福清核電主給水泵轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)單點(diǎn)失效分析與改進(jìn)

鄭孝珠 陳湛楊

福建福清核電有限公司 福建福清 350300

主給水流量控制系統(tǒng)是核電站中的重要控制系統(tǒng)之一，其控制性能直接影響著蒸發(fā)器液位的穩(wěn)定。在主給水流量控制系統(tǒng)中，若主給水泵轉(zhuǎn)速波動(dòng)將直接影響蒸發(fā)器液位控制。主給水泵轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)作為核電站中最重要的SPV（指單個(gè)設(shè)備故障即可導(dǎo)致電站停堆、停機(jī)、降功率、功率大幅度波動(dòng)的設(shè)備）設(shè)備之一，是維持蒸發(fā)器液位穩(wěn)定的核心。

在福清核電運(yùn)行的機(jī)組中，曾經(jīng)多次由于主給水泵轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的調(diào)速裝置誤動(dòng)導(dǎo)致蒸發(fā)器液位波動(dòng)，同行電廠中也出現(xiàn)過類似情況。針對(duì)該問題，文章通過分析，提出一些主給水泵轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)優(yōu)化改進(jìn)建議。

1 主給水泵轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)原理介紹

福清核電的主給水泵轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)使用的調(diào)速裝置是福伊特公司生產(chǎn)的R17K450M型液力耦合器（以下簡(jiǎn)稱液耦），液耦基于費(fèi)丁格爾原理設(shè)計(jì)，將驅(qū)動(dòng)電機(jī)產(chǎn)生的機(jī)械能通過泵輪轉(zhuǎn)化成工作油的動(dòng)能，渦輪再將工作油的動(dòng)能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能。耦合器旋轉(zhuǎn)時(shí)，工作油在工作腔內(nèi)形成油環(huán)，通過改變勺管的位置來控制油環(huán)厚度，改變耦合效應(yīng)，從而達(dá)到控制渦輪轉(zhuǎn)速的目的[1]。

液耦中有一套獨(dú)特的轉(zhuǎn)速控制裝置，叫做VEHS（福伊特電液執(zhí)行器），它實(shí)現(xiàn)了對(duì)主給水泵轉(zhuǎn)速的精準(zhǔn)控制。VEHS通過比較勺管的實(shí)際位置與設(shè)定值，計(jì)算出偏差量，輸出信號(hào)改變?nèi)凰耐ㄩy的位置，調(diào)節(jié)勺管液壓缸內(nèi)的差壓，進(jìn)而改變勺管位置[2]。

液耦的轉(zhuǎn)速控制PLC由一個(gè)自動(dòng)控制器（以下簡(jiǎn)稱SLC500）和一個(gè)手動(dòng)控制器(以下簡(jiǎn)稱S7-200)組成的。SLC500將從DCS接收的轉(zhuǎn)速設(shè)定值信號(hào)與實(shí)際轉(zhuǎn)速值信號(hào)相比較后，經(jīng)過PID運(yùn)算轉(zhuǎn)化為液耦勺管位置設(shè)定值并發(fā)送給VEHS，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的自動(dòng)調(diào)節(jié)；S7-200接收主控發(fā)出的升速/降速脈沖，直接驅(qū)動(dòng)勺管上升或下降，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的手動(dòng)調(diào)節(jié)。

2 主給水泵轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)單點(diǎn)失效案例分析

2017年9月9日，福清核電4號(hào)機(jī)組在執(zhí)行切泵操作時(shí)，將4APA302PO置手動(dòng)后，其轉(zhuǎn)速由4126rpm快速降至613rpm，導(dǎo)致蒸發(fā)器液位波動(dòng)，與預(yù)期不符。儀控人員檢查發(fā)現(xiàn)勺管位置反饋信號(hào)的隔離分配卡件輸出至S7-200的信號(hào)回路電流偏低,具體實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可見下表1。

本次勺管下插的原因?yàn)樯坠芪环葱盘?hào)隔離分配卡件性能下降，其輸出到手動(dòng)控制PLC的位反信號(hào)偏低，并且不穩(wěn)定。泵由自動(dòng)切到手動(dòng)控制時(shí)，由于輸出到手動(dòng)控制PLC的位反信號(hào)偶發(fā)丟失，導(dǎo)致勺管下插到最小位置。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試我們發(fā)現(xiàn)在主給水泵正常運(yùn)行時(shí)，出現(xiàn)以下幾種故障可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)異常：

