核電廠加熱器水位控制可靠性措施分析

楊金鳳

（國核電力規劃設計研究院，北京 100095）

研究與應用

核電廠加熱器水位控制可靠性措施分析

楊金鳳

（國核電力規劃設計研究院，北京 100095）

以提高核電廠加熱器水位控制可靠性為出發點，定性分析了防止水位控制各環節失效的措施，提出冗余獨立的儀表設置方案、獨立調節和保護的控制策略，通過驅動設備故障安全、時間要求和失效模式的分析，提出驅動設備的配置方案。并對DCS硬件配置和控制邏輯環節的可靠性保證措施進行深入挖掘，保證了控制方案各環節的可靠性。

加熱器；水位；故障安全；失效模式

電廠回熱系統是減少冷源損失，提高機組熱效率的重要手段，而加熱器作為回熱系統的關鍵設備，其運行性能直接影響機組的運行，合理的水位是加熱器安全經濟運行的關鍵，對核電廠來說安全可靠尤其重要，需保證加熱器在合理的水位范圍內運行。加熱器水位控制測量、運算、執行各環節失效都會直接影響水位控制效果，因此各環節可靠性是組成水位控制可靠性不可或缺的部分。本文以某核電廠加熱器為例，從硬件配置和控制邏輯層面定性分析防止各環節失效的軟硬件措施，為加熱器水位控制系統優化配置提供依據。

1 儀表設置

每臺加熱器的模擬量水位信號將作為調節回路的被調量，與給定值比較得出偏差作為控制器的輸入，信號的準確程度直接影響系統的控制效果，該廠設置3臺冗余的液位變送器，3個液位信號經3取中值算法處理后，參與正常水位和高水位的調節，3取中值算法的應用使得在任1臺液位變送器故障時，系統能夠根據剩余無故障變送器的輸出信號正常運行，提高系統可靠性。

輸入熱工保護系統的接點信號應是無源干接點，一般應直接取自現場開關量儀表或運行設備的終端節點。應盡量避免用二次信號或多級處理信號作為保護信號，以確保信號的可靠性和信號速度。熱工保護強調可靠性和靈敏性，不允許誤動和拒動的出現，系統內單一部分的故障不應引起保護的誤動和拒動。加熱器水位保護是獨立于調節回路的控制方法，需設置單獨的3個高3值液位開關，通過開關量3取2算法獲得系統高可靠性，以滿足熱工保護可靠性的要求。

2 控制器配置和控制策略

2.1 調節回路獨立

正常水位控制和高水位控制設置2個獨立的控制器，并搭建2個獨立的調節回路，2個調節回路的調節范圍無交叉，避免調節回路間的耦合帶來調節回路控制性能的下降。正常和危急疏水調節閥采用2個獨立的控制器，與工藝設置2路獨立的疏水管道相對應，當1路疏水管路發生故障時，另1路可有效保證系統的疏水能力，2個獨立的控制器可有效分散事故風險，當其中1個控制器發生故障時，另1個控制器仍能控制1個疏水閥以保證系統的控制能力。

2.2 保護策略獨立

在加熱器高3水位時，需隔離加熱器 （抽汽和水側），并切斷逐級疏水，其控制方法獨立于正常和危急疏水的控制。采用獨立的控制方法可防止單一設備 （運行部件）故障時導致汽輪機進水。

2.3 控制器配置

3個液位信號應通過3個獨立的I／O模件引入DCS的冗余處理器，液位信號進入處理器進行了取中運算，可以有效避免單一故障的產生。

為保證控制系統的可靠性，液位信號也應通過信號分配器分成兩路獨立信號分別送至2個控制器。如液位信號送至其中1個控制器后再通過總線方式傳輸至另1個控制器，則當該控制器故障或網絡故障等情況出現時，另1臺控制器無法得到準確的液位值，加熱器液位控制無法繼續進行。具體配置如圖1所示。

圖1 液位變送器控制系統分配方案

對于加熱器隔離控制的各個受控的閥門，應將其控制置于不同的控制器下進行，避免當1個控制器故障時，造成整個控制的失效。如控制水側的給水閥或凝水閥的控制器失效時，控制汽側的抽汽隔離閥的控制器依然正常動作，從而可以有效地進行汽側隔離。

同樣，3個液位開關應通過3個獨立的I／O模件引入DCS的冗余處理器，以避免I／O模件故障造成控制的失效。液位開關信號也應通過信號分配器分成N路獨立信號分別送至各個控制器。

3 驅動設備配置

3.1 故障安全分析

正常和危急疏水調節閥選擇氣動執行機構作為驅動設備，為避免保護動作時失去動力源而喪失安全功能，當發生故障時，閥門應設計為向工藝安全的方向動作。另外，為防止在發生一般故障時2個閥門在相同狀態，確保至少有1路疏水管道可用，2個閥門應向相反方向動作。按照表1進行閥門故障安全分析并確定閥門類別。

