初級繞組產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢不等,有電壓輸出,其電壓大小取決于位移量。為提高傳感器靈敏度,改善傳感器線性度,增大傳感器線性范圍,設(shè)計時將兩個次級線圈反串相接(電壓極性相反),LVDT輸出電壓是其電壓之差,且與鐵心位移量成線性關(guān)系。
秦山核電二期1號機(jī)組在校驗(yàn)調(diào)門中,由于未定位中心點(diǎn)導(dǎo)致各調(diào)門的行程不同,并且在DEH中“Top Cal Position”與“Bot Cal Position”偏差較大,針對這個情況制定新的方法進(jìn)行校驗(yàn)。
在調(diào)門校驗(yàn)開始前,新增一步固定調(diào)門的全行程范圍。由于本廠油動機(jī)全行程為310mm,為了保證調(diào)門使用線性最好的區(qū)域校驗(yàn),在安裝時需要優(yōu)先測量兩次線圈的電壓值,拉動鐵芯當(dāng)銜鐵與兩次級線圈所產(chǎn)生的電壓值相等時,此位置為調(diào)門開度50%,則鐵芯向下移動155mm為調(diào)門開度0%,向上移動155mm為調(diào)門開度100%。在確定好0與100%位置后就可將LVDT鐵芯固定,完成準(zhǔn)備工作后就可以進(jìn)行全行程校驗(yàn)。
秦山核電二期1號機(jī)組調(diào)門最終開度位置數(shù)據(jù)見表1。
表1 秦山核電二期1號機(jī)組調(diào)門最終開度位置數(shù)據(jù)Table 1 Final opening position data of control valve for unit 1 of Qinshan Nuclear Power phase II
DEH系統(tǒng)是本廠重要的汽機(jī)調(diào)節(jié)保護(hù)系統(tǒng),DEH的穩(wěn)定與否,直接關(guān)系到電廠的穩(wěn)定和安全。本文結(jié)合DEH升級改造調(diào)試經(jīng)驗(yàn),從汽機(jī)油路調(diào)試、I/O通道回路測試、手動跳機(jī)按鈕的調(diào)試、調(diào)門校驗(yàn)調(diào)試,及新增電超的調(diào)試等方面進(jìn)行了探討,改造后對機(jī)組在穩(wěn)定性、安全性、可靠性上將有很大的提升。
DEH系統(tǒng)調(diào)試方法不拘一格,從邏輯與工藝出發(fā),摸索出一套行之有效適合于本廠現(xiàn)場條件的調(diào)試方法,為秦山核電二期1、2號機(jī)組DEH調(diào)試積累了寶貴的調(diào)試經(jīng)驗(yàn)。