給水泵不可用引發機組甩負荷控制策略優化

何生文

（臺山核電合營有限公司，廣東 臺山 529200）

某核電廠設計單機容量為1750MW，其給水系統包括4臺完全相同的可調速泵組，每臺泵組包含前置泵、電機、耦合器和壓力級泵，電機和前置泵轉速固定在1500rpm，壓力級泵轉速可調節范圍是3500rpm～5472rpm，每臺泵組能夠提供35%Pn負荷所需供水，4臺泵組共同完成蒸汽發生器二次側給水供應的基本系統功能。

該系統在4%Pn以下功率水平，作為啟動給水泵的備用。在4%Pn到滿功率100%Pn之間，一臺、兩臺或3臺給水泵運行，始終存在至少一臺給水泵作為備用。系統流程簡圖如圖1[1]。

圖1 某核電廠給水系統布置圖Fig.1 BFP System flow chart of a nuclear power plant

1 甩負荷控制功能

1.1 甩負荷介紹

當一臺給水泵故障跳閘，同時備用泵啟動失敗時，機組總給水流量將無法維持蒸汽發生器的水位。為了避免蒸汽發生器因為水位低導致反應堆自動停堆，需要自動快速降低汽機負荷，以實現機組功率和實際供水能力相匹配。

當有給水泵自動啟動信號但是沒有給水泵可用時，機組將會產生一個帶記憶的負荷速降信號。當汽機功率降低于35%Pn或者汽機功率小于30%Pn后，復位負荷速降信號。其邏輯簡圖如圖2[2，3]。

圖2 給水泵引起的負荷速降邏輯簡圖Fig.2 Load shedding control logic by BFP

1.2 調試啟機過程給水泵相關試驗

為確保現場給水系統能夠完成蒸汽發生器二次側給水供應的基本系統功能，在機組正式商運前的調試啟機過程中，會執行一系列試驗確保給水系統在各種瞬態工況下滿足設計需求。主要執行的試驗見表1。

表1 機組啟機過程中執行的瞬態試驗Table 1 Transient test during plant starting

經過上述瞬態試驗的驗證，基本能夠確保機組在各個功率平臺。如果在運泵出現跳閘，若有備用泵可用，則能正常切換至備用泵運行以確保機組功率穩定；若無備用泵可用，機組能通過甩負荷控制邏輯自動甩負荷至預期功率平臺穩定運行。

2 甩負荷控制相關設計缺陷

2.1 設計缺陷背景

2.1.1 特殊運行工況

在機組正常滿功率運行時，3臺給水泵處于自動運行狀態，另一臺泵處于自動熱備狀態。機組實際運行中不可避免地會出現4臺泵同時運行的工況。若初始1/2/3號給水泵自動運行，4號給水泵熱備。如需要將1號給水泵切至4號給水泵運行，操縱員需按照以下方式執行：

1）將4號泵置手動狀態，手動啟動后設置其在最低轉速3500rpm運行。由于4臺泵共用供水母管，每臺泵出口均配置有逆止閥，4號泵此時由于出口壓力不夠，未往蒸汽發生器供水。

2）緩慢增加4號泵轉速，1/2/3號泵轉速將會自動下降。

3）當4號泵轉速和1/2/3號泵轉速一致時，將4號泵轉速調節置自動，將1號泵轉速調節置手動。

4）緩慢降低1號泵轉速置最低運行轉速3500rpm，在此期間2/3/4號泵轉速將緩慢上升。

5）手動停運1號泵。

6）將1號泵置自動模式，使其處于熱備狀態。

2.1.2 存在問題分析

經過對滿功率平臺給水泵的切換過程和甩負荷控制相關邏輯分析，確認存在以下設計缺陷：

1） 機組滿功率運行期間執行切泵操作時，存在4臺給水泵同時運行的情況。若此時失去一臺給水泵，根據控制邏輯將自動觸發甩負荷信號，機組甩負荷至65%Pn平臺。但是實際機組滿功率時，剩余3臺給水泵仍能夠滿足機組供水需求，此時觸發機組甩負荷邏輯不合理。

