凝結(jié)水系統(tǒng)單一故障甩負(fù)荷問(wèn)題改造策略研究

黃超武，李培金，鄒向陽(yáng)

（臺(tái)山核電合營(yíng)有限公司，廣東 臺(tái)山 529200）

0 引言

核電廠凝結(jié)水抽取系統(tǒng)（CEX）的主要功能為冷凝從低壓缸出來(lái)的乏蒸汽，收集各路疏回水，然后用凝結(jié)水泵經(jīng)低壓加熱系統(tǒng)將凝結(jié)水輸送至除氧器。某核電廠凝結(jié)水系統(tǒng)設(shè)計(jì)有3臺(tái)凝結(jié)水泵，每臺(tái)泵設(shè)計(jì)容量為滿功率下需求流量的50%，當(dāng)電功率在40%Pn以上時(shí)，3臺(tái)凝結(jié)水泵配置為兩臺(tái)運(yùn)行，一臺(tái)備用。如在運(yùn)泵異常，則備用泵自動(dòng)啟動(dòng)以保障除氧器正常供水。系統(tǒng)凝結(jié)水泵流程簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 凝結(jié)水泵流程簡(jiǎn)圖Fig.1 Flow diagram of condensate pump

為避免因供水不足導(dǎo)致停機(jī)、停堆風(fēng)險(xiǎn)，在40%Pn以上工況，如備用泵未能正常啟動(dòng)時(shí)，一臺(tái)CEX不足以補(bǔ)充除氧器水量。為避免除氧器液位低導(dǎo)致跳機(jī)、跳堆，則會(huì)延時(shí)5s觸發(fā)甩負(fù)荷信號(hào)，將機(jī)組功率降到40%以下。

1 原始設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題

1.1 甩負(fù)荷控制回路

原始設(shè)計(jì)中為避免單一控制機(jī)柜故障導(dǎo)致多臺(tái)凝結(jié)水泵均失去，該電站3臺(tái)凝結(jié)水泵及其出口隔離閥被配置在3個(gè)獨(dú)立的DCS控制機(jī)柜。凝結(jié)水系統(tǒng)觸發(fā)甩負(fù)荷邏輯如圖2、圖3所示。在40%Pn功率以上，如運(yùn)行中的凝結(jié)水泵數(shù)量小于2，則觸發(fā)甩負(fù)荷信號(hào)，其中判斷單列凝結(jié)水泵運(yùn)行的條件為泵運(yùn)行疊加泵出口隔離閥開(kāi)啟。

圖2 原始設(shè)計(jì)凝結(jié)水系統(tǒng)觸發(fā)甩負(fù)荷簡(jiǎn)圖（A列）Fig.2 Schematic diagram of load rejection triggered by the original design condensate system (column A)

圖3 原始設(shè)計(jì)凝結(jié)水系統(tǒng)觸發(fā)甩負(fù)荷簡(jiǎn)圖（B列）Fig.3 Schematic diagram of triggering load rejection of the original design condensate system (column B)

為降低拒動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)，甩負(fù)荷控制回路被分為A/B列冗余配置，任何一列觸發(fā)則觸發(fā)甩負(fù)荷，其中A列如圖2所示。各機(jī)柜間凝結(jié)水泵的運(yùn)行信號(hào)通過(guò)硬接線傳輸，B列如圖3所示。各機(jī)柜間凝結(jié)水泵的運(yùn)行信號(hào)通過(guò)DCS機(jī)柜間網(wǎng)絡(luò)協(xié)議傳輸。

1.2 系統(tǒng)軟硬件架構(gòu)

