針對核電廠交流勵磁機冷風控制喪失的故障改造和分析

王哲明　劉信信　楊帆

摘 要：本文針對核電廠一次交流勵磁機風溫控制功能喪失的故障過程，對故障原因展開分析并介紹了故障處理的改造措施。在改造工作中通過更換損壞元件、完善DCS畫面軟報警信息、增加勵磁機風溫測溫元件的冗余配置三個方面改善了勵磁機冷風控制的可靠性，通過改造工作，加強了類似故障的情況下操縱員及系統(tǒng)的響應(yīng)能力。

關(guān)鍵詞：DCS；核電；控制

1 概述

核電廠交流勵磁機被封閉在一個金屬罩內(nèi)，通過罩內(nèi)的空冷系統(tǒng)，形成一個密閉的以空氣為冷卻介質(zhì)的熱交換空間，確保勵磁機在規(guī)定的溫度下運行。而勵磁機空氣冷卻器的冷卻介質(zhì)是來自常規(guī)島閉式冷卻水系統(tǒng)的冷卻水。在空氣冷卻器的進水管路上設(shè)置有調(diào)節(jié)閥，調(diào)節(jié)冷卻水流量使空冷系統(tǒng)的溫度維持在一個恒定值。在M310壓水堆核電勵磁機風溫控制設(shè)計中，利用DCS系統(tǒng)（分散控制系統(tǒng)）跟蹤勵磁機的整流輪位置的入口冷風溫度變化的趨勢，對上游的空冷器冷卻水出口調(diào)節(jié)閥進行控制，通過調(diào)節(jié)冷卻水流量使入口冷風溫度保持恒定。

2013年，某核電機組勵磁機整流輪冷風風溫信號出現(xiàn)異常抖動，在偶發(fā)工況下出現(xiàn)緊急事件。再此期間勵磁機空冷器的冷卻水出口調(diào)節(jié)閥自動關(guān)閉且切換為手動控制，勵磁機冷卻功能喪失，最終造成勵磁機軸瓦溫度異常上升。本文主要針對事件發(fā)生后開展的相關(guān)改造工作，故障產(chǎn)生過程和改造過程中已證實的故障原因進行較系統(tǒng)的論述。

2 事件過程及分析

2.1 事件過程

某核電機組勵磁機整流輪冷風風溫信號首先出現(xiàn)較大范圍的溫度波動，同時主控室接收到閃發(fā)的“MCS IO BAD”報警，隨后報警消失。幾分鐘后，勵磁機軸瓦溫度明顯上升，操作人員核對后發(fā)現(xiàn)勵磁機空冷器冷卻水出口調(diào)節(jié)閥處于關(guān)閉位置，且已經(jīng)自動切換為手動控制模式。在及時手動開啟調(diào)節(jié)閥后，勵磁機溫度回復正常。此時由于信號仍然持續(xù)波動，因此采用臨時措施方式，將該雙支熱電阻的另一路信號（原送DEH系統(tǒng)）送入DCS系統(tǒng)參與冷卻水流量調(diào)節(jié)閥控制。

