基于運行事件的核電廠電動主給水泵聯(lián)啟方案改進

徐 穎，王志先，張 強，許金泉

（中廣核工程有限公司核電安全監(jiān)控技術(shù)與裝備國家重點實驗室，廣東 深圳 518172）

中國改進型三環(huán)路壓水堆（CPR1000）電動主給水泵系統(tǒng)（APA）是核電廠二回路的關(guān)鍵系統(tǒng)，承擔向蒸汽發(fā)生器二次側(cè)供水的重要功能，其中每臺機組配置三臺電動主給水泵，單臺泵承擔向蒸汽發(fā)生器最大供水量的50%，正常功率運行時，兩臺主給水泵運行，一臺作為備用，當其中一臺運行泵跳泵后，要求備用泵立即自動啟動，以確保對蒸發(fā)器二次側(cè)存在足夠的供水能力，若備用泵聯(lián)啟失敗將導(dǎo)致機組快速甩負荷、蒸發(fā)器水位大幅波動甚至跳機跳堆等嚴重瞬態(tài)。2018 年2 月和2019 年12 月，CPR1000 H 核電廠1 號機組和L 核電廠4 號機組APA 系統(tǒng)分別發(fā)生因泵轉(zhuǎn)速異常下降和電氣盤差動保護跳泵而未聯(lián)啟備用泵的運行事件，雖因操縱員干預(yù)而未出現(xiàn)跳機跳堆等嚴重后果，但也造成機組快速降負荷、堆芯短時超功率、反應(yīng)堆軸向功率偏差（ΔI）短時超限、蒸發(fā)器水位下降頻臨跳堆閾值等不良影響，給機組安全穩(wěn)定運行帶來很大風(fēng)險。因此有必要以該運行事件為背景，研究CPR1000 主給水泵系統(tǒng)跳泵及聯(lián)啟邏輯的設(shè)計和組態(tài)實現(xiàn)方式，針對性提出改進措施并驗證。

1 主給水泵跳泵及聯(lián)鎖啟動邏輯概述

電動主給水泵組由前置泵、電動機、液力耦合器和壓力級泵串聯(lián)組成，電動機驅(qū)動壓力級泵和液力耦合器，液力耦合器也叫液力聯(lián)軸器，主要作用是傳遞電動機扭矩并驅(qū)動壓力級泵。主給水泵轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)液力耦合器中泵輪和渦輪間進油勺管的位置來控制電動機至壓力級泵的傳遞功率，達到調(diào)節(jié)壓力級泵轉(zhuǎn)速的目的，最終將蒸發(fā)器給水母管與蒸汽母管之間壓差維持在隨負荷變化的整定值附近。正常功率運行時，兩臺主給水泵運行，一臺作為備用，當一臺運行泵跳泵后，備用泵將自動聯(lián)鎖啟動，迅速調(diào)節(jié)給水母管與蒸汽母管壓差，維持蒸發(fā)器給水流量，如備用泵無法正常聯(lián)啟，將觸發(fā)汽輪機快速甩負荷（RB：Run Back）信號，機組以200%FP/min（FP：Full Power）速率快速降負荷至50%FP 功率平臺，如初始功率大于80%FP，反應(yīng)堆控制系統(tǒng)無法將機組穩(wěn)定在50%FP，蒸發(fā)器水位會持續(xù)下降直至觸發(fā)低低水位跳堆閾值（-1.26 m），如操縱員能夠及時手動啟動備用泵并進行相應(yīng)干預(yù)，在干預(yù)期間也極易造成蒸發(fā)器水位大幅波動、一回路過冷、軸向功率偏差大等超出運行規(guī)范的情況。

為保護泵組各設(shè)備運行安全并維持對蒸發(fā)器持續(xù)穩(wěn)定的供水能力，系統(tǒng)設(shè)計了一套保護跳泵和備用泵聯(lián)啟邏輯并通過數(shù)字化儀控系統(tǒng)（DCS）實現(xiàn)其功能。保護跳泵信號采用雙通道冗余設(shè)計，包括給水泵潤滑油壓力低低、前置泵推力瓦溫度高高、壓力級泵推力瓦溫度高高、給水泵液力耦合器推力瓦溫度高高、泵出口壓力低低等，當主給水泵保護跳泵后，系統(tǒng)將自動聯(lián)啟備用泵。為應(yīng)對因電氣盤和設(shè)備本體故障而發(fā)生的異常跳泵，系統(tǒng)同時設(shè)計了泵運行失效信號（Failed）聯(lián)啟備用泵的邏輯，總體邏輯簡圖如圖1 所示。

