核電廠儀表壓空分配系統分析及改進建議

張瀚文，王子航，臧小軍，龍鑫閣

（中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300）

儀表壓空分配系統從投運以來，已經運行十余年，因設備老化導致設備故障率及誤報警率逐年上升，多次因設備故障造成壓縮氣體分配控制失效，導致重要廠房某一回路失氣，嚴重影響設備正常運行。本文通過儀表壓空分配系統控制系統的分析，列舉出目前控制系統存在的問題和缺陷。根據這些缺陷和問題，提出相應的優化建議和改造方案，提高儀表壓空分配系統的穩定性，減少分配系統故障率，以保障核電站各個廠房的氣源可靠性，并為其它類似系統工況升級改造提供參考價值。

1 儀表壓空分配系統概述

儀表壓空分配系統是核電站儀表壓空系統的子系統，通過儀表壓空分配管網向重水堆核電站各個生產相關廠房的儀表壓空用戶供氣，以保證各廠房的氣動等設備的用氣需求。除了滿足各廠房壓空用戶基本用氣需求外，也可在某一供氣支管破裂后，及時隔離掉該供氣支管，停止對該支管供氣以保證給其他供氣支管正常供氣。圖1 是儀表壓空分配系統簡略流程圖。

圖1 儀表壓空分配管網示意圖Fig.1 Modification of instrument air distribute pipe network

1.1 儀表壓空分配系統作用

1）日常運行期間，儀表壓空分配系統將儀用空壓機產生并經過干燥器干燥后得到的清潔、無油、干燥的空氣，通過儀表壓空分配管網的支管向重水堆核電站的反應堆廠房、核輔助廠房、汽輪機廠房、海水泵房、水處理廠房的儀表壓空用戶供氣，以保證各生產廠房的氣動設備的用氣需求。

2）異常工況下，當某一支管存在破裂情況導致大量漏氣現象發生時，對應支管上的電磁閥關閉，將支管隔離，不再向此支管供氣，以保證供氣到其他廠房的各支管正常供氣。

1.2 系統組成

儀表壓空分配系統包括：儀表壓空分配盤（1 個），儀表壓空分配母管（1 根），反應堆廠房供氣支管（1 根），核輔助廠房供氣支管（3 根），汽輪機廠房供氣支管（3 根），海水泵房供氣支管（1 根）。其中，核輔助廠房和汽輪機廠房供氣支管包括：奇列用戶、偶列用戶、非重要用戶支管各一根。除反應堆廠房供氣支管外，其他廠房的供氣支管上都安裝電磁閥。主要設備有：1 個儀表壓空主分配集管控制盤（67512-PL4079），8 臺電磁隔離閥（67512-SV4111/4112/4113/4115/4116/4117/4118/4119），8 臺差壓開關（67512-PDS-4331/4332/4333/4335/4336/4337/4338/4339），以及相關繼電器和延時繼電器。

1.3 儀表壓空分配系統控制邏輯

由圖1 可見，除反應堆廠房供氣支管以外的各支管上均安裝有隔離電磁閥，其目的是在各廠房供氣支管管道發生破裂時自動對其進行隔離，防止因為單個供氣支管發生管道破裂而導致整個儀表壓空系統壓力下降的情況出現。電磁閥由儀表壓空分配盤（67512-PL4079）控制。儀表壓空分配盤由兩路電源為其供電，奇路電源為奇列電磁閥供電，偶路電源為偶列電磁閥供電。隔離電磁閥前后有取壓管線引至差壓開關，差壓開關負責對隔離電磁閥前后壓力進行監測。

電磁閥控制手柄打到AUTO 位置時，若監測到隔離電磁閥前后壓差達到80kPa，并保持5s 后，觸發隔離電磁閥關閉邏輯，電磁閥得電關閉，以保證其它管線用戶用氣。儀表壓空母管壓力低于740kPa 持續5s，輔助廠房和汽輪機廠房的非重要儀表壓空用戶供氣支管電磁閥（SV4113 和SV4117）自動關閉，以保證對其他重要儀表壓空用戶供氣[1]。

電磁閥控制手柄打到CLOSE 位置時，則直接關閉電磁閥，停止對該支管供氣。

2 儀表壓空分配系統相關問題分析

儀表壓空分配系統從電廠投運以來，已經連續運行了十余年，隨著設備的老化，系統的故障率也在逐年上升，主要的故障表現為電磁閥漏氣、電磁閥位置開關不到位和繼電器故障。調取歷史工單數據，經過統計分析后發現導致儀表壓空分配系統控制異常故障主要分為兩類：①現場儀表產生故障；②控制系統故障。現場儀表故障是設備維護中的正常現象，可以通過合理增加預防性維護來進行優化，減少儀表故障發生的頻率，但只能降低頻率，并不能從根本上消除。作為對比，控制系統常態化的發生故障，不是一種正常的現象，已經違背了設備自動化的初衷，下面對儀表壓空分配系統現有的控制系統進行分析。