該電廠常規(guī)島系統(tǒng)DCS采用的是德國(guó)西門(mén)子公司SPPA-T2000控制系統(tǒng)，按系統(tǒng)功能配置為A/B兩列，每列配置獨(dú)立的供電、廠房、信號(hào)回路，避免單一故障，如配電盤(pán)失電、火災(zāi)等導(dǎo)致整個(gè)常規(guī)島控制系統(tǒng)失去[1]。凝結(jié)水抽取系統(tǒng)（CEX）共有3列，每列包含一臺(tái)泵及配套設(shè)備，其中第1、3列被分配在DCS系統(tǒng)A列，第2列被分配在DCS系統(tǒng)B列。泵和出口隔離閥均通過(guò)IO卡件驅(qū)動(dòng)，反饋信號(hào)經(jīng)IO卡件送至CPU中參與邏輯計(jì)算，包括調(diào)節(jié)與保護(hù)功能，其中表征該列可用的信號(hào)分別通過(guò)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)和硬接線信號(hào)送往其他機(jī)柜參與甩負(fù)荷邏輯。其中，第二列和第三列可用信號(hào)通過(guò)硬接線送往A列甩負(fù)荷邏輯，第一列和第三列可用信號(hào)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)送往B列甩負(fù)荷邏輯。設(shè)備與DCS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟硬件架構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.4 Schematic diagram of system software and hardware architecture

1.3 原始設(shè)計(jì)缺陷

當(dāng)前甩負(fù)荷控制回路存在單一設(shè)備故障導(dǎo)致甩負(fù)荷信號(hào)誤觸發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，以機(jī)組功率為100%Pn，1號(hào)、2號(hào)凝結(jié)水泵1CEX2120PO、1CEX2220PO運(yùn)行，以3號(hào)凝結(jié)水泵1CEX2320PO備用工況為例，當(dāng)驅(qū)動(dòng)1CEX2120PO的IO卡件故障時(shí)，雖然泵仍正常運(yùn)行，但送往DCS的泵運(yùn)行狀態(tài)變?yōu)?，此時(shí)邏輯判斷該列變成停運(yùn)狀態(tài)，則直接觸發(fā)甩負(fù)荷信號(hào)。其他幾種故障模式也會(huì)導(dǎo)致同樣后果，如驅(qū)動(dòng)泵、閥門(mén)IO卡件、信號(hào)線斷線等。另外，對(duì)A列甩負(fù)荷控制回路，如機(jī)柜2、3與機(jī)柜1之間的硬件線信號(hào)IO卡件故障也會(huì)導(dǎo)致凝結(jié)水泵運(yùn)行狀態(tài)變?yōu)?，導(dǎo)致甩負(fù)荷信號(hào)誤觸發(fā)。

綜上，當(dāng)運(yùn)行列的凝結(jié)水泵或?qū)?yīng)出口隔離閥門(mén)的IO卡件故障或信號(hào)線斷線時(shí)，將觸發(fā)非預(yù)期甩負(fù)荷信號(hào)，存在單一設(shè)備故障導(dǎo)致機(jī)組瞬態(tài)的重大隱患。

2 改造方案

2.1 改造范圍

通過(guò)優(yōu)化凝結(jié)水系統(tǒng)觸發(fā)甩負(fù)荷控制回路邏輯等手段，解決單一設(shè)備故障導(dǎo)致甩負(fù)荷信號(hào)誤觸發(fā)問(wèn)題，但不允許引入新的單一故障點(diǎn)。

2.2 設(shè)計(jì)原則

電廠甩負(fù)荷控制回路已經(jīng)過(guò)調(diào)試試驗(yàn)和機(jī)組正常運(yùn)行驗(yàn)證，整體功能無(wú)異常。本次改造為解決單一故障導(dǎo)致甩負(fù)荷信號(hào)誤觸發(fā)問(wèn)題，但改造過(guò)程應(yīng)遵循以下原則：

1）不影響系統(tǒng)外設(shè)備，且不能改變凝結(jié)水系統(tǒng)甩負(fù)荷控制回路原始設(shè)計(jì)意圖和整體邏輯功能。

2）滿足單一故障準(zhǔn)則，凝結(jié)水系統(tǒng)甩負(fù)荷控制回路任何部位發(fā)生單一隨機(jī)故障時(shí)，仍能實(shí)現(xiàn)凝結(jié)水泵運(yùn)行數(shù)量小于2時(shí)觸發(fā)甩負(fù)荷功能。

