主給水泵液力耦合器控制電源的失電分析及優化

呂建超 王田志 楊連波

摘 要

向蒸發器供水的APA系統具有一套復雜的調節系統，由于APA泵采用變轉速的液力耦合器控制，因此它的穩定對機組的運行起著重要的作用，控制不當或者運行不穩定將直接導致蒸發器水位異常進而導致汽輪發電機組停機，甚至導致反應堆停堆。借此通過秦山二期擴建機組運行以來發生的APA泵的控制電源引起的瞬態事件，并結合秦山二期擴建機組APA泵控制電源的改進，本文提出擴建機組APA泵控制電源存在的問題及建議采取的措施，對機組的安全運行有很大的指導意義。

關鍵詞

主給水泵;控制電源;備用;RUNBACK信號

中圖分類號： TM621 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457 . 2020 . 17 . 75

0 前言

主給水泵系統由三臺并聯的50%容量的電動泵組構成，正常時兩臺運行，一臺備用。給水泵組的轉速控制系統能夠保證蒸汽發生器給水母管和蒸汽母管之間的壓差等于一個隨負荷變化的整定值，以維持給水流量控制系統調節閥前后的壓差恒定，從而消除了兩臺蒸汽發生器之間給水耦合影響，滿足蒸汽發生器給水流量要求，且在保證給水流量的前提下，使并聯運行的電動泵的流量合理分配，并具有一定的裕量。

三臺電動主給水泵的轉速均由DCS控制。由高壓加熱器出水母管實測值與蒸發器出口蒸汽母管壓力整定值之差（Pd）信號，作為主給水泵液力耦合器勺管的主控制信號，給出的是4-20m A的設定值改變可移動的勺管的位置來改變油腔室內油膜的厚度，到達改變電動給水泵的轉速。

輸出速度的改變是由過程控制器向VEHS定位控制裝置輸出給定（信號），即 “最大輸出速度”（100%）定位控制回路將“由位置傳感器測出的勺管位置實際值”與過程控制器的“設定值（信號）”進行比較。信號差值通過磁力控制器對4/3位閥的控制銷進行操作。由于控制銷的位置變化，控制油流進和流出雙向勺管定位液壓缸的流量也會產生相應變化，從而使主給水泵轉速發生變化，滿足供水需要。見下圖1。

1 主給水泵液力耦合器控制電源失電導致瞬態事件

秦山二期擴建機組的APA泵的液力耦合器控制電源原設計是：APA A泵和C泵的液力耦合器控制電源由LNQ經KCO 050AR單路供電，B泵液力耦合器控制電源由LNR經KCO 051AR供電，見下圖2。

實際運行過程中曾發生過上游電源逆變器故障，及更換APA110MV振動探頭的卡件等，導致機組停機停堆事件發生。雖然在此期間進行過逆變器電源改造及下游電源改造等，APA泵液力耦合器的控制電電源供電可謂安全可靠，但是仍存在一些會導致APA泵無出力的情況發生的隱患。比如液力耦合器供電的二極管模塊向下游供電線路故障，二極管卡件模塊本身故障，勺管本身控制系統故障等，仍存在導致機組瞬態時發生事件，為此建議以下改進。

2 優化改進建議

2.1 改進主給水泵跳泵邏輯

秦山二期擴建機組的常規島廠變的容量從42MVA提升到50/25-25MVA，不再受“同一條母線不能同時運行兩臺主給水泵”的限制，從這些考慮兩臺APA泵運行時可以隨便備用。但是仍然不允許同時啟動兩臺主給水泵，否則將導致6KV母線側的正常電源進線開關跳閘，因此不允許在一臺主給水泵運行的情況下，將其他兩臺泵同時置于“備用”狀態。

秦山二期擴建機組的APA泵的備用邏輯是主給水泵A、B可備用于任意一臺主給水泵，而LGA6/LGB4分別備用于A泵和B泵。可考慮在高功率下增加主給水泵運行時連鎖低流量啟動備用泵的信號。由于運行泵的液力耦合器喪失出力，但開關柜仍是處于合閘狀態，不會觸發機組大于50%負荷時，只有一臺主給水泵運行的RUNBACK信號，通過這樣的邏輯設置，可以完善運行泵無出力未跳閘的喪失給水流量的事件。

關于主給水泵低流量保護，可考慮如下設置：汽機功率大于某定值（如55%Pn），運行的主給水泵流量小于某定值（如800t/h），延時一段時間（如2s）則啟動備用泵。如下圖3。

以上邏輯中定值選擇依據：

汽機功率定值Ps的選擇，應該滿足機組高功率期間發生運行泵低流量故障時能保護。秦山二期擴建機組主給水泵的額定流量為2150t/h，此值對應到單臺蒸發器的給水為1075t/h，核算到對應于二回路的負荷大約55%Pn，因此在負荷低于55%Pn時，這樣即使出現備用的主給水泵啟動沒有流量出力，一臺主給水泵也能維持兩臺蒸發器給水的需要。若在汽機功率大于55%Pn，則發生一臺主給水泵液力耦合器故障的情況下，單臺主給水泵給2臺SG供水會導致主給水泵超流量，比如在發生單臺主給水泵的補給水流量曾達到2700t/h，主給水泵是超負荷運行的，因此建議要快速降功率，避免超流量超負荷運行。綜上汽機功率定值Ps取55%Pn比較合理。