2.1 儀表壓空分配系統組成及當前維護策略

8 臺電磁隔離閥和8 臺差壓開關均由就地控制盤67512-PL4079 控制，控制盤位于汽輪機廠房，是由繼電器和延時繼電器組成的繼電器控制系統。通過接收現場觸點信號，完成內部邏輯運算，輸出信號控制電磁閥的開啟和關閉。

電磁隔離閥使用Atkomatic 品牌，型號為32460-020PC CC1WP 的產品，為“半直聯或半先導”式，閥門開啟時上下游會有壓差，即閥門的進/出口存在壓降。電廠目前的預防性維修策略是周期為兩年的定期檢查，主要包括：清潔、檢查電磁閥及位置反饋外觀，檢查、記錄線圈阻抗和絕緣，檢查、緊固電磁閥接線以及電磁閥動作檢查。差壓開關使用Ashcroft 品牌，型號為D464B XNH 的產品，開關內含有兩副觸點結構。電廠目前的預防性維修策略是周期為兩年的定期檢查，包括：清潔、標定差壓開關，檢查、緊固儀表回路接線。延時繼電器使用Cutler-Hammer 品牌，型號為PROTMR 9084A61G01 的產品。電廠目前的預防性維修策略是周期為兩年的定期檢查，內容為檢查延時繼電器設定值。

2.2 控制系統目前存在的缺陷和局限性

2.2.1 故障率高，故障排查困難

繼電器控制系統的特性決定了它會使用大量機械觸點，觸點在動作時容易受到電弧的傷害，并且在日常運行中存在機械磨損，使其壽命縮短，故障率高。而且由于繼電器控制系統接線復雜[2]，當控制回路中任意一個繼電器或者一段接線出現問題，都將影響控制系統的穩定性。由于接線復雜，故障查找十分困難，有時不得不逐一地對接觸器進行排查確認。

2.2.2 系統龐大，維護復雜，成本高

由于控制系統是大量的繼電器和延時繼電器組成的，為減少系統運行故障，保證控制系統的精確，每次停機大修期間都需要對繼電器進行性能檢查，對延時繼電器進行標定，將檢查不合格的設備予以更換。大量的標定工作浪費人力和時間，對不合格的繼電器進行更換也大大增加了維護成本。

例如2022 年工單：在對8 個延時繼電器檢查校驗時，發現其中有3 個延時繼電器的延時時間雖然滿足要求，但繼電器觸點閉合時電阻值較標準值（1Ω）偏大，且不穩定。領出備件后，再次對3 個新繼電器檢查校驗，確認檢查合格并設置好延時時間后，更換至現場。校驗繼電器和新備件更換的過程耗費大量的時間和人力。

2.2.3 自動化程度低，無法幫助維修人員快速判斷設備故障

繼電器控制系統自動化程度較低，無法快速獲取控制系統以及現場設備的當前狀態，例如：在檢修過程中，如果需要獲取現場所有差壓開關的狀態，必須參照圖紙確定輸入設備對應的繼電器，逐個測量繼電器觸點后才能確認設備狀態，耗費的時間長，效率低，不利于緊急情況下快速、準確地定位缺陷，也難以應對復雜工況的變化。

2.2.4 關鍵敏感設備（SPV設備）多，不利于電廠運行和管理

汽輪機廠房的供氣支管中，奇管和偶管兩條回路上的電磁閥、差壓開關、延時繼電器、控制繼電器均為關鍵敏感設備，一旦出現故障不可用將導致電廠進入技術規格書限制，甚至有降功率停機的風險。此外，關鍵敏感設備數量多已經不符合當前國內外重水堆電廠的管理期望和經驗，將給電廠管理和執行部門帶來巨大的工作負擔。較多的SPV 設備將導致管理質量和能力、力度有所下降，偏離SPV 設備的管理期望和目的。

綜上所述，儀表壓空分配控制目前存在故障率高，維護復雜，自動化程度低，關鍵敏感設備多，維護成本高等問題[3]，結合現場實際情況和控制系統目前的發展趨勢來看，已經不滿足對當下控制系統的要求，需對其進行變更改造。

