勺管保位控制系統(tǒng)在核電廠電動(dòng)給水泵系統(tǒng)上的應(yīng)用

連建國 張世偉 孫明遠(yuǎn)

【摘 要】國內(nèi)部分核電廠電動(dòng)給水泵系統(tǒng)（APA）采用了德國福伊特公司（Voith）的未帶勺管保衛(wèi)功能的液力耦合調(diào)速系統(tǒng)，當(dāng)該液力耦合調(diào)速系統(tǒng)出現(xiàn)例如勺管位置整定值斷線等特定故障時(shí)會(huì)出現(xiàn)勺管直接降到最小位置，造成給水泵轉(zhuǎn)速下降無法給蒸汽發(fā)生器正常供水，不利于核電廠的安全運(yùn)行；研究增加液力耦合器勺管保位功能能在特定故障模式下保證勺管保持在當(dāng)前位置，可有效增加電動(dòng)給水泵給蒸汽發(fā)生器供水的可靠性。

【Abstract】The electrically driven feed pump system （APA） of some nuclear power plants in China adopts the fluid coupling speed regulating system of Voith， Germany， it has no spoon tube protection function. When the fluid coupling speed regulating system appears specific faults such as the set value break of the spoon-tube position， the spoon tube will be directly reduced to the minimum position， which will cause the water supply can not be supplied to the steam generator due to the decline of the feed pump speed， and it is unfavorable to the safe operation of nuclear power plant. Studying the add of the position keeping function of the hydrodynamic coupling spoon tube， so as to ensure that the spoon tube remains in its current position when in a particular fault mode， which can effectively increase the reliability of supplying water to steam generator by electrically driven feed pump.

【關(guān)鍵詞】液力耦合調(diào)速系統(tǒng)；勺管；保位控制； 電動(dòng)給水泵（APA）

【Keywords】hydraulic coupling speed regulation system； spoon-tube； position keeping control； electrically driven feed pump（APA）

【中圖分類號(hào)】TP272； TK223.5 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-1069（2018）08-0169-03

1 引言

國內(nèi)部分核電站二回路主給水泵系統(tǒng)采用三臺(tái)電動(dòng)主給水泵（APA）給蒸汽發(fā)生器供水的方式，其能快速響應(yīng)給水流量控制系統(tǒng)（ARE）的變速要求，以保證在反應(yīng)堆整個(gè)熱負(fù)荷范圍內(nèi)向蒸汽發(fā)生器提供不同的給水流量要求[1]。 部分電動(dòng)泵給水系統(tǒng)（APA系統(tǒng)）采用了德國福伊特公司（Voith）的未帶勺管保衛(wèi)功能的液力耦合調(diào)速系統(tǒng)。該調(diào)速系統(tǒng)存在出現(xiàn)例如外部轉(zhuǎn)速設(shè)定值斷線、調(diào)速系統(tǒng)PLC控制器全部故障、PLC控制器失電、勺管位置傳感器反饋信號(hào)斷線或者故障、PLC輸出設(shè)定值指令斷線等故障模式時(shí)，其液力耦合調(diào)速系統(tǒng)中的勺管會(huì)自動(dòng)下降到最小位置（0%位置），造成給水泵轉(zhuǎn)速直接下降到勺管最小位置對應(yīng)的轉(zhuǎn)速，造成給水泵無法給蒸汽發(fā)生器正常供水；而且該情況下電動(dòng)泵只是降速并未直接停運(yùn)，因而無法及時(shí)自動(dòng)聯(lián)鎖啟動(dòng)APA備用泵，造成蒸發(fā)器供水不足，嚴(yán)重影響核電廠的安全運(yùn)行。而增加勺管位置保位系統(tǒng)可以在出現(xiàn)上述故障模式時(shí)將勺管保持在當(dāng)前位置，維持給水泵當(dāng)前轉(zhuǎn)速給蒸汽發(fā)生器供水，這樣可以給主控室充足的響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行干預(yù)操作，有效增加電動(dòng)給水泵調(diào)速可靠性。本文以國內(nèi)某核電廠一臺(tái)APA泵為例介紹增加勺管保位功能的具體實(shí)現(xiàn)。

2 VOITH液力偶合調(diào)速系統(tǒng)介紹

2.1 VOITH液力耦合器調(diào)速系統(tǒng)簡介

VOITH液力耦合器調(diào)速系統(tǒng)簡要構(gòu)成如圖1[2]所示，主要包括手動(dòng)控制器（S7-200 PLC）、自動(dòng)控制器（SLC500 PLC）、電液位置控制系統(tǒng)（VEHS）、勺管、液力耦合器、轉(zhuǎn)速探頭；