主給水泵低流量定值Qs選擇，是為了保證在發生喪失液力耦合器電源時有必要啟動備用的主給水泵，從而保證及時供給給水，避免會因喪失給水導致的蒸發器水位低停堆。對于流量定值的選擇應滿足此時的再循環閥處于關閉狀態，而二回路第二臺主給水泵的啟動是在大約250MWe 啟動，此時對應二回路負荷大約37%Pn，單臺APA泵供水流量為1455t/h，當兩臺APA 泵運行時每臺APA泵的供水流量為728t/h，低流量定值Qs取728t/h-1075t/h區間，取900t/h比較合理。

流量低采用了三取二的符合邏輯和延時環節定值選擇，避免流量計的誤動和流量瞬時波動導致誤啟備用泵，同時延時定值不能太大否則無法備用啟動，取2s比較合理。由于流量低采用了三取二的符合邏輯且與汽機功率和主給水泵運行有連鎖，該邏輯誤動概率較低。風險是誤啟動備用泵，導致給水泵出口壓力上升，給水閥關小。此時操縱員可以手動減少誤啟動泵的出力最后停泵，相對備用泵無法啟動的風險來講要小得多。

備用主給水泵增加低流量信號啟動后，可以覆蓋高功率下各種因素導致液力耦合器失去出力導致低給水流量情況，當然也包括運行泵跳閘后啟動備用泵。因此這也是現有主給水泵跳泵邏輯啟備用泵的補充保護，經完善后的主給水泵備用泵啟動邏輯設計類似于核島設備冷卻水泵備用泵的電氣啟動和物理啟動。

2.2 改進主給水泵的跳閘邏輯

二廠主給水泵跳泵邏輯主要基于保護泵本體設備安全而設計， 除反應堆保護跳泵以外， 并未考慮其他特殊情況下來自工藝系統的跳泵需求， 備用主給水泵的自動聯鎖啟動條件為運行泵意外跳閘。

正常運行時， 主給水泵轉速由液力耦合器勺管控制、若液力耦合器勺管控制裝置意外故障失速， 主給水泵出力喪失， 其聯通管流量驟降。由于主給水泵仍處于合同狀態，備用泵無法自動聯鎖啟動。在機組滿功率運行其況下， 該瞬態將嚴重威脅反應堆、蒸汽發生器、主給水等系統和設備的正常運行， 可能導致停機停堆事件。

增加主給水泵流量異常下降跳泵邏輯：當主給水泵實際出力大于設定值1500t/h后（3、4#機組約80%負荷時對應的主給水流量值）， 如果7秒時間內流量由1500t/h突降至400t/h以下， 觸發跳泵信號。3號機組3臺主給水泵都已實施。邏輯如下圖。

2.3 二回路RUNBACK信號的改進建議

二回路的RUNBACK信號是負荷大于50%Pn功率（汽機功率320MW）時只有一臺主給水泵運行，延時2秒機組將以100%Pn/min速率降負荷到50%Pn以下或者直到啟動另外一臺主給水泵運行。

在滿功率運行時，若運行的一臺主給水泵或者和處于備用的泵的液力耦合器的勺管出現故障時，而故障的主給水泵沒有電氣跳閘，導致二回路的Runback信號無法發出，使機組喪失自動調節干預的最佳時機。

在更換APA110MV前置器的卡件中由于機組功率大于50%Pn（實際滿功率），當時兩臺主給水泵的運行，另外一臺運行的主給水泵APA A泵無出力供水，很明顯是要求機組要及時甩負荷的，但沒有甩負荷信號這是不合理的。建議二回路RUNBACK信號進行改進。

在實際機組滿功率時兩臺主給水泵的運行發生一臺主給水的喪失給水，而另外一臺主給水泵的給水流量曾達到2700t/h，這一流量大概滿足機組69%負荷的給水流量，在滿功率甩負荷到69%Pn時以下，大約需要18.6s+5s=23.6s（按照100%Pn/min甩負荷到69%Pn用時18.6秒，RUNBACK信號延時5秒），而甩負荷到50%Pn以下時需要35秒左右。在事件中，機組發生故障到停機停堆這樣短時間段內（82秒），50%Pn兩臺蒸汽發生器的供水單臺主給水泵完全可以滿足。可考慮機組的RUNBACK信號增加為任意兩臺運行的主給水泵中一臺在功率大于Ps時發生低流量Qs時就觸發機組的Runback，作為甩負荷信號的補充。該信號與備用泵啟動停止RUNBACK信號不沖突。如下圖

3 結論

針對秦山二期擴建機組主給水的液力耦合器的電源失電導致的停機停堆事故，本文通過三種不同的方式進行理論分析優化，提出針對目前的液力耦合器的上游雙路供電的情況下，可以避免下游供電共用線路故障如二極管模塊卡件故障導致主給水泵喪失給水的事件發生。對于提出的增加跳泵邏輯，目前機組上已經實施，將有效地避免機組瞬態。

參考文獻

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