DCS的轉(zhuǎn)速設(shè)定值信號(hào)丟失：轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)由自動(dòng)切為手動(dòng)；

PLC控制電源掉電：勺管下插到最小位置；

手自動(dòng)PLC全故障：勺管下插到最小位置；

PLC輸出指令斷線：勺管下插到最小位置；

VEHS反饋信號(hào)斷線：勺管下插到最小位置；

勺管的位置反饋傳感器信號(hào)失效：勺管下插到最小位置；

主給水泵轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)作為核電站中的重要SPV設(shè)備之一，如果其單點(diǎn)失效將導(dǎo)致勺管誤動(dòng)，導(dǎo)致蒸發(fā)器液位波動(dòng)。當(dāng)勺管誤動(dòng)時(shí)，極可能由于干預(yù)不及時(shí)導(dǎo)致蒸發(fā)器液位大幅波動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)甚至停堆。在福清核電機(jī)組調(diào)試運(yùn)行這幾年中，曾出現(xiàn)過多次由于控制柜內(nèi)接線端子虛接或控制卡件失效，導(dǎo)致液耦調(diào)速裝置故障。

2015年5月7日，一號(hào)機(jī)組處于功率運(yùn)行，1APA202PO突然由自動(dòng)控制切為手動(dòng)控制，就地控制柜出現(xiàn)“Wire break at ADC Ch2：Scoop tube position”(勺管位反斷線故障 )報(bào)警，經(jīng)過檢查發(fā)現(xiàn)是由于勺管位反信號(hào)的端子虛接。

2016年7月19日，3APA302PO轉(zhuǎn)速從4085rpm突然降至620rpm，持續(xù)一分鐘后恢復(fù)至4085rpm。經(jīng)過檢查發(fā)現(xiàn)，勺管位反的供電端子虛接，短時(shí)失去供電導(dǎo)致勺管下插至0%。

2017年9月9日，由于勺管位反信號(hào)隔離分配卡件性能下降，輸出到手動(dòng)控制PLC的位反信號(hào)偶發(fā)丟失，4APA302PO切手動(dòng)后轉(zhuǎn)速由4126rpm快速降低至613rpm，勺管下插到0%。

表1 勺管位反信號(hào)隔離分配卡件輸入輸出實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表

綜合各案例可知，主給水泵轉(zhuǎn)速控制失效基本都是由于信號(hào)丟失導(dǎo)致勺管誤動(dòng)。如果信號(hào)丟失時(shí)能及時(shí)觸發(fā)報(bào)警，并阻止勺管動(dòng)作，則能防止主給水泵轉(zhuǎn)速及蒸發(fā)器液位大幅波動(dòng)，同時(shí)也給操縱員提供足夠的干預(yù)時(shí)間，防止事態(tài)進(jìn)一步惡化。

3 主給水泵轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)單點(diǎn)失效改進(jìn)

3.1 主給水泵轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)中增加保位閥

根據(jù)勺管動(dòng)作原理可知，通過改變?nèi)凰耐ㄩy的位置，調(diào)節(jié)勺管液壓缸內(nèi)的差壓，使得勺管動(dòng)作。在勺管液壓缸的管路中加裝一個(gè)保位電磁閥，當(dāng)出現(xiàn)液耦調(diào)速裝置故障時(shí)，保位電磁閥失電關(guān)閉，切斷勺管液壓缸管路，使液壓缸內(nèi)的液壓油與外部供油管路隔斷，從而確保勺管液壓缸的兩側(cè)壓力不變，實(shí)現(xiàn)保位功能（見圖1）。

圖1 液耦增加保位閥改造原理圖

根據(jù)上述分析，液耦增加保位閥需要實(shí)現(xiàn)當(dāng)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)異常時(shí)，保位電磁閥失電關(guān)，切斷勺管液壓缸油路，達(dá)到保位功能。實(shí)施本改造主要分為硬件改造和軟件改造兩部分。

（1）硬件改造部分。硬件改造主要包括機(jī)柜內(nèi)的改造和現(xiàn)場(chǎng)更換三位四通閥模塊。本次機(jī)柜改造主要為新增勺管的位反隔離模塊、控制保位電磁閥的繼電器及將RESET復(fù)位功能、保位閥動(dòng)作的報(bào)警送至主控。