2 H 核電廠1 號機聯(lián)啟失敗事件分析及改進

2.1 事件過程

2018 年2 月20 日1 點40 分，H 核電廠1號機組在滿功率運行工況下，主給水泵APA102PO 因液力耦合器勺管位置傳感器故障，導(dǎo)致泵轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)失效，在7 秒內(nèi)轉(zhuǎn)速由4 500 r/min 突降至786 r/min，出口壓力由76.4 bar 下降至31.3 bar.g，三臺蒸發(fā)器水位急劇下降，為維持蒸發(fā)器水位，事件發(fā)生后，主控操作員緊急手動啟動備用泵APA202PO 并開始降功率操作，隨后手動停運APA102PO，期間蒸發(fā)器水位最低降至-1.069 m，一回路出現(xiàn)短時過冷情況，導(dǎo)致堆芯熱功率超過102%FP約20 s。

2.2 原因分析

本次事件中，由于液力耦合器勺管位置控制回路故障， 泵轉(zhuǎn)速突降至最低轉(zhuǎn)速（3 950 r/min）以下，泵出口壓力隨即迅速下降至壓力低低跳泵閾值（35 bar）以下，但未產(chǎn)生跳泵和備用泵聯(lián)啟信號，導(dǎo)致蒸發(fā)器供水能力嚴重不足，水位迅速下降，若無操作員緊急干預(yù)，將直接觸發(fā)蒸發(fā)器水位低低跳堆閾值（-1.26 m），同時主給水泵也可能因出口壓力低產(chǎn)生氣蝕而造成設(shè)備損壞。分析其根本原因為當前主給水泵保護跳泵及聯(lián)啟邏輯設(shè)計存在缺陷，根據(jù)當前邏輯設(shè)計（見圖2），為保障給水泵能夠正常啟動，對泵出口壓力低低跳泵增加了跳泵允許條件，允許條件為電機運行且壓力級泵轉(zhuǎn)速高于最低轉(zhuǎn)速，當出現(xiàn)泵轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)故障或電機抱閘等類似故障模式時，壓力級泵轉(zhuǎn)速突降至最低轉(zhuǎn)速以下，此時因不存在允許條件，即使泵出口壓力隨后觸發(fā)低低跳泵閾值，同樣無法觸發(fā)保護跳泵信號，進而不能聯(lián)啟備用泵。

2.3 改進措施及驗證

通過本次事件原因分析，需對泵出口壓力低低跳泵邏輯進行針對性改進，改進后的邏輯簡圖如圖3 所示，即通過RS 觸發(fā)器對壓力低低跳泵允許條件增加自保持和復(fù)位功能，置位端（S）通過原跳泵允許條件觸發(fā)，即泵轉(zhuǎn)速大于3 950 r/min 與泵運行反饋信號同時存在并持續(xù)20 s，復(fù)位端（R）由泵停運反饋或手動控制模式觸發(fā)，新增RS 觸發(fā)器為置位優(yōu)先觸發(fā)器，真值表如表1 所示。為保障改進后的邏輯設(shè)計能夠滿足各不同工況下的功能需求，結(jié)合各工況下的泵運行狀態(tài)進行了分析并通過半實物仿真裝置（見圖 4）進行了初步驗證，最終通過現(xiàn)場再鑒定試驗進行了全面驗證。

表1 RS 觸發(fā)器（置位優(yōu)先）真值表Table 1 The RS flip-flop (set first) true value

（1）手動/自動啟動工況

在APA 泵啟動前，此時RS 觸發(fā)器復(fù)位端為1，置位端為0，手動啟動后，當泵轉(zhuǎn)速達到3 950 r/min 并持續(xù)20 s 后，置位端為1，復(fù)位端無論是否存在手動模式信號，由于置位優(yōu)先，此時RS 觸發(fā)器輸出均為1，但由于啟動過程（20 s 內(nèi)）已建立正常的泵出口壓力，此時不會觸發(fā)停泵和聯(lián)啟備用泵信號，與改進前邏輯一致。