3）不增加系統(tǒng)誤動(dòng)、拒動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)。

4）充分考慮系統(tǒng)冗余度、物理和電氣分離或設(shè)備及系統(tǒng)的多樣性等要求。

2.3 優(yōu)化方案

針對(duì)原始設(shè)計(jì)中的兩個(gè)單一故障點(diǎn)，針對(duì)性地提出改進(jìn)措施：

1）凝結(jié)水泵及出口隔離閥反饋信號(hào)回路單一故障點(diǎn)

使用凝結(jié)水泵停運(yùn)狀態(tài)、出口隔離閥關(guān)閉或泵運(yùn)行狀態(tài)、出口隔離閥開(kāi)啟反饋消失，疊加泵出口流量小于860m3/h，作為本列CEX不可用判定條件。該方案能有效解決單一故障導(dǎo)致甩負(fù)荷問(wèn)題，正常運(yùn)行工況下，CEX泵出口流量大于860m3/h，如CEX泵、出口隔離閥驅(qū)動(dòng)卡件、信號(hào)回路硬接線、就地設(shè)備反饋故障，泵出口流量不變，則不會(huì)觸發(fā)該列不可用信號(hào)，可以消除誤動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)。如出現(xiàn)泵跳閘、出口隔離閥關(guān)閉等異常工況，出口流量會(huì)迅速下降到860m3/h以下，能正常觸發(fā)該列不可用信號(hào)，進(jìn)而正常觸發(fā)切列或甩負(fù)荷。

2）A列甩負(fù)荷控制回路上機(jī)柜間硬接線信號(hào)單一故障點(diǎn)

將機(jī)柜間傳輸信號(hào)的表征意義由該列運(yùn)行修改為該列停用。在原始設(shè)計(jì)中，正常工況如該列投運(yùn)，該信號(hào)值為1。如機(jī)柜間硬接線信號(hào)斷線或IO卡件故障，則下游機(jī)柜接收到的信號(hào)變?yōu)?，將直接觸發(fā)甩負(fù)荷。修改為表征該列停用后，正常工況如該列投運(yùn)，該信號(hào)值為0。如機(jī)柜間硬接線信號(hào)斷線或IO卡件故障，則下游機(jī)柜接收到的信號(hào)變?yōu)?，不會(huì)誤觸發(fā)甩負(fù)荷信號(hào)，如此時(shí)疊加該列真實(shí)停運(yùn)，可通過(guò)B列甩負(fù)荷控制回路正常觸發(fā)甩負(fù)荷[2]。

修改后甩負(fù)荷邏輯簡(jiǎn)圖如圖5所示。

圖5 凝結(jié)水系統(tǒng)觸發(fā)甩負(fù)荷改造方案簡(jiǎn)圖（A列）Fig.5 Schematic diagram of load rejection modification plan triggered by condensate system (column A)

3 改造方案評(píng)估與驗(yàn)證

3.1 改造方案成本與效益影響評(píng)估

改造方案設(shè)計(jì)中需要重復(fù)考慮成本和收益，在實(shí)現(xiàn)改造需求和設(shè)計(jì)原則的前提下，選擇最經(jīng)濟(jì)的方案。對(duì)本改造，其他備選方案有通過(guò)增加冗余IO點(diǎn)、傳感器，或者設(shè)計(jì)冗余IO板卡等，但這些方案會(huì)涉及新增實(shí)體設(shè)備、電纜敷設(shè)等工作，無(wú)論是改造方案設(shè)計(jì)、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施，以及后續(xù)機(jī)組正常運(yùn)行期間的運(yùn)行和維護(hù)成本都會(huì)大大增加，而且新增設(shè)備會(huì)增加DCS負(fù)荷，對(duì)應(yīng)的改造實(shí)施工期、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施風(fēng)險(xiǎn)也會(huì)增加，不推薦采用。本文采用的改造方案充分利用現(xiàn)有硬件設(shè)備，僅通過(guò)優(yōu)化組態(tài)的方式實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)需求，避免單一故障導(dǎo)致甩負(fù)荷問(wèn)題，且有效控制拒動(dòng)、誤動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)，改造成本和實(shí)施風(fēng)險(xiǎn)都是最低的[3]。