2） 4臺給水泵同時運行期間，停其中一臺泵前手動降轉速過程中，若出現其他在運泵意外跳閘，此時轉速調節置手動模式的泵不能自動切換到自動模式，升高轉速開始供水。如果操縱員干預不及時，將導致二回路供水不足，嚴重情況下可能導致蒸汽發生器液位低觸發反應堆停堆。

3） 給水泵不可用導致的機組甩負荷信號觸發后，啟備用泵的指令由于被RS觸發器記憶，始終存在。在機組狀態恢復過程中，備用泵隨時有可能啟動。給水泵的意外啟動會導致蒸汽發生器的水位波動或威脅給水泵附近人員安全。當前臨時措施是在每次甩負荷試驗或者真實甩負荷發生后，通過將某臺泵置試驗位自動啟動一次來復位啟備用泵指令，再將可用泵置自動熱備狀態。現場曾發生由于機組甩負荷瞬態后，未執行上述臨時措施導致給水泵誤啟動事件，進而導致蒸汽發生器液位出現擾動。

2.2 邏輯改進方向

根據發現的設計缺陷，初步擬定以下邏輯改進方向，見表2。

表2 邏輯改進分析Table 2 Analysis of logic improvement

3 給水泵不可用引發機組甩負荷控制策略優化

3.1 初始設計中給水泵相關甩負荷邏輯

如圖3所示，任一在運泵保護信號觸發，會導致該泵跳閘，同時發出啟備用泵信號。若備用泵能夠自動聯啟，則機組狀態能夠維持穩定運行；若無備用泵可用，將觸發機組甩負荷信號，目標負荷為當前負荷減35%Pn與30%Pn之間取大值。

圖3 原給水泵甩負荷控制邏輯簡圖Fig.3 The initial load shedding control logic of BFP

3.2 控制策略優化后給水泵相關甩負荷邏輯

根據前文表2中邏輯改進方向的分析，對相關控制邏輯進行自主優化，制定以下邏輯優化方案，如圖4。

圖4 控制策略優化后給水泵甩負荷相關邏輯Fig.4 The load shedding control logic after optimization

針對圖4中所做三方面改進，詳細解釋如下：

表3 現場功能再鑒定Table 3 Functional reappraisal on site

1） 改進一：通過將泵運行數量納入考慮，當有4臺泵運行時，邏輯中第①個與門始終輸出1，取反后將導致第②個與門的第一路信號始終為0，可以實現即使出現1臺給水泵跳閘，無備用泵可用情況時，機組甩負荷指令仍然不會發出，機組可維持當前功率水平運行。當泵運行數量小于等于3臺時，邏輯中第①個與門始終輸出0，取反后將導致第②個與門的第一路信號始終為1，當出現有啟備用泵指令但無備用泵可用時，機組甩負荷指令能夠正常發出，機組能夠根據給水泵實際供水能力甩負荷至預期負荷。

2） 改進二：通過在出現有啟備用泵指令但無備用泵可用情況下，立即發出一脈沖指令將4臺給水泵轉速控制均置于自動控制模式，可實現所有可用泵迅速接受汽水壓差自動調節，提升轉速進行供水。此處邏輯優化主要應用于滿功率平臺操縱員執行切泵操作過程中，4臺給水泵已正常運行供水，此時需手動停運1臺給水泵，若操縱員手動降轉速過程中，另一在運泵突然發生跳閘情況，根據改進一優化后，此時機組不會甩負荷，為維持二回路供水，需要操作員將正在降轉速待停運泵的轉速調節盡快置自動控制模式，使其恢復供水能力。若該過程操作較慢可能導致蒸汽發生器供水不足觸發反應堆跳堆。通過改進二優化后，控制系統在這種情況下可以實現自動將正在降轉速待停運泵的轉速調節立即切換至自動控制，避免了由于操縱員干預不及時帶來二回路供水不足進而導致跳堆的風險。