（2） 正常運行工況

正常運行工況下，APA 泵轉(zhuǎn)速高于最低轉(zhuǎn)速（3 950 r/min），此時無論泵處于手動還是自動模式，S 端均為 1，若此時出口壓力低于35 bar，即立即跳泵并聯(lián)啟備用泵，與改進前邏輯一致。

（3） 異常運行工況

針對本次事件中APA 泵轉(zhuǎn)速控制回路故障而導(dǎo)致轉(zhuǎn)速異常下降的情況，此時APA 泵處于自動模式，R 端為0，當轉(zhuǎn)速降低至3 950 r/min后，S 端由1 變?yōu)?，但RS 觸發(fā)器輸出依然保持為1，當出口壓力降低至35 bar 以下時，立即觸發(fā)保護跳泵和聯(lián)啟備用泵信號，跳泵后，泵停運反饋將R 端置于1，此時RS 觸發(fā)器輸出為0，為確保備用泵聯(lián)啟成功，對出口信號增加2 s 后延時，以確保聯(lián)啟信號時間足夠啟動備用泵。

（4） 正常停運工況

正常停運時，APA 泵切換至手動模式，此時S 端和R 端均為1，RS 觸發(fā)器輸出為1，當泵轉(zhuǎn)速下降至3 950 r/min 以下時，此時S 端為0，RS 觸發(fā)器被復(fù)位，輸出為0，閉鎖壓力低低跳泵及聯(lián)啟備用泵信號，與改進前邏輯一致。

（5） 緊急停運工況

緊急停運后，APA 泵轉(zhuǎn)速迅速降低至3 950 r/min 以下，此時S 端為0，泵停運反饋立即復(fù)位RS 觸發(fā)器，使其輸出為0，閉鎖壓力低低跳泵及聯(lián)啟備用泵信號，與改進前邏輯一致。

3 L 核電廠3 號機組聯(lián)啟失敗事件分析及改進

3.1 事件過程

2019 年12 月11 日，L 核電廠4 號機組主給水泵（APA102PO）電機W 相與U 相之間發(fā)生相間短路，電氣盤差動保護動作，APA102PO故障跳閘，處于備用狀態(tài)的給水泵（APA202PO）未聯(lián)鎖啟動，機組快速甩負荷，蒸汽發(fā)生器水位迅速下降，最低達到-0.685 m，主控操縱員隨后緊急手動啟動APA202PO 為蒸汽發(fā)生器供水，2 min 34 s 后因機組負荷速降導(dǎo)致反應(yīng)堆軸向功率偏差（ΔI）偏出功率分布運行梯形界限觸發(fā)C21 信號（C21：汽輪機在每30 s 中以200% Pn/min 的速率降負荷1.2 s），3 min 53 s后，C21 信號消失，最終機組功率穩(wěn)定在525 MW 左右。

3.2 原因分析

根據(jù)當前主給水泵跳泵及備用泵聯(lián)啟邏輯設(shè)計（見圖 1），當運行泵產(chǎn)生運行失效信號（Failed）后立即聯(lián)啟備用泵，運行失效信號由泵停運反饋和狀態(tài)偏差故障同時存在時觸發(fā)，狀態(tài)偏差故障由DCS 設(shè)備驅(qū)動算法塊內(nèi)部判斷和產(chǎn)生，表示泵在DCS 未發(fā)出啟/停指令的情況下設(shè)備狀態(tài)發(fā)生了翻轉(zhuǎn)，生成組態(tài)如圖5 所示。本次事件中，APA102PO 因電氣盤差動保護而跳泵，由于DCS 未發(fā)出跳泵指令而發(fā)生了泵的狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，DCS 設(shè)備驅(qū)動算法塊生成狀態(tài)偏差信號并報故障，根據(jù)備用泵聯(lián)啟邏輯設(shè)計，狀態(tài)偏差信號和泵的停運反饋同時存在時，應(yīng)產(chǎn)生Failed 信號并立即聯(lián)啟備用泵。

