核電站汽機調節(jié)閥故障關閉原因研究及改進措施

張鵬

摘 要：大亞灣核電站和嶺澳核電站（一期）的汽機調節(jié)閥控制部分使用的是英國ALSTEC公司的MICROGOVER系列產品，從電站投產到目前仍在繼續(xù)使用。在使用過程中多次出現(xiàn)調節(jié)閥門故障關閉，對電站的安全生產造成了極大的風險，甚至在停機解列過程中發(fā)生了同一低壓缸的兩個調節(jié)閥同時故障關閉導致汽機自動跳機的事件。在多年處理故障的過程中，同時對導致閥門關閉的各類原因進行了研究并制定了相應的改進措施。希望文章能對其他使用類似汽機調節(jié)系統(tǒng)的電廠或相關企業(yè)有所幫助。

關鍵詞：汽機調節(jié)閥；故障關閉；改進措施

中圖分類號：TM623 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）21-0081-04

1 概 述

大亞灣及嶺澳核電站的1000MW級核電機組均采用了英國ALSTEC公司的汽輪機控制技術，Microgovernor就是英國ALSTEC公司的汽輪機控制系統(tǒng)。它是一種基于處理器技術的可編程數(shù)字控制系統(tǒng)，為上、下位兩級控制結構，其控制功能通過上、下位控制設備得以實現(xiàn)。對于上位級控制設備，采用VME總線處理器，其設備為模塊化結構設計，用于實現(xiàn)對汽輪機組復雜的監(jiān)控功能，比如自動負荷控制、核島協(xié)調控制、啟機升速、應力控制等等。下位級則接受上位級的控制命令，并根據(jù)各汽機調節(jié)閥的閥門特性曲線，將控制命令轉成0～200 mA的電流信號送至汽機調節(jié)閥油動機的電液轉換器來驅動調節(jié)閥的開關。

同時，油動機先導閥的閥位信號通過LVDT返回至下位級，以實現(xiàn)閥門的閉環(huán)控制。每個汽機調節(jié)閥對應一個下位級的閥門模塊板件，單個閥門模塊板件故障將導致單個閥門跳閘關閉，不影響其他閥門的控制，但會對機組造成瞬態(tài)，比如汽機功率的突然降低，造成電網頻率波動和汽機的振動及給水等方面的波動等等。如果滿足一定的組合條件，比如高壓缸所有調節(jié)閥門全部故障關閉還會導致機組的跳閘。因此，任何一個汽機調節(jié)閥在日常機組運行期間都要保證其安全穩(wěn)定，不能出現(xiàn)故障關閉的情況。

但在電站的運行過程中還是出現(xiàn)了不少閥門異常故障關閉的情況，由于導致出現(xiàn)問題的原因較多，比如與閥門機械結構、閥門檢修過程、閥門?？獭㈦娎|連接器件的選型、系統(tǒng)的安裝等諸多因素有關，所以對這類故障專題進行了長期的跟蹤與研究，最終得到了解決，也獲得了很多的類似故障排查的經驗。

2 汽機調節(jié)閥控制原理

2.1 信號連接

大亞灣核電站和嶺澳核電站（一期）汽機調節(jié)閥控制采用了電液調節(jié)，由各個閥門模塊根據(jù)上位級的控制命令轉換成0～200 mA的電流信號，送至閥門先導閥電液轉換器轉換成油壓信號驅動閥門開關，并由安裝在閥門定位器上的LVDT來反饋先導閥門的開度，以實現(xiàn)閥門開度的反饋閉環(huán)調節(jié)。汽機調節(jié)系統(tǒng)的上位級和下位級閥門模塊均安裝的電氣廠房，閥門模塊與各閥門的信號連接包括驅動電流（ZM）信號和LVDT位置反饋信號，LVDT回路包括初級線圈PRI、次級線圈1（SEC1）和次級線圈2（SEC2）。在機柜側通過電纜將各信號引至現(xiàn)場各閥門的端子接線箱，通過端子箱轉接至鎧裝電纜，鎧裝電纜另一側通過航空插頭連接至閥門本體的航空插頭連接件。閥門本體內部再經過航空插頭電纜組件連接至閥門先導閥的驅動線圈及LVDT上。閥門處的連接情況，如圖1所示，高壓缸典型連接和低壓缸典型連接。

