電源切換試驗時應急空壓機無法正常啟動的改造優化

管增福，張少凱

（中廣核工程有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引 言

某核電機組采用ACPR1000技術路線，其核島應急壓縮空氣生產系統（簡稱SAP系統）采用SH150A/C型無油螺桿式空氣壓縮機，設備質保等級為Q3，SH150A/C型空壓機的特點是由電機驅動，屬雙級干螺桿型，是自成一體的無油空氣壓縮機[1]。其空壓機電機主回路由380 V AC供電，控制回路供電由變壓器將主電源380 V AC轉換成110 V AC電源為電路中的接觸器及繼電器等部分供電，同時空壓機INTELLISYS控制器需12 V DC供電，是由主電源變壓后提供[2]。SAP系統的功能是在全廠主空壓機系統無法維持儀用壓縮空氣正常工作壓力時，緊急投入運行，為單臺機組提供壓力穩定的儀用壓縮空氣。每臺核電機組配置兩臺100%容量的空氣壓縮機及相應的過濾器、干燥器、再生塔和儲存罐等設備。

當全廠主空壓機系統供氣壓力下降至設定值，不能滿足下游用戶需求時，核應急空壓機系統將自動啟動，啟動順序：先啟動一臺應急空壓機，如果SAP系統壓力仍無法滿足設計和使用需要時，再啟動第二臺應急空壓機。兩臺空壓機的運行方式為一備一用，通過儲氣罐壓力實現自動控制[3]。

1 電源切換試驗簡介

1.1 BAS試驗簡介

BAS試驗全稱為柴油發電機重新加載試驗，目的是驗證應急配電盤電源從電網切換到柴油發電機的動作順序是否正確，同時檢驗負荷程序帶卸載是否正確[4]。核電機組應急配電盤分為A和B兩列，在電源切換試驗期間，應急配電盤要在設計規定的失壓時間內完成電源切換。在失壓切換到柴油發電機后，柴油發電機要在設計規定的空載運行時間范圍內進行負荷程序帶載，以滿足其連續運行的要求，并防止長時間空載運行損壞柴油機。柴油機帶載負荷眾多，SAP空壓機就是其中的重要負荷之一。

1.2 試驗過程簡介

在執行柴油發電機重新加載試驗時，分別在手動和自動模式下對電源切換開關進行操作，將電源由正常供電切至柴油機發電機供電后，柴油發電機執行負荷程序帶卸載，在前20 s內應急空壓機斷路器處于分閘狀態，20 s后應急空壓機接收到DCS側發出的啟動指令，并在25 s內完成啟動。在實際試驗過程中，當DCS啟動指令正常發送到空壓機后，空壓機出現未啟動情況，其控制面板顯示如圖1所示的自檢狀態，而不是如圖2所示的準備啟動狀態。控制器的狀態錯誤直接導致BAS試驗的不成功，加載失敗制約關鍵路徑外，對應急狀態下核島儀用壓縮空氣供應有很大的影響，甚至威脅機組運行安全。

圖1 空壓機自檢畫面

圖2 空壓機準備啟動畫面

2 故障原因分析及改造方案

2.1 原因分析

核應急空壓機控制器共有5種模式，各模式下空壓機狀態如下文所述。

（1）準備啟動模式：空壓機無報警，接收到啟動指令時馬上啟動。

（2）加載運行模式：空壓機電機在運行，且空壓機處于加載狀態，可正常供氣。

（3）卸載運行模式：空壓機電機在運行，空壓機處于卸載狀態，不能正常供氣。

（4）正在停機模式：空壓機已接收到停機指令，正在走停機程序。

（5）慣性運行模式：空壓機停機中，電機正在惰走，此時無法接收啟動指令。

在電源切換試驗中，出現空壓機無法正常啟動的情況后，應先對現場設備進行了全面檢查，并依據設計設備文件逐項對空壓機系統接線、參數設置及控制邏輯展開排查。建立模擬試驗模型，在空壓機處于運行狀態情況下，瞬間斷開上游電源后在1 s左右時間內再次快速合閘，使空壓機經歷得電-失電-得電的過程，20 s后DCS發出啟動指令。發現此時空壓機控制器處在自檢狀態，無法接收DCS指令。通過計時測量得到控制器自檢需要67 s，在此時段空壓機無法接收任何信號。在空壓機停機惰轉時，測得惰轉時間為20 s左右，在此時段空壓機同樣無法接收任何信號。綜合分析得出空壓機無法啟動的原因主要有以下兩方面。

