CPR1000核電廠RRA系統(tǒng)等幅震蕩問題分析

項洪一　李永洪　李鏘　劉鵬　吳啟烈

摘 要：針對中國改進(jìn)型壓水堆某核電站（CPR1000）4號機(jī)組，RRA（余熱排出系統(tǒng)）系統(tǒng)在裝料后的首次啟動中，RRA013VP閥門上氣缸進(jìn)氣銅管斷裂，控制系統(tǒng)產(chǎn)生等幅震蕩等問題。該文從系統(tǒng)設(shè)計、工藝流程、DCS組態(tài)、閥門定位器等方面進(jìn)行分析，結(jié)合歷史數(shù)據(jù)，找到問題的根源并處理。故障處理后，經(jīng)過大量的擾動試驗進(jìn)行再驗證。驗證結(jié)果表明，故障已經(jīng)徹底消除，控制系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行。

關(guān)鍵詞：余熱排出系統(tǒng) 閥門 故障 等幅震蕩 擾動

中圖分類號：TM623 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）06（c）-0123-04

余熱排出系統(tǒng)（Residual Heat Removal RRA），作為核電站的重要系統(tǒng)，其主要功能是在正常停堆以及事故緊急停堆時，用于去除堆芯衰變熱及一回路顯熱（統(tǒng)稱為余熱）[1]。作為余熱排出系統(tǒng)的流量調(diào)節(jié)閥，RRA013VP調(diào)節(jié)性能的好壞直接影響余熱的排出，影響到核電站的安全停堆問題。

文章針對某CPR1000核電站4號機(jī)組RRA系統(tǒng)在裝料后的首次啟動過程中，RRA013VP閥門產(chǎn)生了上氣缸進(jìn)氣銅管斷裂故障，EP線性度下降輸出量程不夠、定位器輸入壓力小表漏氣、定位器零點漂移、控制系統(tǒng)產(chǎn)生等幅震蕩，即RRA013VP和RRA006MD（余熱排出流量）等幅震蕩等問題，從系統(tǒng)設(shè)計、工藝流程、DCS組態(tài)、閥門本體等方面進(jìn)行分析，結(jié)合歷史數(shù)據(jù)，找到問題的根源并處理。故障處理后經(jīng)過RRA系統(tǒng)流量設(shè)定值擾動（910～1300 m3/h）、泵切換試、閥門開5%、關(guān)10%擾動等進(jìn)行再驗證，驗證控制系統(tǒng)的穩(wěn)定。

1 RRA系統(tǒng)的主要功能介紹

RRA系統(tǒng)的主要功能是在電廠停堆期間，經(jīng)蒸汽發(fā)生器初步冷卻降壓后，從堆芯和反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)（RCP）排出熱量。將反應(yīng)堆冷卻劑的溫度從180 ℃降到60 ℃。在達(dá)到冷停堆工況時，RRA系統(tǒng)能將反應(yīng)堆冷卻劑溫度維持在冷停堆工況，并可以滿足換料和維修操作所需要的時間[2]。

在反應(yīng)堆啟動和停堆期間，一回路溫度壓力從60 ℃/0.1 MPa·a加熱到180 ℃/2.8 MPa·a和從180 ℃/2.8 MPa·a冷卻到60 ℃/0.1 MPa·a過程中，RRA系統(tǒng)投入運行，控制升溫和降溫速率小于28 ℃/h[3]。熱交換器出口溫度由閥門RRA024/025手動控制，閥門RRA013VP保證系統(tǒng)流量穩(wěn)定在設(shè)定值。其與一回路鏈接的系統(tǒng)圖（見圖1）。

2 閥門等幅震蕩問題描述

某核電廠RRA系統(tǒng)在首次裝料后的投運期間，由于一回路系統(tǒng)內(nèi)含氣量高，導(dǎo)致RRA系統(tǒng)管線震動大，從而使RRA013VP閥門定位器至上氣缸連接的銅管斷裂。為處理銅管斷裂問題，現(xiàn)場通過手輪將閥位卡死，在線對斷裂銅管進(jìn)行更換。更換斷裂銅管后，在小范圍開度下對閥門進(jìn)行操作性檢查，確認(rèn)閥門動作無異常后將閥門恢復(fù)自動調(diào)節(jié)。此時流量與閥門出現(xiàn)等幅振蕩，持續(xù)約半小時等幅震蕩仍未消除。將RRA013VP切手動控制，手動將RRA006MD流量調(diào)節(jié)穩(wěn)定后，再投自動控制，流量與閥門的等幅震蕩消失，閥門調(diào)節(jié)正常。

3 問題分析

為了找出產(chǎn)生等幅震蕩的原因，各個專業(yè)分別從控制邏輯的設(shè)計、DCS組態(tài)實現(xiàn)和RRA013VP閥門響應(yīng)時間、RRA泵出力情況、閥門在低流量下調(diào)節(jié)性能不佳、系統(tǒng)壓力較低時閥門變化對流量影響較大等方面進(jìn)行分析。

