廠用水泵出口隔離閥無法遠程全關問題分析和處理方法研究

田 苗，陳銀萍

（中國核電工程有限公司，北京 100840）

0 引言

廠用水系統（SWS）是一個以海水作為冷卻介質的開式循環冷卻系統。當廠用水泵啟動或停運時，對應出口的電動隔離閥由電廠控制系統自動打開或關閉。該閥多次出現在主控室遠方關閉閥門時，閥門未全關的情況，且主控室閥門開度顯示與就地面板顯示不一致，主控顯示閥門已全關，而就地顯示閥門未全關。該問題的普遍出現，影響了核電廠運行的安全性和經濟性。

本文針對該問題，提出了普遍適用的解決方案，同時推薦了預防性維修項目，為核電廠預測性運維相關技術研究及全壽期健康管理與智能決策技術的開展打下一定的基礎。

1 廠用水系統概述

以國內某核電廠為例，廠用水系統包括位于循環水系統（CWS）泵房的100%容量的立式離心水泵、兩個自動反沖洗過濾器及相關的閥門、管道和儀表組。廠用水系統（SWS）不執行其它執照申請相關功能，但SWS 必須提供探測和控制放射性泄漏進入和排出系統的手段。廠用水系統向位于汽輪機廠房內的設備冷卻水系統（CCS）熱交換器提供冷卻用的海水，以支持核電廠的縱深防御功能。廠用水泵從循環水泵房進水前池吸水將已經除去有機物和經過過濾的海水送入設置在汽輪機廠房的設備冷卻水系統（CCS）熱交換器中，將核島設備的熱量帶走。從熱交換器流出的廠用水流入虹吸井下游的循環水排水涵管，再與CWS系統一起排放到大海[1]。SWS系統分為A、B兩列，每列包括兩臺廠用水泵和一臺自清洗過濾器，設冷水熱交換器屬于CCS系統，但冷側為SWS廠用水。兩列廠用水管道設有一條連通管道，確保每臺運行的廠用水泵可以向任意一臺熱交換器供水。4臺廠用水泵按兩個系列并列布置，每個系列兩臺。同一系列有且只有一臺泵被激活，只有激活的泵參與控制。當廠用水泵啟動或停運時，對應的出口電動隔離閥由電廠控制系統自動打開或關閉。在泵啟動后，相應的出水隔離閥鎖定保持關閉10s，此間通過排氣閥排除在水泵與水泵出口管內積聚的空氣，隨后電動閥開啟至中間位置防止水泵過流。如果水泵出水隔離閥未能在15s內打開至中間位置，則廠用水泵自動停運。這一關停信號將開啟警報，指示自動啟動程序失敗。最后,閥門打開至全開位置保持不變，為用戶提供冷卻水直至操作員發出手動關閉指令或對應廠用水泵停運。當失去正常交流電源時，這些閥門將由柴油發電機自動帶載，并根據以上聯鎖要求動作。由此可見，廠用水泵出口電動隔離閥對廠用水系統的運行起著重要作用。

2 出口電動隔離閥無法全關問題分析

廠用水系統每列在泵出口位置分別設置一臺廠用水泵出口電動閥（V002A和V002B），這兩個閥門是電動閥，閥門類型為蝶閥。當廠用水泵啟動或停運時，對應出口的電動隔離閥由電廠控制系統自動打開或關閉。該閥多次出現在主控室遠方關閉閥門時，閥門未全關的情況，且主控室閥門開度顯示與就地面板顯示不一致，主控顯示閥門已全關，而就地顯示閥門未全關。例如：在執行一號機組某工單任務時，發現V002B（廠用水泵B列出口電動隔離閥）閥門由主控室遠方關閥時，斷路器面板上CLOSE和OPEN紅燈均亮起，而主控顯示閥門已全關。但在馬達控制中心MCC斷路器側手動關閉閥門時，閥門關閉正常，斷路器面板上僅關閉CLOSE紅燈亮起。經調取該閥門動作曲線，發現電廠控制系統發出的閥門關命令（CLOSE COMMAND）在閥門關力矩開關（Close Limit）動作之前已經置'0'，即停止關閥指令，故閥門無法關到位，因此斷路器面板上CLOSE和OPEN紅燈均亮起。

