福清核電主給水泵轉速控制系統單點失效分析與改進

鄭孝珠 陳湛楊

福建福清核電有限公司 福建福清 350300

主給水流量控制系統是核電站中的重要控制系統之一，其控制性能直接影響著蒸發器液位的穩定。在主給水流量控制系統中，若主給水泵轉速波動將直接影響蒸發器液位控制。主給水泵轉速控制系統作為核電站中最重要的SPV（指單個設備故障即可導致電站停堆、停機、降功率、功率大幅度波動的設備）設備之一，是維持蒸發器液位穩定的核心。

在福清核電運行的機組中，曾經多次由于主給水泵轉速控制系統的調速裝置誤動導致蒸發器液位波動，同行電廠中也出現過類似情況。針對該問題，文章通過分析，提出一些主給水泵轉速控制系統優化改進建議。

1 主給水泵轉速控制系統原理介紹

福清核電的主給水泵轉速控制系統使用的調速裝置是福伊特公司生產的R17K450M型液力耦合器（以下簡稱液耦），液耦基于費丁格爾原理設計，將驅動電機產生的機械能通過泵輪轉化成工作油的動能，渦輪再將工作油的動能轉變成機械能。耦合器旋轉時，工作油在工作腔內形成油環，通過改變勺管的位置來控制油環厚度，改變耦合效應，從而達到控制渦輪轉速的目的[1]。

液耦中有一套獨特的轉速控制裝置，叫做VEHS（福伊特電液執行器），它實現了對主給水泵轉速的精準控制。VEHS通過比較勺管的實際位置與設定值，計算出偏差量，輸出信號改變三位四通閥的位置，調節勺管液壓缸內的差壓，進而改變勺管位置[2]。

液耦的轉速控制PLC由一個自動控制器（以下簡稱SLC500）和一個手動控制器(以下簡稱S7-200)組成的。SLC500將從DCS接收的轉速設定值信號與實際轉速值信號相比較后，經過PID運算轉化為液耦勺管位置設定值并發送給VEHS，實現轉速的自動調節；S7-200接收主控發出的升速/降速脈沖，直接驅動勺管上升或下降，實現轉速的手動調節。

2 主給水泵轉速控制系統單點失效案例分析

2017年9月9日，福清核電4號機組在執行切泵操作時，將4APA302PO置手動后，其轉速由4126rpm快速降至613rpm，導致蒸發器液位波動，與預期不符。儀控人員檢查發現勺管位置反饋信號的隔離分配卡件輸出至S7-200的信號回路電流偏低,具體實測數據可見下表1。

本次勺管下插的原因為勺管位反信號隔離分配卡件性能下降，其輸出到手動控制PLC的位反信號偏低，并且不穩定。泵由自動切到手動控制時，由于輸出到手動控制PLC的位反信號偶發丟失，導致勺管下插到最小位置。根據現場測試我們發現在主給水泵正常運行時，出現以下幾種故障可能導致轉速控制系統異常：

DCS的轉速設定值信號丟失：轉速控制系統由自動切為手動；

PLC控制電源掉電：勺管下插到最小位置；

手自動PLC全故障：勺管下插到最小位置；

PLC輸出指令斷線：勺管下插到最小位置；

VEHS反饋信號斷線：勺管下插到最小位置；

勺管的位置反饋傳感器信號失效：勺管下插到最小位置；

主給水泵轉速控制系統作為核電站中的重要SPV設備之一，如果其單點失效將導致勺管誤動，導致蒸發器液位波動。當勺管誤動時，極可能由于干預不及時導致蒸發器液位大幅波動，嚴重時甚至停堆。在福清核電機組調試運行這幾年中，曾出現過多次由于控制柜內接線端子虛接或控制卡件失效，導致液耦調速裝置故障。

2015年5月7日，一號機組處于功率運行，1APA202PO突然由自動控制切為手動控制，就地控制柜出現“Wire break at ADC Ch2：Scoop tube position”(勺管位反斷線故障 )報警，經過檢查發現是由于勺管位反信號的端子虛接。

2016年7月19日，3APA302PO轉速從4085rpm突然降至620rpm，持續一分鐘后恢復至4085rpm。經過檢查發現，勺管位反的供電端子虛接，短時失去供電導致勺管下插至0%。

2017年9月9日，由于勺管位反信號隔離分配卡件性能下降，輸出到手動控制PLC的位反信號偶發丟失，4APA302PO切手動后轉速由4126rpm快速降低至613rpm，勺管下插到0%。

表1 勺管位反信號隔離分配卡件輸入輸出實測數據表

綜合各案例可知，主給水泵轉速控制失效基本都是由于信號丟失導致勺管誤動。如果信號丟失時能及時觸發報警，并阻止勺管動作，則能防止主給水泵轉速及蒸發器液位大幅波動，同時也給操縱員提供足夠的干預時間，防止事態進一步惡化。