勺管的位反隔離模塊將勺管的位置反饋一分為二，送往SLC500和S7-200參與保位閥控制。當(dāng)勺管的位反斷線或故障時(shí)，保位閥失電關(guān)；另一路送往勺管PID計(jì)算模塊參與勺管控制。可將一路勺管位反信號(hào)直接接入SLC500控制器的模擬量輸入卡件的備用通道，另一路勺管位反信號(hào)接入S7-200控制器的備用通道。SLC500及S7-200上都預(yù)留了備用數(shù)字量輸出通道，可直接將PLC計(jì)算結(jié)果輸出至保位電磁閥繼電器，驅(qū)動(dòng)保位電磁閥動(dòng)作。

機(jī)柜下部需要新增端子排，安裝新增的保位繼電器及送往DCS的信號(hào)。。繼電器供電可直接由手自動(dòng)兩PLC并聯(lián)供電，并將手自動(dòng)PLC輸出的兩個(gè)保位電磁閥動(dòng)作信號(hào)以并聯(lián)的方式控制保位電磁閥，當(dāng)失去供電及手自動(dòng)PLC模塊都輸出0時(shí)，繼電器失電，保位電磁閥關(guān)閉。并在AGM就地控制柜與DCS機(jī)柜間新增一條電纜將保位電磁閥動(dòng)作反饋至KIC。為了能使主控在故障解決后復(fù)位保位閥的狀態(tài)，還需要新增復(fù)位保位閥狀態(tài)的RESET按鈕，使操縱員能在主控復(fù)位故障。

（2）軟件改造部分。軟件改造主要包括SLC500/S7-200的程序修改及DCS內(nèi)新增模塊，增加保位電磁閥動(dòng)作和RESET復(fù)位按鈕的邏輯（見圖二）。控制保位電磁閥的繼電器由PLC供電，當(dāng)PLC失電時(shí)，保位電磁閥失電關(guān)。當(dāng)程序判定出現(xiàn)PLC故障或輸出指令斷線時(shí)，保位電磁閥失電關(guān)。對(duì)于VEHS里勺管位反斷線或故障的判定，我們可以增加一個(gè)對(duì)VEHS送PLC的信號(hào)判定，當(dāng)PLC接收到的電流小于3mA時(shí)，判斷VEHS的位反信號(hào)斷線或故障；同理對(duì)于勺管位反輸出的信號(hào)也做一個(gè)判斷，PLC接收到小于3mA的信號(hào)時(shí)，則認(rèn)為勺管位反斷線或故障。只要有任一故障信號(hào)存在，保位電磁閥失電關(guān)閉。當(dāng)在DCS或就地控制柜上點(diǎn)擊RESET按鈕后，程序?qū)Ξ?dāng)前條件進(jìn)行判斷，若故障消除后，復(fù)位故障并使得電磁閥得電。在DCS內(nèi)新增一個(gè)CIN塊作為保位閥開關(guān)的反饋，新增一個(gè)COUT塊，作為RESET按鈕的輸出。

圖2 觸發(fā)保位電磁閥動(dòng)作及復(fù)位邏輯

（3）保位閥改造的風(fēng)險(xiǎn)控制及應(yīng)用效果。主給水泵轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)增加保位閥改造的風(fēng)險(xiǎn)主要來源于兩方面，一方面是改造中新增設(shè)備故障引入的額外風(fēng)險(xiǎn)，另一方面是保位閥動(dòng)作后解保位時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)。

本次改造主要分為軟件改造和硬件改造，在軟件改造中新增保位繼電器動(dòng)作的相關(guān)邏輯，需要對(duì)軟件邏輯進(jìn)行驗(yàn)證，主要包括故障報(bào)警功能驗(yàn)證、PLC控制功能測(cè)試、保位信號(hào)觸發(fā)后保位模式功能驗(yàn)證及動(dòng)作時(shí)間測(cè)試等。在硬件改造中新增了一些繼電器等設(shè)備，需要對(duì)硬件安裝、設(shè)備端接的完整性、設(shè)備供電電源進(jìn)行檢查，然后對(duì)控制柜上電進(jìn)行電源冗余測(cè)試及通道測(cè)試。

根據(jù)信號(hào)傳輸過程可知，勺管位反斷線故障信號(hào)經(jīng)過PLC判斷后，由PLC輸出保位閥動(dòng)作指令這條回路最長(zhǎng)。根據(jù)同行電廠調(diào)研可知，當(dāng)發(fā)生勺管位反斷線故障時(shí)到保位閥關(guān)閉保壓這段時(shí)間內(nèi)，勺管下插3%左右。機(jī)組在運(yùn)行時(shí)，勺管下插3%主給水泵轉(zhuǎn)速將下降200rpm左右，主給水流量波動(dòng)大概在50t/h～100t/h左右，基本不影響蒸發(fā)器液位控制。

