秦山核電站下泄背壓調(diào)節(jié)閥控制系統(tǒng)改進(jìn)

喬鴻鵠 李曉焱

（上海核工程研究設(shè)計(jì)院，上海 200233）

為了保持控制器輸出信號不發(fā)生突變，避免給系統(tǒng)帶來干擾，控制系統(tǒng)通常采用無擾動切換[1-4，6]。無擾動切換[5]技術(shù)是指兩個一樣的控制設(shè)備（或回路）互為備用；在正常情況下，一個控制設(shè)備（或回路）使用，另一個控制設(shè)備（或回路）備用；出現(xiàn)故障時，切換啟用備用設(shè)備（或回路）。由于兩個控制設(shè)備（或回路）一樣，因此切換時不發(fā)生干擾和突變。

在核電廠中，化學(xué)和容積控制系統(tǒng)通過上充和下泄使穩(wěn)壓器中的液位維持在額定設(shè)計(jì)變化范圍內(nèi)。下泄背壓調(diào)節(jié)閥位于化學(xué)和容積控制系統(tǒng)下泄管段降壓孔板后，其作用在于控制下泄流壓力。在反應(yīng)堆滿水情況下，該閥門可以控制反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)的壓力。該閥門為核安全3級。秦山一期核電站采用主、應(yīng)控雙回路控制下泄背壓調(diào)節(jié)閥，以實(shí)現(xiàn)無擾動切換；但在實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)主、應(yīng)控模式均無法控制該閥門的情況。

1 下泄背壓調(diào)節(jié)閥控制系統(tǒng)原理

下泄背壓調(diào)節(jié)閥前段壓力變送器送出的信號控制閥門至一定開度，以達(dá)到控制降壓孔板后至一定壓力的目的。無擾動切換是下泄背壓調(diào)節(jié)閥控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。為實(shí)現(xiàn)無擾動切換，系統(tǒng)采用了主控和應(yīng)控兩個控制回路，控制系統(tǒng)原理圖和控制系統(tǒng)接線圖如圖1和圖2所示。

圖1 下泄背壓調(diào)節(jié)閥控制系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic of the letdown back pressure valve control system

該控制系統(tǒng)由壓力傳感器、信號隔離器（信號轉(zhuǎn)換模塊）、可編程程序控制器（調(diào)節(jié)卡）、跟蹤卡、手自動選擇開關(guān)、固態(tài)邏輯組件、繼電器邏輯組件包以及主應(yīng)控選擇開關(guān)組成。

固態(tài)邏輯組件由門電路構(gòu)成，作用在于將開關(guān)信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?；繼電器邏輯組件包含有一個繼電器并帶有4副觸點(diǎn)，根據(jù)輸入觸點(diǎn)情況開關(guān)、閉合輸出觸點(diǎn)。

壓力傳感器測量下泄管段孔板后的壓力值，并將測量值以4～20mA的信號經(jīng)過信號隔離器隔離后，分別送到主控、應(yīng)控兩回路。

在主控回路中，4～20mA的測量值經(jīng)過I/V模塊轉(zhuǎn)成信號輸入主控調(diào)節(jié)卡。主控調(diào)節(jié)卡首先將測量值與期望值做差，再對差值做PID運(yùn)算。調(diào)節(jié)卡的輸出由手自動選擇開關(guān)控制。當(dāng)手自動選擇開關(guān)在“自動”位置時，調(diào)節(jié)卡直接輸出到繼電器邏輯組件2+端；當(dāng)手自動選擇開關(guān)在“手動”位置時，已設(shè)置好的電流源輸入繼電器邏輯組件2+端，再由2-端輸出控制下泄背壓調(diào)節(jié)閥。

圖2 下泄背壓調(diào)節(jié)閥控制系統(tǒng)接線圖Fig.2 Wiring of the letdown back pressure valve control system

該系統(tǒng)使用繼電器邏輯組件的端子1+、2+、2-、3+、5和6。1+端連接控制主應(yīng)控切換開關(guān)，2+端連接主控調(diào)節(jié)卡，3+端連接應(yīng)控調(diào)節(jié)卡，5端通過固態(tài)邏輯組件連接主控跟蹤卡，6端通過固態(tài)邏輯組件連接應(yīng)控跟蹤卡，2-端輸出信號經(jīng)信號轉(zhuǎn)換模塊連接至控制閥。5端與6端的電平始終相反。當(dāng)端子5電壓為15 V時，與之連接的主控跟蹤卡無跟蹤功能；此時，6端電壓為0 V，應(yīng)控跟蹤卡有跟蹤功能，跟蹤主控調(diào)節(jié)卡的輸出。反之，如果5端電壓為0 V，主控跟蹤卡工作，跟蹤應(yīng)控調(diào)節(jié)卡的輸出；而6端電壓為15 V，應(yīng)控跟蹤卡不工作。

正常情況系統(tǒng)在主控模式下運(yùn)行。此時，2+、2-為常閉觸點(diǎn)，3+、2-為常開觸點(diǎn)，6端為低電平時，觸發(fā)應(yīng)控跟蹤卡工作。應(yīng)控跟蹤卡的輸入引自繼電器邏輯組件2-端，輸出到3+端，使得2+端和3+端電位相同，實(shí)現(xiàn)跟蹤主控調(diào)節(jié)卡的功能。

當(dāng)主應(yīng)控切換開關(guān)打到應(yīng)控模式時，3+、2-觸點(diǎn)閉合，2+、2-觸點(diǎn)打開。由于3+、2+電位相同，因此能夠?qū)崿F(xiàn)無擾動切換。應(yīng)控模式下，6端為低電平，觸發(fā)主控跟蹤卡與應(yīng)控調(diào)節(jié)卡協(xié)調(diào)工作。同樣實(shí)現(xiàn)2+端和3+端電位相同，保證無擾動切換。