廠用水泵出口電動隔離閥是電廠控制系統發出長命令信號到就地且由就地Simocode控制的閥門，根據電動閥行業標準IEEE 1290[2]及電廠控制系統接口文件，閥門將4個信號上傳到電廠控制系統，即：Close Limit（關 力 矩）、Close Position（關 限 位）、Open Limit（開力矩）和Open Position（開限位）。其中Close Limit（關力矩）和Open Limit（開力矩）分別作為關閥方向和開閥方向的控制信號，閥門電機將在該信號觸發時切斷停止動作，而Close Position和Open Position信號作為閥門的關反饋信號和開反饋信號。根據IEEE 1290標準，4個信號之間的兩兩組合作為判斷閥門狀態的依據。以關方向為例，限位開關與力矩開關的不同狀態含義見表1。

表1 閥門狀態判斷矩陣（以關方向為例）Table 1 Valve state judgment matrix (taking the closing direction as an example)

由于Close Position（關限位）和Close Limit（關力矩）使用的是不同的開關，根據工程經驗，閥門在經歷了熱瞬態后，閥桿膨脹，導致閥門關閉時實際行程已經有所縮短。若閥門關限位的設置在關力矩之后或者與關力矩在同一位置，則關力矩先觸發，閥門就會停在當前位置，關限位將不會繼續動作，從而使系統誤認為閥門發生了過扭矩停在中間位置。因此，為了避免閥門熱瞬態及開關重復性誤差的影響，閥門關限位必須設置在關力矩之前且兩者之間也不能設置的過于接近。而根據目前的電廠控制系統邏輯配置，邏輯簡圖見圖1，就地閥門狀態通過profibus將打包點送至電廠控制系統。其中，閥門全關狀態反饋使用的是閥門送上來的關限位Close Position信號。閥門全開狀態反饋使用的是開限位Open Position信號。控制邏輯中閥門關指令由Close Position清除而非Close Limit清除，使得就地閥門在關閉時，關限位先觸發并將狀態送至電廠控制系統。電廠控制系統在收到該狀態后，清除閥門關指令（CLOSE COMMAND），閥門停止關閉，即：閥門在關限位觸發但關力矩還未觸發的情況下停止。因此，斷路器面板上CLOSE和OPEN燈均亮。而電廠控制系統僅使用關限位Close Position作為閥門是否全關的依據，當就地閥門關閉到關限位時，信號送往電廠控制系統，使得主控室此時顯示閥門全關。這就造成了主控室閥門位置顯示與就地控制面板不一致且閥門有時無法全關。而這個問題有時出現有時未出現的原因：電廠控制系統與就地控制之間采用Profibus通訊，存在一定延時，在延時期間，閥門將繼續動作。所以如果信號傳遞延時大于Close Position和Close Limit之間的動作延時，則不會出現該問題。否則，將會出現閥門無法全關且顯示不一致問題。根據IEEE 1290，Open Limit和Open Position使 用 的是同一限位開關的不同觸點，動作延時基本可忽略，因此開方向不存在此問題。

圖1 廠用水出口電動閥控制簡圖Fig.1 The schematic diagram of the electric valve control of the water outlet of the plant

3 問題解決方案

如上分析，造成主控室遠程關閉廠用水泵出口隔離閥存在閥門無法完全關閉且主控閥門狀態顯示與就地面板顯示不一致的情況，其原因是閥門電廠控制系統邏輯配置與就地設備存在接口不匹配問題。就地電氣柜Simocode和電廠控制系統判斷閥門是否全關的標準不一致，導致在閥門還未完全關閉到位的情況下控制系統中的關命令信號就被清除，造成閥門在未完全關閉的情況下停止。針對此問題，可通過修改電廠控制邏輯配置處理，邏輯修改不涉及接口配置的修改，無需修改電廠實體，簡單易行。有兩種修改方案，如下：

方案一：使用關力矩信號與關限位信號（Close Limit &Close Position）清除關命令信號并作為閥位關反饋；使用開力矩信號與開限位信號（Open Limit &Open Position）清除開命令信號并作為開閥位反饋。以關方向為例，該方案只有當關力矩和關限位開關都動作了（即閥門已全關），在控制系統中清除閥門關指令，且此時主控顯示閥門關閉，就地也顯示閥門關閉，可避免主控與就地顯示不一致問題，也可避免閥門有時無法全關問題。此外，該方案邏輯修改簡單，僅需將當前邏輯中的閥門的開/關狀態信號用Close Limit &Close Position和Open Limit &Open Position替換即可。但是，該方案在閥門過力矩的情況下，閥門的控制指令一直存在，無法自動清除，需手動清除，需工作人員額外工作量。