保位閥動(dòng)作后，解保位是機(jī)組安全運(yùn)行的另一個(gè)重點(diǎn)。由于保位閥動(dòng)作時(shí)，主給水泵轉(zhuǎn)速切為手動(dòng)控制，轉(zhuǎn)速設(shè)定值跟隨當(dāng)前轉(zhuǎn)速，若故障能在短時(shí)間內(nèi)消除，可在故障消除后按RESET按鈕復(fù)位，并將主給水泵的轉(zhuǎn)速控制模式切為自動(dòng)控制。若故障原因無法及時(shí)定位并處理，運(yùn)行可啟動(dòng)備用泵進(jìn)行切泵。福清核電的主給水泵增加了暖泵管線，可以保證備用泵實(shí)時(shí)處于熱備用狀態(tài)，在保位閥動(dòng)作后，操縱員可及時(shí)手動(dòng)啟動(dòng)備用泵，進(jìn)行切泵操作。相對(duì)于毫無準(zhǔn)備的跳泵后備用泵自啟動(dòng)，操縱員手動(dòng)切泵對(duì)主給水流量的波動(dòng)是可預(yù)期的，可通過編寫預(yù)案將蒸發(fā)器液位波動(dòng)降至最低。

3.2 主給水泵轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備管理上的優(yōu)化與改進(jìn)

3.2.1對(duì)于SPV設(shè)備日常巡檢上的優(yōu)化與改進(jìn)

根據(jù)主給水泵轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)及運(yùn)行情況，可針對(duì)性地對(duì)勺管及VEHS裝置進(jìn)行“跑冒滴漏”方面的檢查，特別需要關(guān)注其是否漏油，是否有異音等。對(duì)于PLC就地控制柜，可定期在控制柜的操作面板上查看設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，例如指令與反饋是否一致，是否有異常報(bào)警等[1]。

3.2.2對(duì)于SPV設(shè)備備件管理方面的優(yōu)化與改進(jìn)

針對(duì)SPV設(shè)備備件管理問題，應(yīng)該設(shè)立專門的SPV設(shè)備備件包，將其與普通設(shè)備區(qū)分開來。對(duì)于這類重要設(shè)備的備件，在已有信息的基礎(chǔ)上，再對(duì)其做一次全面梳理，補(bǔ)充完善所有不完整的信息，確保每個(gè)SPV設(shè)備備件信息齊全，大大提升后期的采購效率。同時(shí)在備件管理系統(tǒng)上開發(fā)一個(gè)SPV設(shè)備備件包管理模塊，對(duì)錄入的信息進(jìn)行分類管理。將SPV設(shè)備備件包中的備件進(jìn)行分類，可分為必?fù)Q件和選換件。必?fù)Q件顧名思義就是在維修中必須更換的備件，針對(duì)必?fù)Q件可進(jìn)行定額管理，根據(jù)更換周期設(shè)置一個(gè)定期觸發(fā)的采購項(xiàng)目定期采購；對(duì)于可能在糾正性維修中需要更換的備件成為選換件，可根據(jù)裝機(jī)量、故障率等數(shù)據(jù)進(jìn)行定額管理，設(shè)置最小庫存，當(dāng)備件被領(lǐng)走后庫存數(shù)量降低到一定值，提醒維修工程師及設(shè)備管理工程師去查看分析是否需要補(bǔ)充備件。

3.2.3對(duì)于就地控制柜重要卡件性能管理的優(yōu)化與改進(jìn)

近年來，福清核電一二號(hào)機(jī)組BUP盤臺(tái)上多個(gè)無紙記錄儀出現(xiàn)黑屏故障，平均一兩周就有一個(gè)無紙記錄儀損壞。我們將換下來的無紙記錄儀寄回廠家返修檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)故障都是由于無紙記錄儀內(nèi)部的電子元器件老化失效導(dǎo)致。從福清核電三號(hào)機(jī)組隔離分配卡件性能下降導(dǎo)致勺管下插到最小位置的事件可看出，每一個(gè)電子設(shè)備都存在其固有的壽命，用的時(shí)間長(zhǎng)了，可能由于老化導(dǎo)致其性能下降，此時(shí)這就像一個(gè)“定時(shí)炸彈”，當(dāng)滿足某一條件將這個(gè)“定時(shí)炸彈”觸發(fā)后，可能產(chǎn)生重大影響。