2.2 響應(yīng)處理過程

勵磁機整流輪冷風風溫信號測溫元件為三線制雙支鉑電阻，其電阻信號送至常規(guī)島DCS系統(tǒng)。DCS系統(tǒng)內(nèi)該熱電阻設(shè)定的溫度量程為0-150℃。在事件后分析過程中查詢歷史數(shù)據(jù)庫發(fā)現(xiàn)，該溫度信號短時間內(nèi)在-20℃至130℃區(qū)間波動，最低曾達到-20℃，低于DCS系統(tǒng)設(shè)定的量程下限，因此出現(xiàn)了風溫信號的“IO BAD”報警的閃發(fā)，并瞬間觸發(fā)“MCS IO BAD”聲光組合報警。根據(jù)該核電機組DCS系統(tǒng)設(shè)計特點，當調(diào)節(jié)閥控制輸入信號出現(xiàn)“IO BAD”時，調(diào)節(jié)閥會自動切換至手動狀態(tài)。從歷史趨勢上來看，調(diào)節(jié)閥先是受到波動的風溫信號影響對閥門進行調(diào)節(jié)，在某一時間段內(nèi)，由于整流輪冷風風溫過冷，閥門自動調(diào)節(jié)至全關(guān)位置，停止供應(yīng)冷卻水，之后溫度繼續(xù)降低至系統(tǒng)默認下限之下，觸發(fā)“IO BAD”報警，閥門恰好在全關(guān)位置切換為手動模式，導致冷卻水流量不足，且調(diào)節(jié)閥喪失自動調(diào)節(jié)能力，勵磁機冷風冷源喪失。在運行操縱員干預之前，這種狀況得不到改善，致使交流勵磁機軸瓦溫度升高。而操縱員在接收到“MCS IO BAD”聲光組合報警后，由于報警源在主控室光字牌及DCS系統(tǒng)畫面中都沒有詳細的列出，因此無法第一時間確認故障來源，直至幾分鐘后，勵磁機軸瓦溫度高觸發(fā)另一報警后，才引起操縱員的重視。此時已經(jīng)錯過了事件響應(yīng)的第一時間。事件發(fā)生后，操縱員發(fā)現(xiàn)風溫信號持續(xù)波動的故障存在。此時，該信號已經(jīng)無法實現(xiàn)對調(diào)節(jié)閥的控制。因此只能將雙支熱電阻中原本送入DEH系統(tǒng)的另一支引入DCS進行控制。

從此次事件的發(fā)生過程來看，勵磁機整流輪冷風風溫信號出現(xiàn)不明原因的波動是整個事件的主要原因，主控室的“MCS IO BAD”組合報警無法反映詳細的故障來源是造成本次事件的次要原因。而測溫元件備用測點數(shù)量的不足，限制了事件后期應(yīng)急處理的能力。

3 勵磁機風溫控制維修與改造

3.1 風溫測溫元件的故障

通過觀察事件過程中的風溫溫度趨勢記錄可以發(fā)現(xiàn)，測溫使用的熱電阻出現(xiàn)了較大幅度的尖峰波動，阻值不穩(wěn)定，熱電阻信號幾分鐘內(nèi)劇烈波動，而正常的設(shè)定溫度是35℃，符合測量回路短路或斷路導致的故障現(xiàn)象[1]。因此推論測溫熱電阻損壞或?qū)Ь€有虛接且正負極導線有間歇性接觸。

經(jīng)分析可能的故障位置：①熱電阻內(nèi)部接線；②勵磁機本體接線箱內(nèi)的端子；③DCS系統(tǒng)機柜端端子；④電纜。

在大修期間，對勵磁機進行解體后，針對以上幾個可疑位置分別進行檢查，總結(jié)實際的故障來源于以下兩個方面：

①熱電阻阻值有波動：三線制熱電阻自身的焊點或接線在長期振動下易發(fā)生老化損壞，使三線制熱電阻中的一根或兩根線電阻值不穩(wěn)定，導致測量結(jié)果隨震動出現(xiàn)波動誤差。

②勵磁機本體接線箱內(nèi)的端子損壞導致三線制熱電阻不同的線之間有短路：隨勵磁機交貨自帶的設(shè)備內(nèi)部接線端子設(shè)計源自美國，是在上個世紀70年代勵磁機生產(chǎn)技術(shù)引進期間設(shè)計的產(chǎn)品。在機組換料大修期間，維修人員發(fā)現(xiàn)該類端子部分被擠壓碎裂，會導致接線端子脫出端子排結(jié)構(gòu)，事件中產(chǎn)生波動的熱電阻端子已經(jīng)處于自由活動狀態(tài)，易接觸臨近的端子造成端子間短路。