2.2 驅動電流的計算和輸出

在閥門模塊內部的計算中，在接受到閥門的開度要求命令并和現(xiàn)場閥門的LVDT反饋開度后，計算出偏差，并將偏差進行累積，該偏差稱為Accum position trim，該偏差加上閥門開度的命令信號后，系統(tǒng)進行查表得到閥門驅動電流命令信號（注：這個表是每次機組停運檢修后對閥門進行校驗后獲取的閥位和實際驅動電流的特性表格，每個閥門都要進行校驗并將表格存儲在上位級中，在閥門模塊安裝至下位級中，該表格將自動下載，以保證閥門模塊中的特性表給為最新校驗數(shù)據(jù)）。閥門模塊在輸出驅動電流至現(xiàn)場閥門的中間過程中還有一個接口單元，實際就是在輸出電流回路上串入一個標準電阻，將輸出的電流信號轉為標準電壓反饋至閥門模塊以監(jiān)視輸出電流。系統(tǒng)將驅動電流命令值與實測值進行比較，形成差值，并累積該差值（該偏差稱為Accum current trim），該差值被用于加載到驅動電流命令轉換后的占空比信號后形成最后的實際占空比，實際占空比要求計算公式為：

y=f+s×x/（V-x×L）

其中：

y=占空比；

f=current trim；

s=源內阻；

v=驅動電壓；

l=負載阻抗。

當計算出占空比后，利用脈寬調制技術轉換成0～200 mA直流電流信號送至汽機調節(jié)閥先導閥。

閥門模塊內部計算原理圖，如圖2所示。

3 A7/A8/A9類故障原因研究及處理措施

3.1 故障分析

A7/A8/A9故障在大亞灣核電站及嶺澳核電站（一期）投產后導致調節(jié)閥門關閉的主要原因，導致出現(xiàn)A7/A8/A9故障的原因比較復雜，且還可能與閥門機械結構、閥門本體檢修、閥門校驗等諸多因素有關。

以下是廠家對A7/A8/A9故障的解釋：

A7：EXCESS CURRENT TRIM ERROR（current trim值過大）。

即閥門驅動電流反饋與定值電流偏差累計大于25%時觸發(fā)A7故障。

A8：EXCESS POSITION TRIM ERROR（position trim值過大）。

即閥門閥位反饋與閥位要求值的偏差累計大于一個標準值則觸發(fā)A8故障，關閉閥門。

A9：LVDT ERROR（SUM OF TWO SECONDARY VOLTAGES OUT OF RANGE）（LVDT故障即LVDT的兩個次級線圈SEC1和SEC2的反饋電壓和超差）。

其中A7是其中A8/A9是與LVDT直接相關的故障代碼。

3.2 原因分析

針對以上的解釋，現(xiàn)場進行了ZM（驅動線圈）、LVDT回路的相關試驗來確定故障模式及發(fā)現(xiàn)故障的成因。

測試一：閥位為0%時：

①直接斷開驅動線圈回路，不出現(xiàn)任何故障。

②斷開LVDT 的AB（初級線圈）回路，出現(xiàn)A9故障。

③斷開LVDT 的SEC1（次級線圈1）回路，出現(xiàn)A9故障。

④斷開LVDT 的SEC2（次級線圈2）回路，出現(xiàn)A9故障。

測試二：閥位為15%開度：

①直接斷開驅動線圈回路，出現(xiàn)B1故障（OUTPUT DRIVE ERROR NO CURRENT SENSED-SERIES），這種極端現(xiàn)象沒有出現(xiàn)過。

②在驅動線圈回路上串聯(lián)49？電阻，出現(xiàn)A7故障，此時電流約為104 mA。

③在驅動線圈回路上的串聯(lián)電阻瞬間從零跳變至40 Ω，電流瞬間從104 mA降低至92 mA，隨后緩慢調整至原值，未引起A7故障。

④斷開LVDT的AB（初級線圈）：出現(xiàn)A9故障。

⑤斷開LVDT的SEC1（次級線圈1）：出現(xiàn)A9故障

⑥斷開LVDT的SEC2（次級線圈2）：開始沒有出現(xiàn)故障，但是大約過了20 s后，出現(xiàn)A8故障，20 s過程中發(fā)現(xiàn)驅動電流增大，且閥門還有小幅開啟。

