核電廠儀表壓空分配系統(tǒng)分析及改進建議

張瀚文，王子航，臧小軍，龍鑫閣

（中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300）

儀表壓空分配系統(tǒng)從投運以來，已經(jīng)運行十余年，因設備老化導致設備故障率及誤報警率逐年上升，多次因設備故障造成壓縮氣體分配控制失效，導致重要廠房某一回路失氣，嚴重影響設備正常運行。本文通過儀表壓空分配系統(tǒng)控制系統(tǒng)的分析，列舉出目前控制系統(tǒng)存在的問題和缺陷。根據(jù)這些缺陷和問題，提出相應的優(yōu)化建議和改造方案，提高儀表壓空分配系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減少分配系統(tǒng)故障率，以保障核電站各個廠房的氣源可靠性，并為其它類似系統(tǒng)工況升級改造提供參考價值。

1 儀表壓空分配系統(tǒng)概述

儀表壓空分配系統(tǒng)是核電站儀表壓空系統(tǒng)的子系統(tǒng)，通過儀表壓空分配管網(wǎng)向重水堆核電站各個生產(chǎn)相關廠房的儀表壓空用戶供氣，以保證各廠房的氣動等設備的用氣需求。除了滿足各廠房壓空用戶基本用氣需求外，也可在某一供氣支管破裂后，及時隔離掉該供氣支管，停止對該支管供氣以保證給其他供氣支管正常供氣。圖1 是儀表壓空分配系統(tǒng)簡略流程圖。

圖1 儀表壓空分配管網(wǎng)示意圖Fig.1 Modification of instrument air distribute pipe network

1.1 儀表壓空分配系統(tǒng)作用

1）日常運行期間，儀表壓空分配系統(tǒng)將儀用空壓機產(chǎn)生并經(jīng)過干燥器干燥后得到的清潔、無油、干燥的空氣，通過儀表壓空分配管網(wǎng)的支管向重水堆核電站的反應堆廠房、核輔助廠房、汽輪機廠房、海水泵房、水處理廠房的儀表壓空用戶供氣，以保證各生產(chǎn)廠房的氣動設備的用氣需求。

2）異常工況下，當某一支管存在破裂情況導致大量漏氣現(xiàn)象發(fā)生時，對應支管上的電磁閥關閉，將支管隔離，不再向此支管供氣，以保證供氣到其他廠房的各支管正常供氣。

1.2 系統(tǒng)組成

儀表壓空分配系統(tǒng)包括：儀表壓空分配盤（1 個），儀表壓空分配母管（1 根），反應堆廠房供氣支管（1 根），核輔助廠房供氣支管（3 根），汽輪機廠房供氣支管（3 根），海水泵房供氣支管（1 根）。其中，核輔助廠房和汽輪機廠房供氣支管包括：奇列用戶、偶列用戶、非重要用戶支管各一根。除反應堆廠房供氣支管外，其他廠房的供氣支管上都安裝電磁閥。主要設備有：1 個儀表壓空主分配集管控制盤（67512-PL4079），8 臺電磁隔離閥（67512-SV4111/4112/4113/4115/4116/4117/4118/4119），8 臺差壓開關（67512-PDS-4331/4332/4333/4335/4336/4337/4338/4339），以及相關繼電器和延時繼電器。

1.3 儀表壓空分配系統(tǒng)控制邏輯

由圖1 可見，除反應堆廠房供氣支管以外的各支管上均安裝有隔離電磁閥，其目的是在各廠房供氣支管管道發(fā)生破裂時自動對其進行隔離，防止因為單個供氣支管發(fā)生管道破裂而導致整個儀表壓空系統(tǒng)壓力下降的情況出現(xiàn)。電磁閥由儀表壓空分配盤（67512-PL4079）控制。儀表壓空分配盤由兩路電源為其供電，奇路電源為奇列電磁閥供電，偶路電源為偶列電磁閥供電。隔離電磁閥前后有取壓管線引至差壓開關，差壓開關負責對隔離電磁閥前后壓力進行監(jiān)測。