由于勵磁機的維護工作需要在汽輪機停機以及勵磁機解體的條件下才可以開展，每一次處理的時間成本較高，因此對于勵磁機內(nèi)部的熱電阻維護選擇使用可靠性較高的整體更換方式處理。針對第一個故障點，更換了勵磁機結(jié)構(gòu)內(nèi)包括整流輪冷風風溫測溫元件在內(nèi)的全部四個熱電阻組件，確保近期不會再次發(fā)生疲勞老化故障。針對第二個故障點，將勵磁機內(nèi)所有的儀控信號通道都用抗震端子排替換。從改造后6個月的觀察結(jié)果來看，熱電阻的波動現(xiàn)象已經(jīng)消失，元器件再次發(fā)生故障的風險已經(jīng)消除。

3.2 DCS系統(tǒng)內(nèi)軟報警窗完善

“MCS IO BAD”報警被設(shè)計在主控制室的聲光報警處理系統(tǒng)中。它是協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)（MCS系統(tǒng)，也稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)）內(nèi)主要信號的輸入輸出故障、測量結(jié)果偏差大等一系列非常規(guī)狀態(tài)的組合報警。在這次事件的過程中，從報警處理系統(tǒng)觸發(fā)“MCS IO BAD”聲光組合報警，至勵磁機溫度上升至觸發(fā)勵磁機軸瓦溫度高報警的期間，運行人員無法通過報警系統(tǒng)獲得足夠的信息來確認組合報警的報警來源，反映出了報警信息反饋功能的不足。

因此，為了進一步的滿足相關(guān)設(shè)計標準[2]，在DCS系統(tǒng)工程師站及操作員站中，增加一份較為詳細的“MCS IO BAD”報警源清單畫面。其報警功能同其他常規(guī)報警一樣，在報警觸發(fā)時為快閃，確認報警存在則為常亮，報警消失時為慢閃，確認報警消失則熄滅。保證報警的信息的可追溯性，有利于操縱員快速定位故障位置，做出響應(yīng)，提高對于緊急情況的應(yīng)急響應(yīng)速度。

3.3 勵磁機風溫測溫元件冗余布置

針對勵磁機內(nèi)測溫元件的安裝條件，從維護便利和設(shè)備可靠性角度來考慮，在勵磁機內(nèi)的原測點位置增加一套風溫測溫元件，這樣不但可以輔助監(jiān)視勵磁機整流盤冷風溫度，而且還可以解決備用信號通道不足的問題。在出現(xiàn)類似故障的之后，可以及時將備用信號接入DCS邏輯控制，避免影響DEH系統(tǒng)的監(jiān)視功能。

考慮到同一測點的兩支測溫元件出現(xiàn)差異，每一支都會出現(xiàn)孤證問題，不利于運行人員的判斷。因此在改造設(shè)計時人為的將新增的這支熱電阻降級處理，將信號送入順序控制系統(tǒng)中，僅作為輔助監(jiān)視用，不參與邏輯控制，并在DCS畫面中明確標注。

4 總結(jié)

通過對故障過程和故障原因的分析，我們對交流勵磁機的相關(guān)測溫元件以及主控室報警信息進行了適應(yīng)性的修改，包括對勵磁機整流盤冷風溫度溫度測量線的檢查與替換、測溫元件的冗余設(shè)計和DCS系統(tǒng)人機畫面報警信息的補充設(shè)計。通過以上的改造設(shè)計工作，可以從根本上杜絕相同事件的發(fā)生并有效提升了設(shè)備的可靠性、改進同類事件發(fā)生后的應(yīng)急響應(yīng)條件。希望這類分析可以為其他電廠特別是核電廠的勵磁機維護工作提供有益的參考，為后續(xù)的勵磁機風溫邏輯設(shè)計提供良好的反饋。

參考文獻：

[1]宋德濤.熱電阻測溫系統(tǒng)的維護和故障處理[J].江西煤炭科技，2011（1）：71-72.

[2]DL/T 5423-2009，核電廠常規(guī)島儀表與控制系統(tǒng)設(shè)計規(guī)程[M].北京：中國電力出版社，2009.