其中手動(dòng)控制器（S7-200 PLC）用來實(shí)現(xiàn)液力耦合器勺管位置的手動(dòng)控制，直接控制勺管位置。該控制器主要在泵的啟停階段使用。自動(dòng)控制器（SLC500 PLC）用于實(shí)現(xiàn)APA泵轉(zhuǎn)速的閉環(huán)調(diào)節(jié)功能。在機(jī)組正常運(yùn)行期間，由SLC500控制器對APA泵轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，它將主給水流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)（ARE）生成的電動(dòng)給水泵設(shè)定值信號(hào)與泵的實(shí)測轉(zhuǎn)速做偏差處理，經(jīng)PID運(yùn)算后，輸出勺管設(shè)定值信號(hào)給VEHS。

電液耦合器位置控制器（VEHS）是調(diào)速系統(tǒng)的核心部件，使用24VDC供電，其構(gòu)成主要包括PID調(diào)節(jié)電路、電磁力控制器、勺管位置反饋器、4/3閥、雙腔室活塞。VEHS根據(jù)PLC輸出的勺管位置設(shè)定值信號(hào)，計(jì)算出與實(shí)際勺管位置傳感器反饋的勺管位置信號(hào)的偏差值，經(jīng)內(nèi)部PID調(diào)節(jié)和電磁力控制器，對4/3閥進(jìn)行精確控制，通過控制雙向活塞腔室的進(jìn)油和排油，從而實(shí)現(xiàn)對Voith調(diào)速耦合器的勺管（Scoop tube）位置進(jìn)行精確和連續(xù)的控制。

2.2 電動(dòng)給水泵組轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)簡介

在本文示例的核電站中，電動(dòng)給水泵組由前置泵、電動(dòng)機(jī)、液力耦合器、壓力級泵串聯(lián)組成。泵運(yùn)行時(shí)由前置泵將除氧器的水抽出，并通過壓力級泵升壓后，經(jīng)高壓加熱器送至蒸汽發(fā)生器[3]。

實(shí)現(xiàn)APA泵轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，實(shí)際上是實(shí)現(xiàn)給水泵組中壓力級泵的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后直接驅(qū)動(dòng)前置泵，并通過變速齒輪軸驅(qū)動(dòng)液力耦合器的初級軸。液力耦合器調(diào)速系統(tǒng)根據(jù)PLC輸出的勺管位置設(shè)定值，通過VEHS的電磁控制器對圖1中的4/3 閥進(jìn)行精確和快速的控制，來改變雙向活塞兩側(cè)腔室的進(jìn)油及排油，進(jìn)而控制勺管位置而改變液力耦合器內(nèi)渦輪內(nèi)部的充油量，改變液力耦合器次級渦輪所能獲取的驅(qū)動(dòng)扭矩，從而實(shí)現(xiàn)壓力級泵可變轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。

3 增加勺管保位系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

對于未帶勺管保位功能的液力耦合器調(diào)速系統(tǒng)，當(dāng)出現(xiàn)VEHS的24V電源丟失、勺管位置傳感器（BALLUFF）信號(hào)斷線或者故障、勺管位置設(shè)定值信號(hào)斷線故障情況時(shí)會(huì)出現(xiàn)勺管自動(dòng)下降到最小位置（0%位置）。而在國內(nèi)核電站運(yùn)行過程中，確實(shí)出現(xiàn)過VEHS電源丟失導(dǎo)致勺管下降到0%位置，造成APA泵供水功能喪失的案例，也出現(xiàn)過勺管位置反饋器故障導(dǎo)致APA泵轉(zhuǎn)速大幅波動(dòng)的情況。

根據(jù)VEHS特性及對實(shí)際案例的分析可知，勺管位置降到0%位置，造成對應(yīng)給水泵供水功能喪失，對機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行影響較大。為了應(yīng)對上述意外工況，可以通過在圖1所示的勺管活塞兩側(cè)與3/4閥之間油路管線之間增加一個(gè)4/2保位電磁閥來實(shí)現(xiàn)，當(dāng)異常情況出現(xiàn)后，保位電磁閥失電保位，隔斷勺管活塞充/排油回路，實(shí)現(xiàn)勺管保持在當(dāng)前位置，對應(yīng)APA泵維持當(dāng)前轉(zhuǎn)速，以保證其供水能力，同時(shí)減少對蒸汽發(fā)生器水位的擾動(dòng)。

4 勺管保位功能實(shí)現(xiàn)