電磁閥控制手柄打到AUTO 位置時，若監(jiān)測到隔離電磁閥前后壓差達到80kPa，并保持5s 后，觸發(fā)隔離電磁閥關閉邏輯，電磁閥得電關閉，以保證其它管線用戶用氣。儀表壓空母管壓力低于740kPa 持續(xù)5s，輔助廠房和汽輪機廠房的非重要儀表壓空用戶供氣支管電磁閥（SV4113 和SV4117）自動關閉，以保證對其他重要儀表壓空用戶供氣[1]。

電磁閥控制手柄打到CLOSE 位置時，則直接關閉電磁閥，停止對該支管供氣。

2 儀表壓空分配系統(tǒng)相關問題分析

儀表壓空分配系統(tǒng)從電廠投運以來，已經(jīng)連續(xù)運行了十余年，隨著設備的老化，系統(tǒng)的故障率也在逐年上升，主要的故障表現(xiàn)為電磁閥漏氣、電磁閥位置開關不到位和繼電器故障。調(diào)取歷史工單數(shù)據(jù)，經(jīng)過統(tǒng)計分析后發(fā)現(xiàn)導致儀表壓空分配系統(tǒng)控制異常故障主要分為兩類：①現(xiàn)場儀表產(chǎn)生故障；②控制系統(tǒng)故障?，F(xiàn)場儀表故障是設備維護中的正?，F(xiàn)象，可以通過合理增加預防性維護來進行優(yōu)化，減少儀表故障發(fā)生的頻率，但只能降低頻率，并不能從根本上消除。作為對比，控制系統(tǒng)常態(tài)化的發(fā)生故障，不是一種正常的現(xiàn)象，已經(jīng)違背了設備自動化的初衷，下面對儀表壓空分配系統(tǒng)現(xiàn)有的控制系統(tǒng)進行分析。

2.1 儀表壓空分配系統(tǒng)組成及當前維護策略

8 臺電磁隔離閥和8 臺差壓開關均由就地控制盤67512-PL4079 控制，控制盤位于汽輪機廠房，是由繼電器和延時繼電器組成的繼電器控制系統(tǒng)。通過接收現(xiàn)場觸點信號，完成內(nèi)部邏輯運算，輸出信號控制電磁閥的開啟和關閉。

電磁隔離閥使用Atkomatic 品牌，型號為32460-020PC CC1WP 的產(chǎn)品，為“半直聯(lián)或半先導”式，閥門開啟時上下游會有壓差，即閥門的進/出口存在壓降。電廠目前的預防性維修策略是周期為兩年的定期檢查，主要包括：清潔、檢查電磁閥及位置反饋外觀，檢查、記錄線圈阻抗和絕緣，檢查、緊固電磁閥接線以及電磁閥動作檢查。差壓開關使用Ashcroft 品牌，型號為D464B XNH 的產(chǎn)品，開關內(nèi)含有兩副觸點結構。電廠目前的預防性維修策略是周期為兩年的定期檢查，包括：清潔、標定差壓開關，檢查、緊固儀表回路接線。延時繼電器使用Cutler-Hammer 品牌，型號為PROTMR 9084A61G01 的產(chǎn)品。電廠目前的預防性維修策略是周期為兩年的定期檢查，內(nèi)容為檢查延時繼電器設定值。

2.2 控制系統(tǒng)目前存在的缺陷和局限性

2.2.1 故障率高，故障排查困難

繼電器控制系統(tǒng)的特性決定了它會使用大量機械觸點，觸點在動作時容易受到電弧的傷害，并且在日常運行中存在機械磨損，使其壽命縮短，故障率高。而且由于繼電器控制系統(tǒng)接線復雜[2]，當控制回路中任意一個繼電器或者一段接線出現(xiàn)問題，都將影響控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。由于接線復雜，故障查找十分困難，有時不得不逐一地對接觸器進行排查確認。