根據(jù)上述例子，我們可以得出一個(gè)結(jié)論：當(dāng)電子元器件使用到一定時(shí)間后，控制性能由于老化將大不如前。針對(duì)此問題，我們需要對(duì)重要卡件的工作時(shí)間對(duì)其控制性能的影響進(jìn)行分析。針對(duì)主給水泵轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的就地控制柜，我們分析識(shí)別出以下幾個(gè)重要卡件：

31U3勺管位置反饋信號(hào)隔離卡件

32N4轉(zhuǎn)速設(shè)定值輸入輸出模塊

手動(dòng)PLC控制模塊

自動(dòng)PLC控制模塊

以上這些卡件失效將直接影響轉(zhuǎn)速PLC控制的可靠性，對(duì)此我們需要分析識(shí)別出這些重要卡件的有效壽命。可查找技術(shù)文件中是否有工作條件、工作時(shí)間對(duì)產(chǎn)品性能可能產(chǎn)生的影響的相關(guān)資料，或者是搭建一個(gè)最小測(cè)試平臺(tái)，對(duì)卡件進(jìn)行測(cè)試分析，根據(jù)測(cè)試結(jié)論來給出卡件的合理工作時(shí)間，判斷其是否需要定期更換。

3.2.4主給水泵轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)預(yù)防性維修項(xiàng)目分析與改進(jìn)

以福清核電一號(hào)機(jī)組為例，目前主給水泵轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)相關(guān)的預(yù)防性維修項(xiàng)目有17項(xiàng)，其中與轉(zhuǎn)速控制直接相關(guān)的檢查有5項(xiàng)，分別為就地控制柜及接線箱端子檢查清理和給水泵勺管VEHS校驗(yàn)。

在就地控制柜和接線箱端子檢查的規(guī)程中，規(guī)定了檢查每一個(gè)端子的方法：按照“看、緊、拉”三步驟進(jìn)行檢查，并明確規(guī)定了每個(gè)類型端子的緊固力矩。但是規(guī)程中只要求對(duì)就地控制柜和就地接線箱的接線進(jìn)行檢查，對(duì)于VEHS上的重要設(shè)備并未作出要求，例如勺管位反的端子箱就不在規(guī)程的檢查范圍內(nèi)。

在勺管校驗(yàn)的規(guī)程中，要求在就地接線箱中模擬勺管的指令，并測(cè)量VEHS和勺管位置反饋信號(hào)是否準(zhǔn)確。以上工作包含了轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的接線檢查及VEHS、勺管位反的設(shè)備可靠性檢查，但是對(duì)于PLC回路中的重要卡件并未進(jìn)行檢查測(cè)試。根據(jù)上述分析，我們需要增加定期對(duì)卡件進(jìn)行檢測(cè)的預(yù)防性維修項(xiàng)目，提前識(shí)別卡件性能是否滿足運(yùn)行要求，對(duì)不滿足運(yùn)行要求的卡件及時(shí)進(jìn)行維修或更換[2]。在增加預(yù)防性維修項(xiàng)目的同時(shí)，還需要優(yōu)化這些項(xiàng)目的執(zhí)行周期、執(zhí)行窗口及執(zhí)行順序。

4 結(jié)語

主給水泵轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的控制性能，直接影響著蒸汽發(fā)生器液位控制的穩(wěn)定性，文章通過分析福清核電勺管異常下插到最小位置的事件，總結(jié)出可能導(dǎo)致勺管誤動(dòng)的幾個(gè)原因：

（1）PLC控制電源掉電；

（2）手自動(dòng)PLC全故障；

（3）PLC輸出指令斷線；

（4）VEHS反饋信號(hào)斷線；

（5）勺管位置傳感器信號(hào)失效；

文章針對(duì)這幾個(gè)原因，對(duì)主給水泵轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)單點(diǎn)失效進(jìn)行詳細(xì)分析，從提升轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)硬件可靠性角度上，提出在VEHS上增加保位閥的變更。同時(shí)根據(jù)目前對(duì)主給水泵轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的管理模式及預(yù)防性維修項(xiàng)目上進(jìn)行分析，提出了一些適合福清核電的主給水泵轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)優(yōu)化改進(jìn)建議。