3 儀表壓空分配系統改進建議

按照保證現場設備安全，穩定運行的要求，減少控制系統故障，提高設備自動化程度的訴求，建議使用PLC 對儀表壓空分配系統進行改造。

PLC 控制技術的出現，能很好地解決以上問題。接線簡單，可靠性高；配套齊全，功能完善，實用性強；系統的設計簡單，維護方便，容易改造；體積小，重量輕；能耗低，易學易用[4]，完全符合當下核電廠的運行實際工況。并且其兼容性強，能夠在不改變現場設備接線的情況下，完成對控制系統的改造。

表1 PLC輸入輸出點統計表Table 1 Statistics table of PLC input and output point

儀表壓空分配系統控制現場設備都為開關量控制，十分適合使用PLC 對控制系統進行改造。通過對現有控制系統I/0 點的統計，確認儀表壓空分配系統輸入量為25 個，輸出量為19 個，還不計算如果改為PLC 控制后I/O 點還能進一步降低，使用一臺小型PLC（按照PLC 大小定義，128點以下PLC 為小型）也完全能夠滿足現場改造需求。確定了硬件設備及I/O 變量后，需編制梯形圖，寫出指令表，參考控制系統中電路輸入點分配圖和連接圖及控制邏輯圖，根據輸入信號和輸出控制對象的作用編制出滿足現場需求的梯形邏輯圖。

編制PLC 梯形圖必須遵守梯形圖的語法規則，滿足語法要求。比如，線圈必須放在電路圖的最右側，否則將無法正常運行。同時，規范的梯形圖有利于維護人員對控制邏輯的解讀。此外應注意，PLC 輸出繼電器的電壓類型和額定值應與外部負載一致，PLC 的繼電器輸出模塊只能驅動額定電壓為AC220V 或DC24V 的負載。

4 改進方案與原控制系統對比

繼電器控制系統和PLC 控制系統對現場數據的輸入和輸出方式是相同的，不同的是邏輯運算環節。繼電器控制系統是通過繼電器動作來完成邏輯運算，而PLC 是通過內部程序（梯形圖）來完成邏輯運算，因PLC 與繼電器空間系統邏輯處理不同（見圖2），繼電器控制系統中間繼電器產生的繼電器抖動，觸點接觸不良，接線松動[5]等故障都將可以避免，使得故障率能很大程度地降低，提升了系統的可靠性。

圖2 繼電器與PLC控制系統對比圖Fig.2 Comparison between relay and PLC

1）改造后將節省大量日常維護的人力成本

原控制系統在日常及大修期間的繼電器檢查和延時繼電器標定可以省去，且相對應的故障設備更換工作也可以省去。PLC 內部程序不會出現錯誤或丟失，只需要定期進行動作邏輯的驗證即可，大大節省了維護成本的同時，也縮短了壓空系統不可用的時間，也避免電廠進入技術規格書的限制，降低了核電廠的安全隱患。

2）改造后故障定位更加迅速

現場設備的狀態可通過PLC 輸入輸出卡件上的狀態燈快速判斷，可一目了然找到缺陷的根本原因。此外，出現復雜的綜合性問題，也可通過在程序中強制某輸入輸出變量的方式，檢查對應的邏輯語句是否導通。通過多條邏輯語句的驗證，結合就地設備狀態，快速定位故障并解決問題。

3）改造后故障類型更加單一

以往維修人員在進行邏輯檢查后，定位到最終故障的原因包括：繼電器觸點不合格，延時繼電器接線松動，延時繼電器延時時間不滿足標準，手柄觸點短時間偶發性粘連等。對于以上故障問題，處理的方式也各不相同。主要處理方式包括：緊固接線，更換故障設備，校驗繼電器，但處理以上故障的時間均偏長，可能需要1 ～2 個小時。改造后出現的問題僅僅是成套PLC 的卡件問題，僅需要斷開上級電源后，直接更換其中某一塊故障卡件（包括CPU、電源模塊、PLC 基板、輸入輸出卡）即可，大大縮短解決故障的時間，提高效率。

4）改造后還降低了SPV 設備數量

可通過本次變更改造，將奇管、偶管的控制繼電器和延時繼電器使用PLC 卡件代替，直接減少了4 個SPV 級別的設備，保證了機組穩定運行的同時也降低了電廠管理和執行部門的工作負擔。

5 結論

儀表壓空系統投運已久，因設備老化，故障率逐年升高，并且由于控制系統老舊落后，增加了現場故障定位和處理的難度。本文針對控制系統目前存在的各項問題進行分析，對控制系統邏輯改造提出了方案，并將改造方案和目前控制系統進行對比，對比出改造方案對于目前控制系統的優勢，希望此文能對儀表壓空分配系統改造提供參考。