核電廠電動主給水泵系統轉速異常波動淺析

孫明遠，韓雙

(中廣核核電運營有限公司，廣東深圳518124)

1 APA系統功能簡介

1.1 功能

核電站電動主給水泵為離心泵[]，利用離心力工作，將能量傳遞給二回路給水，提供其動能及勢能，構成二回路循環。

系統的主要功能包含兩方面：

①將給水從除氧器中吸出，升溫升壓后通過高壓加熱系統送SG，在SG內完成一二回路間的換熱，導出堆芯熱量。

②在整個功率量程范圍內響應系統的調速需求，消除單臺蒸發器液位調節對其他蒸發器造成的耦合影響。

調速性能是APA系統的核心關注，它直接影響蒸汽發生器（SG）水位控制的穩定性，當APA系統調速發生異常時，SG的液位受其影響也將發生波動，一旦出現蒸發器液位超過/低于特定閾值將引起反應堆跳堆。

1.2 APA調速系統的組成

APA轉速調節主要通過5個重要部分實現：勺管、主渦輪、次級渦輪，勺管位置控制單元，調速PLC，其功能如下：（圖1）

①勺管：實現主次級渦輪的工作油環厚度調節。②主渦輪：輸出電動機動能。③次級渦輪：通過工作油接收電動機動能，并輸出到壓力級泵。④勺管位置控制單元：接收調速PLC生成的勺管定值信號。⑤調速PLC：接收系統轉速定值，經偏差運算后生成勺管定值。

圖1 APA系統調速環節簡圖

1.3 調速原理

1.3.1 轉速調節系統的幾個重要參數

①汽水差壓整定值。主蒸汽流量表征實時汽機功率水平，主蒸汽流量表測得的實時主蒸汽流量經GD函數換算后生成汽水差壓整定值。

②汽水差壓實測值。汽水差壓由主給水流量調節系統(ARE)的差壓傳感器測得，取樣點分別位于主蒸汽母管與主給水母管，差壓值作為轉速設定值生成控制器的負反饋環節。

③轉速定值。汽水差整定值是隨功率變化的擬合曲線,它與汽水差壓實測值做偏差運算，經轉速設定值生成控制器處理后生成APA轉速定值。

④轉速實測值。APA系統轉速探頭安裝在液力耦合器輸出軸上端，采集測速齒輪轉速，經就地頻率電流（F/I）轉換模塊處理后生成4-20mA標準信號，傳輸至調速PLC（SLC-500）的模擬量輸入模塊，作為轉速閉環控制的負反饋環節。

⑤勺管位置定值。轉速設定值與轉速實測值做偏差運算，經調速PLC處理后生成勺管位置定值。

⑥勺管位置實測值。BALLUFF傳感器作為液力耦合器勺管的位置測量單元，實時采集勺管位置，并將勺管位置處理后生成標準信號，送至勺管位置控制單元（VEHS）,作為控制單元的負反饋，參與控制變量的計算。

1.3.2 調節過程

主渦輪通過變速齒輪與APA電動機主軸機械連接，其動力通過兩級渦輪間高速旋轉的油環傳遞到次級渦輪，次級渦輪與APA壓力級泵主軸機械連接，當兩級渦輪內的油環厚度發生變化時，由主渦輪傳遞到次級渦輪的動能將發生變化,從而輸出到壓力級泵的轉速將發生變化，勺管正是用來調節兩級渦輪間油環厚度來控制輸出轉速的。

2 轉速波動的幾種故障模式

調節系統的特性決定了其控制對象不可能永遠穩定在某一恒定水平，對于轉速控制而言波動是正常現象，但這種波動應呈現規律且可控，其波幅及頻率應不對機組穩定運行造成負面影響，一旦控制對象的波動呈現不可控狀態，那么必須分析其成因，及時采取必要措施，下面列出幾種可能情況：