3） 改進三：通過在出現有啟備用泵指令但無備用泵可用情況下，發出一脈沖指令將啟備用泵信號復位，可避免現場發生甩負荷瞬態后機組恢復過程中存在的備用泵誤啟動風險。

3.3 給水泵甩負荷邏輯優化后再鑒定

完成給水泵甩負荷控制邏輯優化方案的制定后，需在模擬機和現場執行一系列試驗以確定改造后的控制邏輯能夠達到預期效果。

3.3.1 模擬機驗證

將控制邏輯在模擬機進行修改后，執行了以下再鑒定試驗。

1） 試驗前提：機組滿功率平臺，4臺給水泵自動運行，模擬1臺給水泵振動高保護跳閘。

試驗結果：機組甩負荷信號未觸發，機組功率穩定，符合預期。

2） 試驗前提：機組滿功率平臺，4臺給水泵自動運行，1臺給水泵轉速在手動控制模式下的某一轉速（小于正在供水泵的轉速），保護跳1臺正在供水的給水泵。

試驗結果：機組甩負荷信號未觸發，轉速調節處于手動模式的給水泵自動置自動控制模式迅速升轉速供水，機組功率穩定，符合預期。

3） 試驗前提：機組滿功率平臺，3臺給水泵自動運行，另一臺處于自動備用模式，模擬振動高跳1臺給水泵。

試驗結果：在運泵跳閘后，備用泵自動聯啟，泵可正常切換，機組甩負荷信號不觸發，機組功率穩定，符合預期。

4） 試驗前提：機組滿功率平臺，3臺給水泵自動運行，無可用備用給水泵，模擬振動高跳一臺給水泵。

試驗結果：機組甩負荷信號先觸發，后核島側部分停堆信號正常觸發，機組甩負荷至65%Pn平臺穩定運行，符合預期。

5） 試驗前提：機組滿功率平臺，4臺給水泵自動運行，模擬振動高同時或者先后跳兩臺給水泵。

試驗結果：同時或者先后跳兩臺給水泵，機組甩負荷信號先觸發，后核島側部分停堆信號正常觸發，機組甩負荷至65%Pn平臺穩定運行，符合預期。

3.3.2 真實機組實施改造后現場驗證

由于真實機組上不同控制器間信號傳輸存在延時，此次邏輯改造中采用了部分短脈沖信號，真實機組上的響應情況可能和模擬機驗證結果存在區別。現場邏輯完成改造后，需再次執行驗證。由于機組在調試啟機階段已完成各類瞬態試驗，現場無窗口進行真實甩負荷驗證，通過將給水泵在試驗位啟動運行和DCS工程師站啟動態檢查邏輯的方式，判斷機組甩負荷信號是否觸發，以驗證現場邏輯動作是否符合預期。

參考模擬機驗證場景，在現場實施了以下試驗，見表3。

通過模擬機和真實機組現場驗證，試驗結果均符合預期，確認邏輯改造能夠實現預期的功能。

4 總結

在此次給水泵甩負荷控制邏輯優化過程中，作者面對設計方始終推諉的態度，迎難而上，完全自主設計給水泵甩負荷控制邏輯優化方案，并在模擬機經過多個場景驗證，模擬各種瞬態工況，確認邏輯響應正確后在現場完成改造，并根據機組能夠滿足的現有試驗窗口，制定并實施了功能再鑒定方案，鑒定結果均符合預期。

該控制邏輯優化的成功實施，消除了機組發生甩負荷瞬態后給水泵誤啟動風險，降低了機組在特殊工況運行期間由于給水泵跳閘直接引發跳堆的風險，同時也避免了機組在滿功率平臺執行給水泵切換過程中不必要的甩35%Pn（612MW）負荷風險，該風險不僅會給電廠效益產生負面影響，也會間接影響電網穩定性。