3 主給水泵轉速控制系統單點失效改進

3.1 主給水泵轉速控制系統中增加保位閥

根據勺管動作原理可知，通過改變三位四通閥的位置，調節勺管液壓缸內的差壓，使得勺管動作。在勺管液壓缸的管路中加裝一個保位電磁閥，當出現液耦調速裝置故障時，保位電磁閥失電關閉，切斷勺管液壓缸管路，使液壓缸內的液壓油與外部供油管路隔斷，從而確保勺管液壓缸的兩側壓力不變，實現保位功能（見圖1）。

圖1 液耦增加保位閥改造原理圖

根據上述分析，液耦增加保位閥需要實現當轉速控制系統異常時，保位電磁閥失電關，切斷勺管液壓缸油路，達到保位功能。實施本改造主要分為硬件改造和軟件改造兩部分。

（1）硬件改造部分。硬件改造主要包括機柜內的改造和現場更換三位四通閥模塊。本次機柜改造主要為新增勺管的位反隔離模塊、控制保位電磁閥的繼電器及將RESET復位功能、保位閥動作的報警送至主控。

勺管的位反隔離模塊將勺管的位置反饋一分為二，送往SLC500和S7-200參與保位閥控制。當勺管的位反斷線或故障時，保位閥失電關；另一路送往勺管PID計算模塊參與勺管控制。可將一路勺管位反信號直接接入SLC500控制器的模擬量輸入卡件的備用通道，另一路勺管位反信號接入S7-200控制器的備用通道。SLC500及S7-200上都預留了備用數字量輸出通道，可直接將PLC計算結果輸出至保位電磁閥繼電器，驅動保位電磁閥動作。

機柜下部需要新增端子排，安裝新增的保位繼電器及送往DCS的信號。。繼電器供電可直接由手自動兩PLC并聯供電，并將手自動PLC輸出的兩個保位電磁閥動作信號以并聯的方式控制保位電磁閥，當失去供電及手自動PLC模塊都輸出0時，繼電器失電，保位電磁閥關閉。并在AGM就地控制柜與DCS機柜間新增一條電纜將保位電磁閥動作反饋至KIC。為了能使主控在故障解決后復位保位閥的狀態，還需要新增復位保位閥狀態的RESET按鈕，使操縱員能在主控復位故障。

（2）軟件改造部分。軟件改造主要包括SLC500/S7-200的程序修改及DCS內新增模塊，增加保位電磁閥動作和RESET復位按鈕的邏輯（見圖二）。控制保位電磁閥的繼電器由PLC供電，當PLC失電時，保位電磁閥失電關。當程序判定出現PLC故障或輸出指令斷線時，保位電磁閥失電關。對于VEHS里勺管位反斷線或故障的判定，我們可以增加一個對VEHS送PLC的信號判定，當PLC接收到的電流小于3mA時，判斷VEHS的位反信號斷線或故障；同理對于勺管位反輸出的信號也做一個判斷，PLC接收到小于3mA的信號時，則認為勺管位反斷線或故障。只要有任一故障信號存在，保位電磁閥失電關閉。當在DCS或就地控制柜上點擊RESET按鈕后，程序對當前條件進行判斷，若故障消除后，復位故障并使得電磁閥得電。在DCS內新增一個CIN塊作為保位閥開關的反饋，新增一個COUT塊，作為RESET按鈕的輸出。

圖2 觸發保位電磁閥動作及復位邏輯

（3）保位閥改造的風險控制及應用效果。主給水泵轉速控制系統增加保位閥改造的風險主要來源于兩方面，一方面是改造中新增設備故障引入的額外風險，另一方面是保位閥動作后解保位時的風險。

本次改造主要分為軟件改造和硬件改造，在軟件改造中新增保位繼電器動作的相關邏輯，需要對軟件邏輯進行驗證，主要包括故障報警功能驗證、PLC控制功能測試、保位信號觸發后保位模式功能驗證及動作時間測試等。在硬件改造中新增了一些繼電器等設備，需要對硬件安裝、設備端接的完整性、設備供電電源進行檢查，然后對控制柜上電進行電源冗余測試及通道測試。

根據信號傳輸過程可知，勺管位反斷線故障信號經過PLC判斷后，由PLC輸出保位閥動作指令這條回路最長。根據同行電廠調研可知，當發生勺管位反斷線故障時到保位閥關閉保壓這段時間內，勺管下插3%左右。機組在運行時，勺管下插3%主給水泵轉速將下降200rpm左右，主給水流量波動大概在50t/h～100t/h左右，基本不影響蒸發器液位控制。

保位閥動作后，解保位是機組安全運行的另一個重點。由于保位閥動作時，主給水泵轉速切為手動控制，轉速設定值跟隨當前轉速，若故障能在短時間內消除，可在故障消除后按RESET按鈕復位，并將主給水泵的轉速控制模式切為自動控制。若故障原因無法及時定位并處理，運行可啟動備用泵進行切泵。福清核電的主給水泵增加了暖泵管線，可以保證備用泵實時處于熱備用狀態，在保位閥動作后，操縱員可及時手動啟動備用泵，進行切泵操作。相對于毫無準備的跳泵后備用泵自啟動，操縱員手動切泵對主給水流量的波動是可預期的，可通過編寫預案將蒸發器液位波動降至最低。