表1 閥門故障安全分析

3.2 時間要求分析

根據工藝要求，正常疏水調節閥在加熱器低水位時要求快關，避免水位繼續下降導致加熱器干燒損壞，危急疏水調節閥在加熱器高3水位時要求快開，避免水位繼續上升導致發生汽輪機進水事故。實現全開的方式有將氣動執行機構的IP定位器置20 mA對應氣量和在氣源管路上配置電磁閥直接通斷氣路2種實現方式。實際工程中，未配置快開／快關電磁閥的氣動執行機構全量程時間為20～30 s，配置快開／快關電磁閥的氣動執行機構全量程時間在5 s內，后者能滿足工藝時間要求為選用方案。

3.3 失效模式分析

正常和危急疏水閥主要的失效模式有3種，失氣、失電、失信號，失氣見3.1節分析。

失電有失去控制電壓和失去電力2種失效模式。針對IP定位器和電磁閥2個部件進行分析，主要有以下幾種情況。

a. 氣動執行機構 IP定位器失去控制電壓。當氣動執行機構4～20 mA信號失去控制電壓時，IP定位器檢測到失去信號來源后，應向系統安全方向動作，正常疏水調節閥關閉，危急疏水調節閥打開。

b.氣動執行機構IP定位器失去控制信號。此種情況與氣動執行機構IP定位器失去控制電壓相同。

c. 電磁閥失去控制電壓。d.電磁閥失去電力。

e.電磁閥失去控制信號。

電磁閥有常帶電電磁閥和不常帶電電磁閥2種配置。下面針對2種配置，考慮單一故障工況，對電磁閥3種失效模式下氣路狀態進行對比分析，具體如表2所示。

可以看出，為防止在發生失電時2個閥門在相同狀態且危急疏水閥能故障打開，正常和危急疏水調節閥應采用常帶電電磁閥，DCS的DO卡件通道配備常閉觸點繼電器，能降低失效模式帶來的風險。另外配置1和配置2在失去控制電壓或控制信號2種失效模式下，若保護信號未發出，均不能執行保護動作，可在控制邏輯優化中進行分析并制定應對2種失效模式下的措施。

表2 電磁閥失效模式分析

4 控制邏輯優化

4.1 提高自診斷能力

在邏輯中對每1個測點進行質量好壞的判斷，一旦測點發生故障，應在主控室報警通知操縱員，冗余邏輯根據剩余無故障測點信號保證控制系統正常運行。操縱員根據測點故障報警采取相應措施進行故障排查，并根據故障測點信號的個數決定是否切換至手動操作。

4.2 驅動設備多部件保障

3.3節主要分析了減少3種失效模式影響的硬件配置措施。電磁閥在失去控制電壓和控制信號失效模式下，無法完成危急疏水調節閥的快開，正常疏水調節閥的快關動作。因此當加熱器高2水位時，給危急疏水調節閥電磁閥發送快開指令的同時，發送100%開度信號給IP定位器，保證這時電磁閥若失效，仍有1路控制信號保證危急疏水閥全開，保證疏水管路暢通。

4.3 信號多樣性保障

加熱器水位高3值時，需要執行汽輪機防進水保護措施，高3值水位信號準確無誤發出至關重要。因此除3臺高3值液位開關信號進行3取2邏輯運算得到的開關量信號外，還將3臺液位變送器3取中值算法的輸出信號進行高3值閾值計算，并將2個開關量信號進行或運算，得到的結果用于保護控制。該措施保證在液位開關失效時，仍有1路輸入信號保證控制系統的正常運行。

5 結束語

本文對加熱器水位控制的儀表設置、驅動設備配置、DCS硬件配置、控制策略幾個方面進行分析，得出各環節的可靠性保證措施，從而完成了一套完整的防止各環節失效的加熱器水位控制方案，目前已應用于在建核電廠，對于同類控制方案的分析研究有借鑒意義。

［1］ 董衛國，徐則明.火電廠給水加熱器的運行、維護和檢修［M］.北京：中國電力出版社，1997.

［2］ 潘汪杰，黃桂梅，史金鐸.熱工測量及儀表 ［M］.北京：中國電力出版社，2006.

［3］ GB／T 13626—2008，單一故障準則應用于核電廠安全系統［S］.

Research on Reliability Measures of Heater Level Control for Nuclear Power Plant

YANG Jin?feng
（State Nuclear Electric Power Design and Research Institute，Beijing 100095，China）

This paper analyses the control measures to prevent the failure of the water level control and improve the reliability by taking to improve level control of the heater water as the core.Independent regulation，protection control stragegy are presented.Configuation scheme of driving arrangement by analyzing failure safety，time requirements and failure mode are put forword.The guarantee measures for reliability for the DCS hardware configuration and control logic are ready to enter into in?depth discussions which ensure the reliabili?ty of control program.

Heater；Water level；Failure safety；Failure mode

TM623

A

1004-7913（2015）11-0024-03

楊金鳳 （1984—），女，碩士，工程師，從事大型火力發電廠和核電廠熱工自動化設計工作。

2015-09-11）