⑦在LVDT的SEC2回路上串聯(lián)電阻達到8 000 Ω時，閥門模塊出現(xiàn)A8故障。

測試三：閥位在100%開度時：

①在驅動線圈回路上加電阻13 Ω，即出現(xiàn)A7故障，此時電流約為160 mA.

②在LVDT的AB初級線圈回路上串聯(lián)電阻達到257 Ω時，閥門模塊出現(xiàn)A9故障而關閉。

③在LVDT的SEC1上串聯(lián)電阻一直增大至斷開SEC1接線，沒有出現(xiàn)任何故障。

④在LVDT的SEC2上串聯(lián)電阻達到4 500 Ω時，出現(xiàn)A9故障。

從上述試驗可以看出，對于A9故障來講，就是指LVDT兩個次級線圈的電壓和超出范圍導致，此故障是瞬間觸發(fā)的，如只要初級線圈斷線就能立刻觸發(fā)這個故障。

導致的原因有：

①初級線圈提供的電壓本身不足或沒有，如線圈上線路電阻過大或斷線或短路都能導致。LVDT示意圖，如圖3所示。

②兩個次級線圈本身反饋的電壓不足或沒有，如線圈線路電阻過大或短線或短路都能導致。但在測試二中，閥位為15%時，斷開SEC2也沒有立即產生A9故障；在測試三中，將SEC1的線路電阻增大到約10 000 Ω都沒有問題，斷線也沒有產生A9故障。

從LVDT的示意圖可以看到當閥位在15%時，SEC2遠離中心鐵芯，也就是它感應的電壓無足輕重了，閥位的顯示主要由SEC1感應的電壓來承擔；同樣的當閥位在100%時，SEC1已經遠離中心鐵芯了，也就是它感應的電壓已經無足輕重了，閥位的顯示主要由SEC2感應的電壓來承擔。只是LVDT反饋回來的閥位并不能真正代表實際閥位，可能之后還可能觸發(fā)其他故障，如測試二的第6步的A8故障。根據(jù)LVDT的安裝要求，閥位在50%時，LVDT內部的鐵芯應該在兩個次級線圈的中間，但現(xiàn)場安裝可能會出現(xiàn)小幅的偏差，這些安裝偏上或安裝偏下并不影響先導閥位的測量，只要行程能夠滿足測量要求就行了，但可能會對于同一種故障原因呈現(xiàn)不同的故障結果，比如有時出現(xiàn)A8，有時出現(xiàn)A9。

相比之下，A8故障則不是瞬間觸發(fā)，而是有一個過程，類似于一種積分效應，實際閥位與指令閥位偏差越大，position trim積分到動作閾值的時間越短。在各測試中，先導閥位指令是不變的（pilot position demand），當在LVDT的次級線圈的回路上串聯(lián)電阻值增加時，LVDT反饋閥位也在變化，它與指令閥位之間的偏差一直在累加（帶正負號的累加）直到二者偏差為零，實際閥位卻因為驅動電流（占空比）的變化而變化。一旦這個累加和超過一個標準，則觸發(fā)A8。

在測試二中可以看到這樣一個現(xiàn)象：當閥位為15%時，斷開SEC2，20 s后才出A8，在這個過程中，閥門模塊一直接收一個不正確的閥位信號，這個閥位信號小于真實閥位，所以閥門模塊一直加大驅動電流以使閥門達到指令閥位，最終由于accu. position trim超限而出現(xiàn)A8。

再看測試三，當閥位為100%時，將SEC2的電阻加到4.5K就出現(xiàn)A9，而不出現(xiàn)A8，在測試過程中驅動電流一直在增加，accu. position trim也在增加，但是還沒有到達限值時，就已經因為兩個次級線圈感應電壓之和小于限值而立刻出現(xiàn)A9。