2.2.2 系統(tǒng)龐大，維護復雜，成本高

由于控制系統(tǒng)是大量的繼電器和延時繼電器組成的，為減少系統(tǒng)運行故障，保證控制系統(tǒng)的精確，每次停機大修期間都需要對繼電器進行性能檢查，對延時繼電器進行標定，將檢查不合格的設備予以更換。大量的標定工作浪費人力和時間，對不合格的繼電器進行更換也大大增加了維護成本。

例如2022 年工單：在對8 個延時繼電器檢查校驗時，發(fā)現(xiàn)其中有3 個延時繼電器的延時時間雖然滿足要求，但繼電器觸點閉合時電阻值較標準值（1Ω）偏大，且不穩(wěn)定。領出備件后，再次對3 個新繼電器檢查校驗，確認檢查合格并設置好延時時間后，更換至現(xiàn)場。校驗繼電器和新備件更換的過程耗費大量的時間和人力。

2.2.3 自動化程度低，無法幫助維修人員快速判斷設備故障

繼電器控制系統(tǒng)自動化程度較低，無法快速獲取控制系統(tǒng)以及現(xiàn)場設備的當前狀態(tài)，例如：在檢修過程中，如果需要獲取現(xiàn)場所有差壓開關的狀態(tài)，必須參照圖紙確定輸入設備對應的繼電器，逐個測量繼電器觸點后才能確認設備狀態(tài)，耗費的時間長，效率低，不利于緊急情況下快速、準確地定位缺陷，也難以應對復雜工況的變化。

2.2.4 關鍵敏感設備（SPV設備）多，不利于電廠運行和管理

汽輪機廠房的供氣支管中，奇管和偶管兩條回路上的電磁閥、差壓開關、延時繼電器、控制繼電器均為關鍵敏感設備，一旦出現(xiàn)故障不可用將導致電廠進入技術規(guī)格書限制，甚至有降功率停機的風險。此外，關鍵敏感設備數(shù)量多已經(jīng)不符合當前國內(nèi)外重水堆電廠的管理期望和經(jīng)驗，將給電廠管理和執(zhí)行部門帶來巨大的工作負擔。較多的SPV 設備將導致管理質(zhì)量和能力、力度有所下降，偏離SPV 設備的管理期望和目的。

綜上所述，儀表壓空分配控制目前存在故障率高，維護復雜，自動化程度低，關鍵敏感設備多，維護成本高等問題[3]，結合現(xiàn)場實際情況和控制系統(tǒng)目前的發(fā)展趨勢來看，已經(jīng)不滿足對當下控制系統(tǒng)的要求，需對其進行變更改造。

3 儀表壓空分配系統(tǒng)改進建議

按照保證現(xiàn)場設備安全，穩(wěn)定運行的要求，減少控制系統(tǒng)故障，提高設備自動化程度的訴求，建議使用PLC 對儀表壓空分配系統(tǒng)進行改造。

PLC 控制技術的出現(xiàn)，能很好地解決以上問題。接線簡單，可靠性高；配套齊全，功能完善，實用性強；系統(tǒng)的設計簡單，維護方便，容易改造；體積小，重量輕；能耗低，易學易用[4]，完全符合當下核電廠的運行實際工況。并且其兼容性強，能夠在不改變現(xiàn)場設備接線的情況下，完成對控制系統(tǒng)的改造。

表1 PLC輸入輸出點統(tǒng)計表Table 1 Statistics table of PLC input and output point

儀表壓空分配系統(tǒng)控制現(xiàn)場設備都為開關量控制，十分適合使用PLC 對控制系統(tǒng)進行改造。通過對現(xiàn)有控制系統(tǒng)I/0 點的統(tǒng)計，確認儀表壓空分配系統(tǒng)輸入量為25 個，輸出量為19 個，還不計算如果改為PLC 控制后I/O 點還能進一步降低，使用一臺小型PLC（按照PLC 大小定義，128點以下PLC 為小型）也完全能夠滿足現(xiàn)場改造需求。確定了硬件設備及I/O 變量后，需編制梯形圖，寫出指令表，參考控制系統(tǒng)中電路輸入點分配圖和連接圖及控制邏輯圖，根據(jù)輸入信號和輸出控制對象的作用編制出滿足現(xiàn)場需求的梯形邏輯圖。