設(shè)備驅(qū)動算法塊故障模式分為操作故障（O故障）和儀控故障（F 故障），O 故障包括狀態(tài)偏差和啟/停超時，需要操作員手動復(fù)位，F(xiàn) 故障包括雙0/1 故障和電氣盤綜合故障，由算法塊接收外部信號后產(chǎn)生，只有當故障源消失后自動復(fù)位。進一步檢查APA 泵聯(lián)啟邏輯在DCS中的組態(tài)實現(xiàn)方式，發(fā)現(xiàn)電氣盤綜合故障信號連接至O 故障的復(fù)位端，當APA102PO 電氣盤差動保護跳泵時，泵停運反饋與電氣盤綜合故障信號同時送至DCS，在設(shè)備驅(qū)動算法塊中，電氣盤綜合故障信號對狀態(tài)偏差迅速進行了復(fù)位，使得Failed 信號僅持續(xù)了約20 ms，導(dǎo)致未能成功聯(lián)啟備用泵。

3.3 改進措施及驗證

電氣盤綜合故障信號由電氣盤中保護裝置跳閘保護（差動、過流、過負荷）接點動作而觸發(fā)、包括就地分合閘插頭接點動作、SF6 壓力低報警接點動作、電機保護裝置看門狗接點動作、開關(guān)行程限位接點動作、試驗鎖接點動作等。在機組調(diào)試和大修期間，由于大范圍進行電氣盤檢修和試驗，大量設(shè)備會出現(xiàn)狀態(tài)偏差故障，根據(jù)DCS 設(shè)備驅(qū)動算法塊功能特性，狀態(tài)偏差故障將自動閉鎖手/自動指令的發(fā)出，因此出現(xiàn)狀態(tài)偏差故障后，必須通過操縱員手動復(fù)位后才能正常投用設(shè)備。通過電氣盤綜合故障信號自動復(fù)位狀態(tài)偏差，可避免操縱員在機組調(diào)試和大修期間的頻繁復(fù)位操作，也可減少因不及時復(fù)位而造成設(shè)備不可用的風(fēng)險，但卻無法滿足Failed 信號聯(lián)啟備用泵的設(shè)計功能。

為實現(xiàn)DCS 組態(tài)與Failed 信號設(shè)計功能的一致性，需取消電氣盤綜合故障自動復(fù)位狀態(tài)偏差的組態(tài)方式，但為了保障操作員能夠及時發(fā)現(xiàn)狀態(tài)偏差故障并盡快處理，避免誤觸發(fā)備用泵聯(lián)啟信號或因控制指令閉鎖而無法啟動，需將主給水泵狀態(tài)偏差信號引入主控計算機系統(tǒng)（KIC）并設(shè)置為最高響應(yīng)級別的紅色數(shù)字報警（KA），改進后組態(tài)方案如圖6 所示。通過現(xiàn)場再鑒定試驗對改進方案進行了全面驗證，在模擬電氣盤故障跳泵或設(shè)備本體故障跳泵的情況下，備用泵能夠迅速聯(lián)啟，狀態(tài)偏差信號觸發(fā)主控報警后也能夠及時提醒操縱員進行分析和復(fù)位。

4 總結(jié)

以近年來CPR1000 核電廠電動主給水泵系統(tǒng)兩起重要運行事件為背景，基于事件中主給水備用泵聯(lián)啟失敗原因的分析，針對泵出口壓力低低跳泵邏輯設(shè)計、狀態(tài)偏差信號復(fù)位方式、故障監(jiān)視和干預(yù)問題提出了相應(yīng)改進措施，改進措施通過理論分析及現(xiàn)場再鑒定試驗充分驗證后在CPR1000 機組得以推廣實施，改善了在APA 液力耦合器勺管位置控制回路故障、電氣盤差動保護等故障模式下的應(yīng)對能力，有效避免了同類事件的重發(fā)，提高了機組運行的穩(wěn)定性和安全性，為同類聯(lián)啟泵組和不同技術(shù)路線核電廠提供了良好經(jīng)驗反饋。