但是任何時候，系統(tǒng)只能在一種模式下工作，只能有一個跟蹤卡工作。

2 存在的問題

2.1 問題描述

核電廠在運(yùn)行時，出現(xiàn)“下泄控制閥前壓力正偏差”、“下泄控制閥前壓力高”報警，下泄控制閥故障全關(guān)，主控手動無法打開。切換到應(yīng)控模式仍然無法操作。指導(dǎo)檢修人員更換控制回路跟蹤卡件后，下泄背壓調(diào)節(jié)閥的主控、應(yīng)控手動開關(guān)才正常。

2.2 問題分析

事故后發(fā)現(xiàn)主控跟蹤卡發(fā)生故障，驅(qū)動輸入端電位始終為10 V。從而導(dǎo)致與之連接的應(yīng)控跟蹤卡輸入端、繼電器邏輯組件的輸入端電位鉗為10 V。

該問題的背后反映出系統(tǒng)設(shè)計(jì)中存在下列深層原因：

1）功能冗余，部分設(shè)備可以刪除。固態(tài)邏輯組件的功能是將繼電器邏輯組件輸出（5+、5-和6+、6-）的開關(guān)信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?，然后送到跟蹤卡?+、3-）。但是，跟蹤卡內(nèi)部的電路結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)將開關(guān)信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?。因此固態(tài)邏輯組件功能冗余，可以刪除。

2）主控、應(yīng)控雙控模式不是互為備用的關(guān)系。核電廠正常運(yùn)行時，操縱員都在主控制室對設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視和操縱。應(yīng)急控制室需要跟蹤主控制室，以實(shí)現(xiàn)無擾動切換。只有當(dāng)主控制室不可用時，才切換到應(yīng)急控制室。此時，操縱員會把電廠引入安全停堆狀態(tài)。原設(shè)計(jì)中，主控室跟蹤應(yīng)控室調(diào)節(jié)器輸出是為了實(shí)現(xiàn)無擾動切換。但在實(shí)際中，當(dāng)核電廠工作在應(yīng)控模式下時，已說明主控室不可使用。因此，主控室沒有必要跟蹤應(yīng)控室控制器的輸出值，應(yīng)刪除主控跟蹤卡，簡化控制系統(tǒng)，減少電路的故障率。

3）跟蹤卡取值處不當(dāng)，易造成電位被鉗。原系統(tǒng)將兩個跟蹤卡的取值處、繼電器邏輯組件輸出端和下泄背壓調(diào)節(jié)閥的輸入端連接在一起。只要任何一路出現(xiàn)故障，就容易造成電位被鉗，使得控制回路被“短路”，從而出現(xiàn)主應(yīng)控、手自動均無法控制的現(xiàn)象。

因此，跟蹤卡的取值處應(yīng)選擇在合適的位置，且不能影響系統(tǒng)無擾動切換。

3 改進(jìn)方案

針對上述存在的問題，做出如下改進(jìn)方案：

1) 刪除主控跟蹤卡。主控室沒有必要跟蹤應(yīng)控室，故刪除主控跟蹤卡。

2）刪除固態(tài)邏輯組件。本系統(tǒng)選用Foxboro公司生產(chǎn)的2AX+DSS型固態(tài)邏輯組件。該組件內(nèi)部電路的輸入端存在一個+15 V電壓，能將開關(guān)信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?。因此可以刪除固態(tài)邏輯組件。繼電器邏輯組件6+、6-端與應(yīng)控跟蹤卡的3+、3-端直接相連。

3）跟蹤卡的取值處選擇在調(diào)節(jié)卡輸出端。應(yīng)控跟蹤卡的驅(qū)動輸入端1+直接與主控調(diào)節(jié)卡輸出端2+相連。此舉避免了多點(diǎn)交叉電位被鉗，避免了控制回路被短路。

圖3 改進(jìn)后的下泄背壓調(diào)節(jié)閥控制系統(tǒng)原理圖Fig.3 Schematic of the improved letdown back pressure valve control system

改進(jìn)之后，下泄背壓調(diào)節(jié)閥控制系統(tǒng)原理圖和控制系統(tǒng)接線圖如圖3和圖4所示。將圖1、圖2與圖3、圖4比較，改進(jìn)后的下泄背壓調(diào)節(jié)閥控制系統(tǒng)同樣能夠?qū)崿F(xiàn)無擾動切換，并且精簡了設(shè)備，簡化了系統(tǒng)，減少了發(fā)生故障的概率。

4 驗(yàn)證與總結(jié)

原來設(shè)計(jì)的秦山一期核電站下泄背壓調(diào)節(jié)閥具有無擾動切換的功能，但是在實(shí)際運(yùn)行中發(fā)生了由于電位被鉗導(dǎo)致主應(yīng)控?zé)o法工作的故障。

文章針對此問題，分析產(chǎn)生故障的原因，提出改進(jìn)方案，刪除固態(tài)邏輯門電路，刪除主控跟蹤卡，精簡設(shè)備，簡化系統(tǒng)；并將跟蹤卡的取值處轉(zhuǎn)移到調(diào)節(jié)卡輸出端，避免電壓被鉗住。

改進(jìn)后的下泄背壓調(diào)節(jié)閥控制方案既保證了原有的功能和優(yōu)點(diǎn)，又簡化了系統(tǒng)，精簡了設(shè)備，從而降低故障發(fā)生率。改進(jìn)后的方案在秦山一期核電站運(yùn)行良好。

圖4 改進(jìn)后的下泄背壓調(diào)節(jié)閥控制系統(tǒng)接線圖Fig.4 Wiring of the improved letdown back pressure valve control system

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