一方面，當空壓機主回路380V DC電源斷開后，空壓機執行停機慣性運行，在20 s后完全停止惰轉；主回路再重新上電后，控制器進入自檢，在67 s后具備啟動條件。以上兩時間段空壓機控制器均無法接收DCS發送的指令，即在67 s內空壓機都無法啟動。

另一方面，當控制器自檢完成具備啟動條件后，其收到上升沿啟動指令，空壓機即可正常啟動。但在BAS試驗電源切換20 s后DCS發出空壓機啟動指令，而空壓機正在執行67 s自檢，此時無法接收上升沿指令，指令將以電平1狀態保持，即使控制器自檢完成，空壓機依然無法啟動。各時間點空壓機狀態和BAS試驗要求對比關系參見圖3。

圖3 各時間點空壓機狀態和BAS試驗要求對比

2.2 改造方案及實施

（1）現場通過多種方式進行模擬試驗，最終確定最有效的方法是保證電源切換試驗期間空壓機控制器不失電，避免67 s自檢過程。具體改造方案如下文所述。

從不間斷電源引一路電纜給空壓機控制器供電，BAS試驗期間不間斷電源是不失電的，進而保障空壓機控制器不失電。就地空壓機控制柜SAP201/202AR電源由不間斷電源提供，因此可通過控制柜引出該路改造電源。此改造既不影響空壓機和SAP系統的運行邏輯和參數，又符合機組對核應急空壓機的要求。改造后的部分電氣原理如圖4所示。

圖4 空壓機改造后電氣原理圖

（2）通過分析SAP控制邏輯圖，結合模擬試驗過程數據，在DCS側增加延時可以保證控制器能在規定時間內接收到DCS指令。改造方案如下文所述。

BAS試驗柴油機帶載對空壓機重新啟動時間要求是（t0+20） s，20 s后允許SAP啟動、且在（t0+25） s內啟動完成。經過試驗驗證，采用在DCS側空壓機停機反饋信號上增加21.45 s后延時的方式。在空壓機失電停運21.45 s后將停運反饋信號送至DCS，DCS接收到停運信號后發出啟動指令，此時空壓機已惰轉完成，控制器能接收啟動指令，具備帶載啟動條件。改造前后的部分邏輯如圖5所示。

圖5 改造前后空壓機部分邏輯圖

3 改進方案總結

經上述改造，執行柴油發電機重新加載試驗，空壓機實現正常啟動，驗證合格。解決空壓機在BAS試驗時未啟動問題主要從兩方面著手：（1）避免空壓機控制器失電；（2）延長空壓機停運至接收啟動指令的時間間隔。

兩方面的改進對空壓機本體和SAP系統均不產生影響，改造均為實體改進，在保證了試驗關鍵路徑的同時也提高了核應急空壓機對機組安全運行的保障。

改造后，各類供電工況下，空壓機啟停邏輯簡表如表1所示。

表1 空壓機啟停邏輯簡表

4 結 論

電源切換試驗是核電機組的重要性能試驗，在驗證電源切換可靠性的同時也驗證應急情況下下游負荷的帶載功能是否正常。在眾多CPR和ACPR核電機組中，核應急空壓機生產系統（SAP）采用同類空壓機系統和同型號設備。該問題的解決方案對同類機型有重要參考意義，給解決類似問題提供了一種行之有效的參考方案。該問題的源頭是在控制器內部程序，但受制于控制器為國外供貨，內部程序改造工期和成本的影響及改造效果均存在不確定性，因此該方案可作為首選。