3.2 改造方案驗(yàn)證

本改造方案設(shè)計(jì)功能會(huì)影響機(jī)組甩負(fù)荷，需嚴(yán)格控制改造風(fēng)險(xiǎn)，避免因改造方案選擇失敗導(dǎo)致非預(yù)期機(jī)組瞬態(tài)或引入新的單一故障點(diǎn)[4]。改造方案驗(yàn)證包括全鏈路邏輯推演和模擬機(jī)平臺(tái)驗(yàn)證兩個(gè)環(huán)節(jié)，兩個(gè)環(huán)節(jié)互為補(bǔ)充。

全鏈路推演主要通過(guò)預(yù)想在各種機(jī)組運(yùn)行工況下，如信號(hào)鏈路上設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，邏輯的響應(yīng)是否符合預(yù)期，以此驗(yàn)證改造方案的合理性。本改造涉及40%Pn甩負(fù)荷邏輯，因此推演方案包括100%Pn、30%Pn兩個(gè)機(jī)組運(yùn)行工況，并分別考慮3臺(tái)CEX泵不同運(yùn)行組合配置場(chǎng)景，預(yù)想的故障模式需覆蓋整個(gè)信號(hào)回路，主要的場(chǎng)景及故障模式示例見(jiàn)表1。

表1 100%Pn功率平臺(tái)全鏈路推演場(chǎng)景與故障模式Table 1 100% Pn Power platform full link simulation scenarios and fault modes

考慮到凝結(jié)水系統(tǒng)邏輯關(guān)系復(fù)雜，單純的離線推演可能存在因預(yù)想狀態(tài)、邏輯關(guān)系不全面導(dǎo)致結(jié)果存在偏差，而模擬機(jī)平臺(tái)可以彌補(bǔ)該缺陷，通過(guò)模擬機(jī)驗(yàn)證可測(cè)試反應(yīng)各種工況下信號(hào)回路的響應(yīng)是否符合預(yù)期。模擬機(jī)平臺(tái)驗(yàn)證流程與全鏈路推演方案類似，首先需要假設(shè)場(chǎng)景，然后模擬故障觸發(fā)，驗(yàn)證結(jié)果是否與預(yù)期相符，其主要差異在于模擬機(jī)可較真實(shí)地反映設(shè)備狀態(tài)、參數(shù)、邏輯關(guān)系的響應(yīng)情況，特別是故障觸發(fā)期間設(shè)備狀態(tài)改變后，機(jī)組運(yùn)行參數(shù)、工藝系統(tǒng)的響應(yīng)無(wú)法通過(guò)邏輯推演得出結(jié)論，需要通過(guò)模擬機(jī)進(jìn)行具體的驗(yàn)證[5]。

針對(duì)本改造方案，需要先在模擬機(jī)平臺(tái)實(shí)施修改，并設(shè)置滿功率、低功率以及不同泵組合運(yùn)行工況，再通過(guò)教控臺(tái)模擬故障模式，對(duì)邏輯關(guān)系、就地設(shè)備的響應(yīng)是否與原設(shè)計(jì)相符開(kāi)展進(jìn)一步論證，并與全鏈路邏輯推演結(jié)果進(jìn)行比對(duì)。模擬驗(yàn)證示例如下：

1）機(jī)組滿功率，1、2號(hào)泵運(yùn)行，模擬1號(hào)泵因出口壓力低跳閘，3號(hào)泵聯(lián)啟：1號(hào)泵出口流量低信號(hào)（＜860m3/h）觸發(fā)，第一列不可用，第二、三列正常運(yùn)行，機(jī)組功率穩(wěn)定，未觸發(fā)甩負(fù)荷。

2）機(jī)組滿功率，1、2號(hào)泵運(yùn)行，模擬3號(hào)泵失電，1號(hào)泵因出口壓力低跳閘，3號(hào)泵未聯(lián)啟：1號(hào)泵和3號(hào)泵停運(yùn)、出口流量低信號(hào)均觸發(fā)，第一、三列CEX不可用，機(jī)組甩負(fù)荷至40%Pn。