將以上的分析簡單描述為兩點：

①A8故障是積分效應，觸發(fā)慢；A9是瞬時效應，觸發(fā)快。

②不同的閥位情況下，SEC1和SEC2的權重不同，斷線或線路電阻過大情況下，有可能產生A8，有可能產生A9。

A7故障主要與驅動線圈有關，驅動電流回路示意圖，如圖4所示。

從閥門模塊的控制簡圖上看current trim與position trim的計算有些相似，指令電流與實測電流的偏差進行累加，形成一個累加和（Accu. current trim），一旦這個累加和超限，則觸發(fā)A7，從設計上看current trim的主要目的是能夠及時探測現(xiàn)場回路的阻抗變化，包括接觸或溫度變化導致驅動線圈阻值變化引起的輸出電流的變化，快速維持輸出電流至要求值。

在三個測試中可以看到，在不同的閥位條件下，出現(xiàn)A7時的串聯(lián)電阻值是不一樣的，高閥位（100%）時，只需要13Ω就出現(xiàn)了A7；而在低閥位（50%）時，需要49Ω才產生A7。在測試過程中，我們一直監(jiān)視驅動電流的情況。我們發(fā)現(xiàn)，在突然改變串聯(lián)電阻值時，比如增大串聯(lián)電阻，驅動電流突然下降，但很快又恢復到原來的水平，且有很小的超調。但是串聯(lián)電阻一旦達到一個值（電阻是1Ω往上累加），立刻就出現(xiàn)了A7。

以上分析總結為：

①閥門在高開度時，驅動線圈對接觸電阻比較敏感。在正常運行中，比如滿功率下，高缸的主閥閥位為和低壓缸調節(jié)閥均處于滿開度，更容易由于接觸電阻而出現(xiàn)A7故障。相對來講，高缸調節(jié)閥由于開度僅為50%～60%而不太容易由于接觸電阻的增大出現(xiàn)A7。

②接觸電阻增大時（不超出限值），閥門模塊能夠自動調節(jié)保持驅動電流，而一旦接觸電阻超出一個值，立刻出現(xiàn)A7。

③使用不正確的閥門?？瘫砀窕蛘攥F(xiàn)場閥門本體包括先導閥、定位器等本體設備更換后不重新進行閥門校刻也可能會造成A7故障，特別是當閥門開始啟動和閥門到達全開時，更容易出現(xiàn)A7。

3.3 改進措施

針對上述試驗得到的結論，重點懷疑從機柜到現(xiàn)場閥門的先導閥的驅動線圈和LVDT中可能在某些地方存在一些“接觸不良”，超出系統(tǒng)對回路阻抗變化的忍受極限后導致閥門故障關閉，在不同的閥門開度情況下，同一故障原因可能呈現(xiàn)出的是不同的故障代碼。

3.3.1 針對接觸問題采取的改進措施

針對接觸問題現(xiàn)場進行了大量的檢查并采取了相關的改進措施：

①檢查了所有的航空插頭，發(fā)現(xiàn)大部分的插頭內部油跡比較明顯，如圖5所示。

汽機調節(jié)系統(tǒng)的動力油使用的抗燃油，粘度高，現(xiàn)場環(huán)境溫度高，最高的地方達到50 ℃左右，這些油可能在檢修過程中帶入或者由于閥門油動驅動機構的油霧滲入至航空插頭內部，常年累月后在插針或插孔表面形成了一層“油泥”，直接導致了航空插頭的接觸問題。

在更換閥門模塊并重新送電后，“油泥”可能又被擊穿，恢復了接觸，這種接觸不良是比較難以發(fā)現(xiàn)的。

②航空插頭的母插型號使用錯誤。電站的航空插頭使用的ITT-CANNON公司的CA系列航空插頭，母插針為鍍銀且內部接觸彈片為一體壓制，而現(xiàn)場使用的不是ITT-CANNON公司的配套母插，其材質為不銹鋼，母插針內部接觸彈片為環(huán)狀且彈片形變后無法恢復，很容易導致接觸不良，且該彈片還很容易隨公針一同被拔出。