編制PLC 梯形圖必須遵守梯形圖的語法規(guī)則，滿足語法要求。比如，線圈必須放在電路圖的最右側，否則將無法正常運行。同時，規(guī)范的梯形圖有利于維護人員對控制邏輯的解讀。此外應注意，PLC 輸出繼電器的電壓類型和額定值應與外部負載一致，PLC 的繼電器輸出模塊只能驅(qū)動額定電壓為AC220V 或DC24V 的負載。

4 改進方案與原控制系統(tǒng)對比

繼電器控制系統(tǒng)和PLC 控制系統(tǒng)對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的輸入和輸出方式是相同的，不同的是邏輯運算環(huán)節(jié)。繼電器控制系統(tǒng)是通過繼電器動作來完成邏輯運算，而PLC 是通過內(nèi)部程序（梯形圖）來完成邏輯運算，因PLC 與繼電器空間系統(tǒng)邏輯處理不同（見圖2），繼電器控制系統(tǒng)中間繼電器產(chǎn)生的繼電器抖動，觸點接觸不良，接線松動[5]等故障都將可以避免，使得故障率能很大程度地降低，提升了系統(tǒng)的可靠性。

圖2 繼電器與PLC控制系統(tǒng)對比圖Fig.2 Comparison between relay and PLC

1）改造后將節(jié)省大量日常維護的人力成本

原控制系統(tǒng)在日常及大修期間的繼電器檢查和延時繼電器標定可以省去，且相對應的故障設備更換工作也可以省去。PLC 內(nèi)部程序不會出現(xiàn)錯誤或丟失，只需要定期進行動作邏輯的驗證即可，大大節(jié)省了維護成本的同時，也縮短了壓空系統(tǒng)不可用的時間，也避免電廠進入技術規(guī)格書的限制，降低了核電廠的安全隱患。

2）改造后故障定位更加迅速

現(xiàn)場設備的狀態(tài)可通過PLC 輸入輸出卡件上的狀態(tài)燈快速判斷，可一目了然找到缺陷的根本原因。此外，出現(xiàn)復雜的綜合性問題，也可通過在程序中強制某輸入輸出變量的方式，檢查對應的邏輯語句是否導通。通過多條邏輯語句的驗證，結合就地設備狀態(tài)，快速定位故障并解決問題。

3）改造后故障類型更加單一

以往維修人員在進行邏輯檢查后，定位到最終故障的原因包括：繼電器觸點不合格，延時繼電器接線松動，延時繼電器延時時間不滿足標準，手柄觸點短時間偶發(fā)性粘連等。對于以上故障問題，處理的方式也各不相同。主要處理方式包括：緊固接線，更換故障設備，校驗繼電器，但處理以上故障的時間均偏長，可能需要1 ～2 個小時。改造后出現(xiàn)的問題僅僅是成套PLC 的卡件問題，僅需要斷開上級電源后，直接更換其中某一塊故障卡件（包括CPU、電源模塊、PLC 基板、輸入輸出卡）即可，大大縮短解決故障的時間，提高效率。

4）改造后還降低了SPV 設備數(shù)量

可通過本次變更改造，將奇管、偶管的控制繼電器和延時繼電器使用PLC 卡件代替，直接減少了4 個SPV 級別的設備，保證了機組穩(wěn)定運行的同時也降低了電廠管理和執(zhí)行部門的工作負擔。

5 結論

儀表壓空系統(tǒng)投運已久，因設備老化，故障率逐年升高，并且由于控制系統(tǒng)老舊落后，增加了現(xiàn)場故障定位和處理的難度。本文針對控制系統(tǒng)目前存在的各項問題進行分析，對控制系統(tǒng)邏輯改造提出了方案，并將改造方案和目前控制系統(tǒng)進行對比，對比出改造方案對于目前控制系統(tǒng)的優(yōu)勢，希望此文能對儀表壓空分配系統(tǒng)改造提供參考。