3）機(jī)組滿功率，1、2號(hào)泵運(yùn)行，模擬2號(hào)泵運(yùn)行反饋消失：第一、二列正常運(yùn)行，機(jī)組功率穩(wěn)定，未觸發(fā)甩負(fù)荷，僅觸發(fā)報(bào)警提醒2號(hào)泵故障。

4）機(jī)組滿功率，1、2號(hào)泵運(yùn)行，模擬1號(hào)泵出口流量取消管線堵塞，1號(hào)泵出口3塊流量表均觸發(fā)流量低信號(hào)（＜860m3/h），3號(hào)泵未聯(lián)啟：1號(hào)泵出口流量低觸發(fā)再循環(huán)閥開(kāi)啟，總流量輕微波動(dòng)，經(jīng)重新調(diào)節(jié)平衡，依然保持兩列CEX可用，機(jī)組功率穩(wěn)定，未觸發(fā)甩負(fù)荷。

5）機(jī)組滿功率，1、2號(hào)泵運(yùn)行，模擬1號(hào)泵出口隔離閥異常關(guān)閉：1號(hào)泵出口流量低觸發(fā)再循環(huán)閥開(kāi)啟，但出口流量低信號(hào)（＜860m3/h）觸發(fā)，備用泵未自動(dòng)聯(lián)啟，僅第二列CEX可用，機(jī)組甩負(fù)荷至40%Pn。

經(jīng)過(guò)模擬驗(yàn)證各類工況和故障模式，改造后功能均符合設(shè)計(jì)預(yù)期。通過(guò)邏輯推演和模擬機(jī)驗(yàn)證，可提前識(shí)別方案錯(cuò)誤，有效控制改造風(fēng)險(xiǎn)，避免在機(jī)組正式實(shí)施后正常運(yùn)行期間才發(fā)現(xiàn)改造方案錯(cuò)誤，提升改造質(zhì)量。

4 改造效果

目前該電廠兩臺(tái)機(jī)組均已完成改造，機(jī)組實(shí)施邏輯修改后已經(jīng)過(guò)1～2個(gè)換料循環(huán)的驗(yàn)證，從兩臺(tái)機(jī)組上下行和滿功率運(yùn)行情況來(lái)看，各項(xiàng)邏輯功能響應(yīng)正確，符合設(shè)計(jì)預(yù)期。機(jī)組正常運(yùn)行期間，通過(guò)動(dòng)態(tài)查看實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并與設(shè)計(jì)方案、全鏈路邏輯推演和模擬機(jī)驗(yàn)證結(jié)果對(duì)比，與設(shè)計(jì)需求完全相符，滿足改造要求，可避免CEX水系統(tǒng)單一故障導(dǎo)致甩負(fù)荷信號(hào)誤觸發(fā)，并減少拒動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)。

5 總結(jié)

核電廠凝結(jié)水抽取系統(tǒng)作為除氧器供水系統(tǒng)，會(huì)直接影響除氧器液位控制，并對(duì)蒸發(fā)器液位控制存在一定的影響。單一故障導(dǎo)致甩負(fù)荷信號(hào)誤觸發(fā)會(huì)直接影響機(jī)組經(jīng)濟(jì)性，且預(yù)期外的甩負(fù)荷會(huì)導(dǎo)致堆芯瞬態(tài)，間接影響核安全。改造方案設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)深入研究信號(hào)回路各邏輯關(guān)系，并經(jīng)過(guò)反復(fù)迭代、全信號(hào)鏈路邏輯推演、模擬機(jī)平臺(tái)驗(yàn)證等手段，最終形成本改造方案。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施驗(yàn)證，結(jié)果符合預(yù)期。該項(xiàng)目的成功實(shí)施，消除電廠凝結(jié)水系統(tǒng)單一故障導(dǎo)致甩負(fù)荷信號(hào)誤觸發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，有效提高機(jī)組經(jīng)濟(jì)性和可靠性，同時(shí)對(duì)后續(xù)單一失效相關(guān)改造項(xiàng)目和其他電廠具有一定的參考價(jià)值。