3.2 主給水泵轉速控制系統相關設備管理上的優化與改進

3.2.1對于SPV設備日常巡檢上的優化與改進

根據主給水泵轉速控制系統設備狀態及運行情況，可針對性地對勺管及VEHS裝置進行“跑冒滴漏”方面的檢查，特別需要關注其是否漏油，是否有異音等。對于PLC就地控制柜，可定期在控制柜的操作面板上查看設備運行狀態，例如指令與反饋是否一致，是否有異常報警等[1]。

3.2.2對于SPV設備備件管理方面的優化與改進

針對SPV設備備件管理問題，應該設立專門的SPV設備備件包，將其與普通設備區分開來。對于這類重要設備的備件，在已有信息的基礎上，再對其做一次全面梳理，補充完善所有不完整的信息，確保每個SPV設備備件信息齊全，大大提升后期的采購效率。同時在備件管理系統上開發一個SPV設備備件包管理模塊，對錄入的信息進行分類管理。將SPV設備備件包中的備件進行分類，可分為必換件和選換件。必換件顧名思義就是在維修中必須更換的備件，針對必換件可進行定額管理，根據更換周期設置一個定期觸發的采購項目定期采購；對于可能在糾正性維修中需要更換的備件成為選換件，可根據裝機量、故障率等數據進行定額管理，設置最小庫存，當備件被領走后庫存數量降低到一定值，提醒維修工程師及設備管理工程師去查看分析是否需要補充備件。

3.2.3對于就地控制柜重要卡件性能管理的優化與改進

近年來，福清核電一二號機組BUP盤臺上多個無紙記錄儀出現黑屏故障，平均一兩周就有一個無紙記錄儀損壞。我們將換下來的無紙記錄儀寄回廠家返修檢測，發現故障都是由于無紙記錄儀內部的電子元器件老化失效導致。從福清核電三號機組隔離分配卡件性能下降導致勺管下插到最小位置的事件可看出，每一個電子設備都存在其固有的壽命，用的時間長了，可能由于老化導致其性能下降，此時這就像一個“定時炸彈”，當滿足某一條件將這個“定時炸彈”觸發后，可能產生重大影響。

根據上述例子，我們可以得出一個結論：當電子元器件使用到一定時間后，控制性能由于老化將大不如前。針對此問題，我們需要對重要卡件的工作時間對其控制性能的影響進行分析。針對主給水泵轉速控制系統的就地控制柜，我們分析識別出以下幾個重要卡件：

31U3勺管位置反饋信號隔離卡件

32N4轉速設定值輸入輸出模塊

手動PLC控制模塊

自動PLC控制模塊

以上這些卡件失效將直接影響轉速PLC控制的可靠性，對此我們需要分析識別出這些重要卡件的有效壽命。可查找技術文件中是否有工作條件、工作時間對產品性能可能產生的影響的相關資料，或者是搭建一個最小測試平臺，對卡件進行測試分析，根據測試結論來給出卡件的合理工作時間，判斷其是否需要定期更換。

3.2.4主給水泵轉速控制系統預防性維修項目分析與改進

以福清核電一號機組為例，目前主給水泵轉速控制系統相關的預防性維修項目有17項，其中與轉速控制直接相關的檢查有5項，分別為就地控制柜及接線箱端子檢查清理和給水泵勺管VEHS校驗。

在就地控制柜和接線箱端子檢查的規程中，規定了檢查每一個端子的方法：按照“看、緊、拉”三步驟進行檢查，并明確規定了每個類型端子的緊固力矩。但是規程中只要求對就地控制柜和就地接線箱的接線進行檢查，對于VEHS上的重要設備并未作出要求，例如勺管位反的端子箱就不在規程的檢查范圍內。

在勺管校驗的規程中，要求在就地接線箱中模擬勺管的指令，并測量VEHS和勺管位置反饋信號是否準確。以上工作包含了轉速控制系統的接線檢查及VEHS、勺管位反的設備可靠性檢查，但是對于PLC回路中的重要卡件并未進行檢查測試。根據上述分析，我們需要增加定期對卡件進行檢測的預防性維修項目，提前識別卡件性能是否滿足運行要求，對不滿足運行要求的卡件及時進行維修或更換[2]。在增加預防性維修項目的同時，還需要優化這些項目的執行周期、執行窗口及執行順序。

4 結語

主給水泵轉速控制系統的控制性能，直接影響著蒸汽發生器液位控制的穩定性，文章通過分析福清核電勺管異常下插到最小位置的事件，總結出可能導致勺管誤動的幾個原因：

（1）PLC控制電源掉電；

（2）手自動PLC全故障；

（3）PLC輸出指令斷線；

（4）VEHS反饋信號斷線；

（5）勺管位置傳感器信號失效；

文章針對這幾個原因，對主給水泵轉速控制系統單點失效進行詳細分析，從提升轉速控制系統硬件可靠性角度上，提出在VEHS上增加保位閥的變更。同時根據目前對主給水泵轉速控制系統的管理模式及預防性維修項目上進行分析，提出了一些適合福清核電的主給水泵轉速控制系統優化改進建議。