③就地端子接線箱安裝在閥門附近，振動比較高，很可能造成接線端子的接觸不良。

④部分閥門電纜的絕緣性能有所下降，可能導致外部的干擾串入，影響驅動電流信號和LVDT的反饋信號。

⑤閥門電纜從航空插頭引到電纜橋架的過程中，懸空放置，產生較大應力，可能造成航空插頭內部接線斷裂。

3.3.2 針對檢查發(fā)現(xiàn)的問題采取的處理措施

針對以上檢查發(fā)現(xiàn)的問題，采取了以下的處理措施：

①對電纜插頭進行清潔，并對整個回路的電阻和絕緣情況進行檢查；

②在就地端子箱內將兩側電纜接線采用對接鼻子對接，形成一種“軟性”連接，提高端子接觸的抗震性；

③重新采購正確的母插針，并重新壓接；

④更換有異常的閥門電纜，并保證電纜橋架的蓋板密封；

⑤重新鋪設電纜橋架，確保消除電纜懸掛應力。

4 其他類的故障關閉問題

4.1 閥門機械部分問題

除了控制回路接觸導致阻抗變化外，現(xiàn)場機械部分也是導致閥門關閉的又一項主要原因。核電站機組平時一般帶基本負荷，其高壓缸的主閥和低壓缸調節(jié)閥一直處于全開狀態(tài)。

因此閥門定位器中的先導閥閥芯一直處于某一個固定位置。只有在汽機負荷下降到一定水平時，這些閥門才開始要求關小開度。在減小開度的過程中，雖然電流驅動信號在減小，但由于先導閥有卡澀，其LVDT反饋的信號一直維持原值，其結果就會導致position trim值的不斷累積，直至出現(xiàn)A8故障關閉。

嶺澳核電站（一期）某次大修停機過程中就出現(xiàn)了2個低壓缸閥門在開始要求關小開度不久同時出現(xiàn)了A8故障關閉，造成汽機跳機事件的發(fā)生。

隨后電站開展了定期的帶負荷汽機調節(jié)閥開關試驗，確保相關閥門的活動部件定期得到活動和潤滑，消除卡澀產生，避免了閥門故障關閉。

4.2 閥門?？虇栴}

在圖2中，閥門模塊是根據(jù)閥門校刻表格得到閥門的驅動電流的。閥門的校刻的過程為：

①發(fā)出固定斜率的電流驅動信號。

②通過閥門實際閥位得到閥門的實際反饋位置，并記錄此時的LVDT的開度。

③得到一張驅動電流-閥門實際閥位-LVDT位置的表格。

可以看到，在這個?？踢^程中，閥門實際閥位是作為LVDT位置的參考，如果閥門實際閥位通道出現(xiàn)故障或者不準確，將會導致校刻數(shù)據(jù)失真。同時，如果現(xiàn)場的機械部分有更換，也必須重新進行?？痰玫较鄬男？虜?shù)據(jù)。

4.3 閥門模塊本身失效

閥門模塊為27 V直流供電，通過板載DC/DC將其轉換為 +5 V和±15 V電壓作為CPU回路和閥門驅動回路工作電源。機柜設計沒有強制通風，導致機柜內部溫度偏高，DC/DC的表面溫度接近工作上限，導致多起板件DC/DC燒毀事件。

經過對機柜增加通風格柵，另一方面將廠房通風口移至機柜附近，降低機柜附近溫度，并增強了機柜內部的空氣的自然流通，大大降低了DC/DC燒毀的發(fā)生。

5 結 語

根據(jù)多年對汽輪機調節(jié)閥故障關閉進行了跟蹤和研究，并采取了相應的措施，目前汽輪機調節(jié)閥已進入到穩(wěn)定工作狀態(tài)，故障關閉的概率大大下降。但新問題還是在不斷出現(xiàn)，比如設備的老化問題問題正逐步顯現(xiàn)出來。因此需要不斷的對設備和系統(tǒng)進行研究并采取措施，確保汽機調節(jié)閥的健康穩(wěn)定運行。

參考文獻：

[1] 陳濟東.大亞灣核電站系統(tǒng)及運行[M].北京：原子能初版社，1994.