3.1 控制邏輯設(shè)計檢查

RRA013VP采用純積分控制，積分時間是7.5 s。設(shè)計的控制邏輯圖（見圖2）。RRA006MD作為測量值送到PID控制器RRA401RG中，RRA401RG的設(shè)定值是固定的1 800 m3/h或者KIC上RRA407KU的手動輸入值。PID計算出的閥位指令送到RRA013VP進(jìn)行控制。

檢查結(jié)論：控制邏輯設(shè)計正確。

3.2 DCS控制組態(tài)檢查

在進(jìn)行DCS組態(tài)檢查前，先進(jìn)行PID算法的理論分析，根據(jù)理論分析結(jié)果，驗證DCS控制系統(tǒng)內(nèi)的組態(tài)是否滿足設(shè)計要求。

理想的PID調(diào)節(jié)器的動態(tài)方程：。

對應(yīng)傳遞函數(shù)：。

RRA設(shè)計為純積分控制，其動態(tài)方程：。

安全級使用的是三菱DCS控制系統(tǒng)、MELENS控制軟件，其CPU的掃描周期是100 ms，按照設(shè)定值和測量值的偏差為2 000 m3/h（量程的100%）進(jìn)行計算，積分時間是7.5 s，即7.5 s的時間閥門開度由0%開到100%。每個掃描周期的輸出：===。

根據(jù)DCS控制系統(tǒng)內(nèi)的組態(tài)（見圖3），計算求和模塊的兩路系數(shù)，根據(jù)每個掃描周期輸出相等列式：。DCS的組態(tài)中的參數(shù)設(shè)置為1/3000（0.00033333）是正確的。S1051XR是流量設(shè)定值，設(shè)定為2000，S1050XA是RRA006MD流量信號，經(jīng)過差值計算模塊S1050G作差后，分兩路信號乘以系數(shù)1/3000（0.00033333）后，送到求和模塊YRRA401RG1進(jìn)行求和，輸出的信號是每個掃描周期根據(jù)偏差的計算值，經(jīng)過高、低選模塊（YRRA401RG8、YRRA401RG10）進(jìn)行限幅后，送到加法模塊YRRA401RG11進(jìn)行計算，加法模塊YRRA401RG11起的作用相當(dāng)于增量式PID控制，即在前一個掃描周期CPU計算的輸出基礎(chǔ)上，加上該掃描周期CPU的計算輸出，作為當(dāng)前的閥位指令輸出。

檢查結(jié)論：DCS控制組態(tài)正確，正確實現(xiàn)設(shè)計功能。

3.3 閥門響應(yīng)時間分析

圖4中，RRA013VPC是閥門開度指令信號，RRA006MD是流量測量值。根據(jù)數(shù)據(jù)趨勢分析，當(dāng)閥門開度指令由t1時刻的73%關(guān)到t2時刻的65%時，流量信號由t1時刻的960 m3/h變化到t2時刻的970 m3/h，流量信號從t2時刻開始下降，經(jīng)過90 s的時間才降到最低點910 m3/h。t2-t1=92 s即從閥門開度指令開始關(guān)小開始，到流量開始下降的時間為92 s！而92 s基本上是半個震蕩周期的時間，響應(yīng)時間異常導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)等幅震蕩。RRA013VP是核級閥門，安裝在核島內(nèi)，只有指令信號沒有反饋信號，所以圖4中的閥門開度信號只是閥門的開度指令，而非真實的閥門開度。流量變送器RRA006MD根據(jù)其他機(jī)組的數(shù)據(jù)分析，流量對于閥門開度指令的響應(yīng)時間最長為10 s，而這里居然是92 s，所以由此推斷出是閥門響應(yīng)時間過長導(dǎo)致等幅震蕩。endprint

分析結(jié)論：閥門響應(yīng)時間過長導(dǎo)致等幅震蕩。需要就地檢查閥門響應(yīng)慢的原因，并重新進(jìn)行閥門整定。

3.4 閥門故障分析

到就地檢查時，發(fā)現(xiàn)RRA系統(tǒng)管線異常振動大，綜合一回路系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行分析，找出RRA系統(tǒng)管線振動大的原因是由于一回路內(nèi)含氣量高導(dǎo)致。系統(tǒng)管線振動大導(dǎo)致RRA013VP閥門定位器至上氣缸連接的銅管斷裂。當(dāng)一回路排氣后，RRA系統(tǒng)管線異常振動消失。

更換新銅管后，將RRA013VP切自動控制，流量和閥門出現(xiàn)等幅振蕩（分析見4.3節(jié)）。通過FlowScanner校驗儀對閥門進(jìn)行校驗發(fā)現(xiàn)EP（電信號-壓力信號轉(zhuǎn)換器）故障，并且定位器輸入壓力小表漏氣。