在本文示例的核電廠中一臺(tái)電動(dòng)給水泵進(jìn)行了增加勺管保位功能改造，保位閥選型為HERION S16 VH 18 13 G005 210 5 O O，該型號(hào)保位閥已在多臺(tái)給水泵組使用，性能穩(wěn)定。在與VOITH廠家的溝通以及對調(diào)速可能出現(xiàn)的異常情況分析的基礎(chǔ)上，確定在出現(xiàn)DCS轉(zhuǎn)速設(shè)定值斷線且同時(shí)手動(dòng)控制器故障、PLC控制器電源失去、手、自動(dòng)PLC控制器全部故障、勺管位置傳感器斷線或故障、PLC輸出設(shè)定值指令（勺管位置設(shè)定值）斷線、VEHS反饋給PLC的勺管位置信號(hào)斷線六種故障模式下時(shí)實(shí)現(xiàn)勺管保位響應(yīng)。

當(dāng)出現(xiàn)了上述六種故障模式中的某種情況時(shí)，保位電磁閥失電切斷4/3 閥與液壓缸之間的油路，讓活塞兩腔室的液壓油與外部供油管路隔斷，實(shí)現(xiàn)勺管安全保位功能。以下將介紹勺管保位改造增加保位閥和和PLC邏輯控制的具體實(shí)現(xiàn)：

4.1 保位閥硬件控制回路實(shí)現(xiàn)

在增加勺管保位電磁閥的控制回路參考圖2所示，保位閥正常帶電時(shí)不保位，失電時(shí)保位。手、自動(dòng)PLC控制器通過控制K558中間繼電器狀態(tài)實(shí)現(xiàn)保位閥的得、失電狀態(tài)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)勺管保位功能；同時(shí)通過K559繼電器的一對接點(diǎn)送DCS報(bào)警，當(dāng)保位閥處于保位狀態(tài)時(shí)觸發(fā)DCS報(bào)警及時(shí)提醒主控操作員進(jìn)行干預(yù)。

4.2 保位功能的PLC控制邏輯實(shí)現(xiàn)

對于上節(jié)描述的六種需要增加勺管保位功能的六種故障模式中，只有勺管位置傳感器斷線、PLC輸出設(shè)定值指令（勺管位置設(shè)定值）斷線、VEHS反饋給PLC的勺管位置信號(hào)斷線這幾種情況需要相應(yīng)的增加PLC邏輯判斷，而其他故障模式只需要增加了保位閥控制回路即可實(shí)現(xiàn)。本文以其中的勺管位置傳感器斷線為例介紹控制邏輯的實(shí)現(xiàn)。

在本示例中，勺管位置傳感器通過隔離模塊將勺管位置傳感器信號(hào)分別送至手動(dòng)控制器（S7-200）和自動(dòng)控制器（SLC500）進(jìn)行處理。當(dāng)對應(yīng)電動(dòng)泵處于轉(zhuǎn)速自動(dòng)控制模式時(shí)，如果出現(xiàn)勺管位置反饋器電流信號(hào)（對應(yīng)SLC500 PLC程序中的I：6.0）小于3mA時(shí)，轉(zhuǎn)速控制自動(dòng)切換到手動(dòng)控制，同時(shí)設(shè)置控制保位繼電器的輸出點(diǎn)O：5.0/7輸出為0。

而對于手動(dòng)控制程序中，同樣采集到勺管位置反饋器電流信號(hào)（對應(yīng)S7-200 PLC程序中的AIW2）小于3mA，則設(shè)置控制保位繼電器的輸出點(diǎn)O/0.4輸出為0。

對于PLC輸出設(shè)定值指令（勺管位置設(shè)定值）斷線、VEHS反饋給PLC的勺管位置信號(hào)斷線兩種故障模式，其對應(yīng)的保位控制邏輯的實(shí)現(xiàn)和勺管位置傳感器斷線控制邏輯基本類似，在此不再敘述。

5 結(jié)語

對于VOITH液力耦合調(diào)速系統(tǒng)，在特定故障情況下勺管直接下插到最小位置（0%位置），會(huì)直接造成該態(tài)電動(dòng)給水泵供水能力喪失，而導(dǎo)致蒸發(fā)器水位波動(dòng)，嚴(yán)重情況下可能引起機(jī)組甩負(fù)荷、停機(jī)、反應(yīng)堆停堆的情況發(fā)生，而勺管保位系統(tǒng)可以有效地避免這類情況發(fā)生，因此增加勺管保位功能對提高核電站電動(dòng)給水泵可靠運(yùn)行有積極的作用。

【參考文獻(xiàn)】

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