波動產生的可能原因：

可能原因1：主蒸汽流量表故障，主蒸汽流量表故障后其生成的汽水差壓整定值將產生偏差，進而使得APA轉速定值出現波動，導致APA泵速度波動。

可能原因2：汽水差壓傳感器異常，為轉速定值生成控制器的負反饋環節，原理同上。

可能原因3：BALLUFF傳感器故障，BALLUFF傳感器作為末級控制器(VEHS)的負反饋環節，參與勺管控位置控制。

可能原因4：轉速手/自動控制切換的瞬間，未能實現無擾切換，勺管定值擬合曲線在該切換點上的擬合值與實際勺管位置不一致，手動控制時自動輸出跟蹤實際勺管位置，切自動瞬間兩者之間的偏差引發轉速波動。

可能原因5：“轉速-勺管位置”曲線不平滑，個別區段曲線斜率較大，即，△v/△s（△v：轉速增量；△s：勺管增量）過大，使得勺管控制在此區段抗干擾性能變差,微小擾動引入后控制過于靈敏出現震蕩。

3 實際案列

轉速控制在手動狀態時，每次點擊升降速按鈕，勺管上升或者下降3.3%，相應的，兩級渦輪內油環徑向厚度也將變化3.3%，但其油耦合的傳動方式以及渦輪的物理結構決定了對應3.3%的油環厚度變化其在不同工作點上所帶來的轉速變化不可能是恒定值，它的大小受制于主次級渦輪在不同轉速點的傳動效率、所帶負荷以及其他機械方面的因素。

異常1：

案列中涉及的APA泵，當勺管在0-100%之間變化時，對應轉速變化范圍0-6000rpm，因此3.3%的勺管位置階躍理論上將引起198rpm的轉速階躍，從歷次啟泵的經驗來看其轉速階躍值大致在150-300rpm范圍內。

本次啟動APA泵時，從670rpm到3700rpm之間的每次點動升速操作其所對應的轉速變化量也基本落在了150-300rpm之間（個別點稍有偏離），但在進行最后一步操作時，轉速直接由3710升到4290rpm左右，其階躍580rpm，因與預期不一致，故操縱員嘗試將轉速降到前一級平臺（3700rpm）重新升速，第二次階躍是590rpm左右，依舊遠超預期，兩次在3700rpm平臺的點動升速操作其所對應的勺管變化均在3.3%左右，與理論值基本一致，但輸出的轉速階躍均較前一級大為增加，故懷疑在此調速區間，轉速相對于勺管的靈敏度過高。

異常2：

APA泵轉速控制切自動后不久便現了轉速波動現象，波幅110rpm左右，波動每次出現持續一段時間，自發消失，切手動后轉速穩定。

波動的可能原因:

①轉速設定值波動，可能性小：再鑒定期間定值為內部給定值，由操作員手動給出，不隨汽水差壓變化。

②設定值回路卡件異常，可能性小：其波動過程呈規律變化，間斷性消失，且機組檢修期間設定值通道校驗未發現異常波動。

③特殊區間內轉速調節的靈敏度過高，可能性大：存在轉速切換點附近APA轉速調節靈敏度過高的可能性,此時即使系統內引入的是瞬時擾動也會引發持續的轉速震蕩,舉例說明如下：當瞬時擾動或者系統偶發的較大轉速波動出現后，如在較穩定的調速區間內，則該波動在自動系統的調節下會呈現一過性特征，但在調速靈敏度很高的區間則勺管為了“糾偏”而產生的每一步調節其對應的轉速變化都要比預期大很多，系統這時就會不斷的出現“糾偏-超調-糾偏...”的現象，同時因為轉速調節與勺管調節存在微小的非同步現象（且勺管響應略微滯后），所以當某一瞬間轉速與勺管恰好波動到預期位置，則系統復歸穩定狀態，而后續再有擾動引入時，波動重復出現。其它泵組再鑒定期間的轉速曲線顯示其全程無轉速波動，3700rpm以上平臺升速無異常階躍（階躍在：320rpm左右），可以反證上述分析。