百萬千瓦級核電站泵入口壓力保護系統研究及應用

惠瓏偉，翟巴菁，明遷

(中廣核工程有限公司，廣東深圳518124)

0 引言

泵組保護系統可用是核電站大型泵組首次啟動時必須具備的可用條件之一，該保護系統主要通過DCS［1］組態來實現，因此，對DCS系統有很大的依賴性。而縱觀整個核電工程建設項目，DCS系統均存在不同程度的工期延誤，滿足不了核電站泵組首次啟動及調試期間的保護需求，如果泵組啟動時沒有保護，將會導致設備損壞及人身傷亡的風險增加。基于以上背景，調試人員通過長期的現場實踐經驗總結，開發出一種可靠的泵組入口壓力保護系統，該系統包括不間斷的直流電源模塊、壓力開關傳感器模塊和繼電器延時模塊等設備，保護系統能夠在DCS不可用的情況下，既可以自動采集泵組入口壓力信號實現自動停泵功能，也可以在泵組其他參數出現異常時由就地巡檢人員手動完成停泵保護操作，在核電機組泵組啟動調試過程中發揮了重要的作用。

本研究通過分析核電站DCS的系統缺陷，基于邏輯控制電路原理，建立由壓力檢測模塊、信號延時模塊、傳輸模塊、電源模塊組成的新泵控制系統。

1 泵入口壓力低的危害

泵組工作時，如果葉輪入口處壓力P0低于飽和壓力Pn時，入口處就會發生汽化，同時溶解在水中的氣體也從水中逸出，形成許多蒸汽與氣體混合的小氣泡［2］。小氣泡隨著水流進入葉輪內，當壓力超過飽和蒸汽壓力Pn時，氣泡中的蒸汽突然凝結成水，在氣泡消失處形成空洞，周圍的水急速沖入空洞，造成極大的水力沖擊。由于氣泡不斷地形成與凝結，強大的水擊壓力以極高的頻率反復地作用在葉輪上，會使金屬表面逐漸的因疲勞而破壞。產生的氣泡中還夾雜有一些活潑的氣體，借助水蒸氣凝結時所釋放出的熱量對金屬起化學腐蝕作用。在化學腐蝕與機械剝蝕［3］共同作用下金屬表面將出現蜂窩狀的麻點，并逐漸形成空洞。

此外，由于水流中大量的氣泡破壞了水流的連續性，增大流動阻力，使水泵流量、揚程、功率和效率下降，隨著汽蝕程度的加強，氣泡大量產生，最后甚至會斷流。

調試期間，泵組試驗時為防止管道中異物進入泵組從而損壞葉輪葉片，需在泵前安裝臨時濾網或正式濾網，復雜的工況(例如濾網堵塞)增加了泵吸入口壓力降低的風險，進而導致泵入口有效氣蝕余量［4］低于泵的必須氣蝕余量而發生氣蝕現象。

以下原因可能導致泵入口壓力降低而發生氣蝕的風險［5］:

(1)泵入口濾網密度細致，流體中雜質被濾網截流導致流量的流通面積減小，當管路流量增大時通過濾網的壓損增大;

(2)部分試驗所要求的在線情況與正常運行工況差別較大，泵入口管路介質的局部損失增大;

(3)泵入口介質吸入高度不夠。

為了防止泵組發生氣蝕現象，在大型泵組試驗期間，必須密切監視泵入口壓力P0，以保證泵入口運行壓力不能低于其允許的最低壓力(通常泵吸入口允許的最低壓力在泵制造說明書中會予以說明)。

2 DCS實現泵組保護

大型泵組首次啟動及系統運行期間，泵組入口壓力保護系統是通過軟件(即修改DCS組態)的方式來實現的，DCS實現泵組入口壓力保護原理圖如圖1所示。

圖1 DCS實現泵組入口壓力保護原理圖

當泵入口壓力值低于整定值時，泵入口壓力開關便會閉合，壓力信號便會傳遞至DCS邏輯處理模塊，經過DCS邏輯處理模塊判斷后，系統將停泵指令傳遞給泵電氣盤柜，以斷開泵組動力電源，從而達到停泵的目的。設計Ts(按照工程實踐經驗，Ts一般取5 s［6］)延時是為了防止泵組啟動時導致泵入口壓力瞬時低于壓力開關的設定值而誤產生停泵信號。

而在實際的工程建設過程中，DCS系統實現泵組保護存在以下缺陷［7］:

(1)受制于供貨、安裝、調試等進度，在泵組啟動時，DCS不具備可用條件;

(2)對固化的邏輯組態進行修改將導致系統控制方式的變更，帶來其他不可控的風險;

(3)核島大多數設備屬于核安全級設備，控制系統屬于核安全級系統［8］，設備調試時，調試及維修工程師沒有權限對邏輯組態進行修改(例如日本三菱DCS控制系統)，需得到控制系統供應商許可，實施變更的周期長;

(4)DCS升版或系統改造時，會將原有控制變更覆蓋掉，每次啟動設備前，需要儀控工程師配合工藝工程師確認DCS邏輯組態;

(5)巡檢人員就地發現異常時缺乏立即停運運行中的泵組的手段，操作員滯后才了解現場情況，可能會增加設備的損壞程度。

3 泵入口壓力保護系統

調試人員通過長期的實踐總結，開發出一種可靠的泵組保護系統。該保護系統原理如圖2所示。

圖2 泵入口壓力保護系統原理圖

泵組運行期間，當泵入口壓力測點探測到泵入口壓力(5)低于泵入口允許的最低壓力，安裝在泵入口的壓力開關(1)探測到壓力異常信號，其常開觸點變為常閉觸點，將信號傳遞給延時繼電器(2)，延時繼電器按照設定的時間延時T(s)后，產生泵組入口壓力低信號，壓力低信號通過硬接線傳遞給泵組電氣盤柜上的指令端子(3)，從而斷開泵的動力電源開關，達到停泵的目的。

本研究在壓力開關(1)上并聯了一塊事故按鈕(4)，其主要作用為在泵運行期間如果出現意外情況(例如泵軸承溫度異常升高等)，就地巡視人員就可以在泵房直接停止泵的運行，有效緩解泵房和電氣間通訊帶來滯后效應而引起事故后果的加重。此外，在泵組置于試驗位時，通過按下試驗按鈕可以檢驗保護系統是否可用。

研究人員按照原理圖完成試驗裝置現場安裝后，首次投用之前需要對該裝置進行測試［9-10］，以保證試驗裝置的可用性及動作準確性。首次測試時筆者使用壓力校驗儀模擬泵入口壓力信號對入口壓力開關進行定值校驗，同時可驗證整個控制回路的可用性及設備動作的準確性。首次校驗完成后、再次啟動泵組試驗［11］前則可以利用泵入口水箱(8)水位產生的壓力模擬泵運行期間入口壓力驗證壓力開關的動作。

試驗按鈕和壓力開關的檢驗功能之間存在的重疊部分確保整個保護回路可用。

運行時，保護系統工作流程如圖3所示。

4 結束語

圖3 保護系統工作流程圖

嶺澳二期、紅沿河一期、寧德一期、陽江一期核電等項目的應用效果證明該保護系統完全能夠滿足工程建設期間核電站泵組保護的需求。同時對常規電廠泵組啟動有參考意義。本研究通過設置泵組保護系統，解決了“在DCS不可用或安全級DCS無權限修改情況下，無法進行大型泵組試驗”的工程難題。該保護系統減小了泵組試驗時對DCS系統的依賴性，保證相關調試工作的順利開展，節約了工程建設工期。

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