分析結(jié)論：一回路含氣量大導(dǎo)致RRA系統(tǒng)管線振動，從而使定位器至上氣缸銅管斷裂、EP故障、定位器輸入壓力小表漏氣。

此外還對RRA泵出力情況、閥門在低流量下調(diào)節(jié)性能不佳、系統(tǒng)壓力較低時閥門變化對流量影響較大等因素進(jìn)行分析，但都逐一排除。

4 閥門故障處理及再驗證

4.1 閥門故障處理

在更換定位器至上氣缸的斷裂銅管后，將閥門切到手動控制，手動給71%的固定開度，現(xiàn)場對閥門閥位進(jìn)行觀察，持續(xù)觀察約10 min，就地閥位未動作，因此可確定閥門氣缸不存在漏氣情況。

校驗前繪制FlowScanner曲線，根據(jù)曲線結(jié)果對比熱試前曲線情況看出，EP線性不好，輸出量程不夠，為0.2～0.88 bar，低于0.2～1 bar要求（見圖5）。并且定位器上下氣缸壓力建立不起來，最大氣壓1.35 bar，閥門在全開、全關(guān)位置時氣缸達(dá)不到最大壓力4.0 bar。根據(jù)繪制出的閥門特性曲線看出，閥門死區(qū)增大，在近8.0 mA電流信號時，閥門才會動作（見圖6）。熱試前閥門正常時的死區(qū)為5.4 mA。對EP進(jìn)行調(diào)整后，繪制FlowScanner曲線，分析出EP量程已經(jīng)滿足要求，但EP線性仍舊存在問題，在4～6 mA區(qū)間電流信號存在，但定位器無輸入壓力，判斷EP需要更換。

更換EP備件后，繪制FlowScanner曲線，根據(jù)EP特性曲線以及閥門上下氣缸氣壓特性變化情況看出，電流信號在7～9.5 mA區(qū)間，定位器輸入壓力增長變緩慢，閥門上下氣缸氣壓較之前有所改善，最大壓力已達(dá)2.25 bar，但仍無法達(dá)到最大供氣壓力4.0 bar。經(jīng)過進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)，定位器輸入壓力小表存在漏氣情況，將漏氣處理完畢后，調(diào)整EP、定位器零點量程合格，繪制曲線看出閥門特性以及EP、定位器性能良好，閥門故障消除（見圖7、圖8）。

4.2 閥門故障處理后再驗證

RRA013VP閥門故障處理完后，分別進(jìn)行流量設(shè)定值擾動（910～1 300 m3/h）、泵切換試驗、閥門開5%、關(guān)10%擾動等試驗進(jìn)行再驗證，閥門正常響應(yīng)，系統(tǒng)控制穩(wěn)定，未再次出現(xiàn)震蕩。試驗期間再驗證曲線（見圖9）。流量設(shè)定值擾動試驗過程中，流量設(shè)定值由910 m3/h增加到1 300 m3/h，閥門的開度由41%開到64%，響應(yīng)及時控制穩(wěn)定。在流量達(dá)到1 300 m3/h平臺穩(wěn)定后，進(jìn)行了RRA001PO（余熱排出系統(tǒng)1號泵）和RRA002PO（余熱排出系統(tǒng)2號泵）的切泵試驗，試驗過程是先啟動RRA002PO，使RRA001PO/RRA002PO雙泵運行，再停運RRA001PO保持RRA002PO運行，在切泵過程中流量最高值1 572 m3/h，閥門開度最小值48%，控制系統(tǒng)穩(wěn)定。待RRA002PO運行穩(wěn)定后，在流量為910 m3/h和950 m3/h兩個平臺分別進(jìn)行，閥門手動開5%，關(guān)10%擾動試驗，控制系統(tǒng)很快進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。

此次再驗證，包含了RRA系統(tǒng)在實際運行過程中的最差工況，在最差工況擾動下RRA系統(tǒng)控制穩(wěn)定，其他穩(wěn)態(tài)工況，RRA系統(tǒng)也運行穩(wěn)定。

5 結(jié)語

由于一回路系統(tǒng)內(nèi)含氣量高，RRA系統(tǒng)管線震動大，從而導(dǎo)致RRA013VP閥門定位器至上氣缸連接的銅管斷裂、EP線性度下降輸出量程不夠、定位器輸入壓力小表漏氣、定位器零點漂移等問題，是造成RRA013VP產(chǎn)生等幅震蕩的根本原因。在更換EP、處理好定位器輸入小表漏氣，并重新整定定位器后，故障消除，RRA系統(tǒng)恢復(fù)正?？刂?。

參考文獻(xiàn)

[1] 賈寶山，俞冀陽，彭敏俊.核動力裝置設(shè)計與優(yōu)化原理[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，2010：46-47.

[2] 蘇林森，楊輝玉，王復(fù)生，等.900 MW壓水堆核電站系統(tǒng)與設(shè)備[M].北京：原子能出版社，2006：138-145.

[3] 余熱排出系統(tǒng)設(shè)計說明[Z].深圳：中廣核工程有限公司，2007.endprint