方案二：使用關力矩信號Close Limit清除關命令信號，用關限位信號Close Position作為關閥位反饋；使用開力矩信號Open Limit清除開命令信號，用開限位信號Open Position作為開閥位反饋。該方案也可解決閥門無法完全關閉問題，并且在閥門過力矩的情況下，閥門的控制指令可自動清除。但是在position動作至limit動作間，存在就地與主控顯示不一致問題。由于現有邏輯通過開/關限位信號既作為控制系統判斷閥門開關狀態的依據，又作為控制閥門的依據，故要通過方案二實現邏輯修改，其改動內容較方案一略多，需單獨將閥門開限位信號、關限位信號通過處理送至閥門狀態這個打包點內進而參與閥門控制邏輯。

通過對比上述兩種方案，方案二避免了閥門遠程控制存在無法全關的問題，且在閥門過力矩的情況下可自動復位閥門動作指令。而且在閥門力矩開關與限位開關動作間的時間非常短，幾乎不影響主控判斷閥門的狀態。因此，更為推薦方案二的修改方法。

4 出口電動隔離閥日常維護建議

為確保閥門的可靠性和可用性，周期性維護也是必不可少的。在制定閥門的預維項目時可參考下列資料：EPRI預防性維護基礎數據庫（PMBD），PMBD給出不同類型閥門的故障模式及影響分析并給出相應的預維策略；設備廠家運行與維護手冊（EOMM）針對具體設備給出了日常維護建議及備品備件建議；EPRI相關報告（如：1022989[3]）給出了電動閥工作原理及運維建議等；此外，還應參考標準[4,5]、同行經驗[6-9]等。通過這些資料了解電動閥的設計和工作原理、維護指南、在役試驗、狀態監測、預防性維護和故障。

根據上面資料，推薦廠用水泵出口電動閥定期預防性維修項目包括：

1）執行機構的外部檢查與維護，包括檢查部件、緊固件是否有損壞、松動或者丟失現象；檢查面板顯示是否清晰、指示燈狀態是否正常；檢查電動執行機構外部電纜、電纜護套是否有破損；檢查是否有污染物、水汽，以及閥桿和填料處是否有腐蝕現象；檢查是否有裂紋或者變色現象；更換閥桿的潤滑脂；通過執行機構推力盤的注油孔向推力軸承添加潤滑脂；進行閥門的開關動作等。

2）執行機構內部檢查，包括：檢查限位和力矩開關的狀態，是否有破損、損壞的電纜和部件；檢查力矩開關是否能自由移動，彈簧功能是否正常；檢查力矩開關觸點是否有異常磨損，點蝕或者腐蝕；檢查力矩開關與開關觸點是否正常接觸；檢查閥位指示器是否能正常移動并準確指示；檢查電機軸承是否有磨損；測量電機繞組的絕緣電阻；檢查電機輸出軸齒輪、蝸輪蝸桿處的油脂是否有變色、雜質、油脂分離等現象；檢查閥桿是否有彎曲；檢查閥桿螺母及閥桿是否有損壞；檢查執行機構控制主板、繼電器板等元件無熱變形、高溫變色等情況，內部排線無破損（適用于智能型電動執行機構）等。

3）填料更換。

4）在MCC采集的執行機構電機的電流、電壓數據轉換為電動機功率，確定電動閥的性能和故障。

5）定期潤滑。

6）如有必要可進行解體檢修。

5 結論

首先對某核電廠廠用水泵出口電動隔離閥存在無法遠程全關問題進行了探討，經分析，出現此問題的原因為電廠控制系統中閥門關閉判斷標準與就地電氣柜Simocode中閥門關閉判斷標準不一致。針對此問題給出兩種解決方案，即通過修改電廠控制系統的控制邏輯來解決該問題，這種邏輯修改方法不涉及現場實物改動，方便易行。此外，通過對比兩種方案優劣給出最終建議，解決了閥門存在遠程無法全關的問題，及主控室顯示與就地顯示存在不一致的問題。最后，為了保證閥門的可靠性，給出了電動閥定期預維項目建議，為同行執行同類型電動閥預防性維修項目提供參考并為解決類似問題提供了指導，同時也為核電廠預測性運維相關技術研究及全壽期健康管理與智能決策技術的開展打下一定的基礎。