勺管保位控制系統(tǒng)在核電廠電動給水泵系統(tǒng)上的應(yīng)用

連建國，張世偉，孫明遠

（中廣核核電運營有限公司，廣東 深圳 518000）

1 引言

國內(nèi)部分核電站二回路主給水泵系統(tǒng)采用三臺電動主給水泵（APA）給蒸汽發(fā)生器供水的方式，其能快速響應(yīng)給水流量控制系統(tǒng)（ARE）的變速要求，以保證在反應(yīng)堆整個熱負荷范圍內(nèi)向蒸汽發(fā)生器提供不同的給水流量要求[1]。 部分電動泵給水系統(tǒng)（APA系統(tǒng)）采用了德國福伊特公司（Voith）的未帶勺管保衛(wèi)功能的液力耦合調(diào)速系統(tǒng)。該調(diào)速系統(tǒng)存在出現(xiàn)例如外部轉(zhuǎn)速設(shè)定值斷線、調(diào)速系統(tǒng)PLC控制器全部故障、PLC控制器失電、勺管位置傳感器反饋信號斷線或者故障、PLC輸出設(shè)定值指令斷線等故障模式時，其液力耦合調(diào)速系統(tǒng)中的勺管會自動下降到最小位置(0%位置)，造成給水泵轉(zhuǎn)速直接下降到勺管最小位置對應(yīng)的轉(zhuǎn)速，造成給水泵無法給蒸汽發(fā)生器正常供水；而且該情況下電動泵只是降速并未直接停運，因而無法及時自動聯(lián)鎖啟動APA備用泵，造成蒸發(fā)器供水不足，嚴重影響核電廠的安全運行。而增加勺管位置保位系統(tǒng)可以在出現(xiàn)上述故障模式時將勺管保持在當(dāng)前位置，維持給水泵當(dāng)前轉(zhuǎn)速給蒸汽發(fā)生器供水，這樣可以給主控室充足的響應(yīng)時間進行干預(yù)操作，有效增加電動給水泵調(diào)速可靠性。本文以國內(nèi)某核電廠一臺APA泵為例介紹增加勺管保位功能的具體實現(xiàn)。

2 VOITH液力偶合調(diào)速系統(tǒng)介紹

2.1 VOITH液力耦合器調(diào)速系統(tǒng)簡介

VOITH液力耦合器調(diào)速系統(tǒng)簡要構(gòu)成如圖1[2]所示，主要包括手動控制器（S7-200 PLC）、自動控制器(SLC500 PLC)、電液位置控制系統(tǒng)（VEHS）、勺管、液力耦合器、轉(zhuǎn)速探頭；

其中手動控制器(S7-200 PLC)用來實現(xiàn)液力耦合器勺管位置的手動控制，直接控制勺管位置。該控制器主要在泵的啟停階段使用。自動控制器（SLC500 PLC）用于實現(xiàn)APA泵轉(zhuǎn)速的閉環(huán)調(diào)節(jié)功能。在機組正常運行期間，由SLC500控制器對APA泵轉(zhuǎn)速進行控制，它將主給水流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)（ARE）生成的電動給水泵設(shè)定值信號與泵的實測轉(zhuǎn)速做偏差處理，經(jīng)PID運算后，輸出勺管設(shè)定值信號給VEHS。

電液耦合器位置控制器（VEHS）是調(diào)速系統(tǒng)的核心部件，使用24VDC供電，其構(gòu)成主要包括PID調(diào)節(jié)電路、電磁力控制器、勺管位置反饋器、4/3閥、雙腔室活塞。VEHS根據(jù)PLC輸出的勺管位置設(shè)定值信號，計算出與實際勺管位置傳感器反饋的勺管位置信號的偏差值，經(jīng)內(nèi)部PID調(diào)節(jié)和電磁力控制器，對4/3閥進行精確控制，通過控制雙向活塞腔室的進油和排油，從而實現(xiàn)對Voith調(diào)速耦合器的勺管（Scoop tube）位置進行精確和連續(xù)的控制。

圖1 VOITH液力耦合器調(diào)速系統(tǒng)構(gòu)成簡圖

2.2 電動給水泵組轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)簡介

在本文示例的核電站中，電動給水泵組由前置泵、電動機、液力耦合器、壓力級泵串聯(lián)組成。泵運行時由前置泵將除氧器的水抽出，并通過壓力級泵升壓后，經(jīng)高壓加熱器送至蒸汽發(fā)生器[3]。

實現(xiàn)APA泵轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，實際上是實現(xiàn)給水泵組中壓力級泵的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。電動機啟動后直接驅(qū)動前置泵，并通過變速齒輪軸驅(qū)動液力耦合器的初級軸。液力耦合器調(diào)速系統(tǒng)根據(jù)PLC輸出的勺管位置設(shè)定值，通過VEHS的電磁控制器對圖1中的4/3閥進行精確和快速的控制，來改變雙向活塞兩側(cè)腔室的進油及排油，進而控制勺管位置而改變液力耦合器內(nèi)渦輪內(nèi)部的充油量，改變液力耦合器次級渦輪所能獲取的驅(qū)動扭矩，從而實現(xiàn)壓力級泵可變轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。

3 增加勺管保位系統(tǒng)的優(yōu)點

對于未帶勺管保位功能的液力耦合器調(diào)速系統(tǒng)，當(dāng)出現(xiàn)VEHS的24V電源丟失、勺管位置傳感器（BALLUFF）信號斷線或者故障、勺管位置設(shè)定值信號斷線故障情況時會出現(xiàn)勺管自動下降到最小位置（0%位置）。而在國內(nèi)核電站運行過程中，確實出現(xiàn)過VEHS電源丟失導(dǎo)致勺管下降到0%位置，造成APA泵供水功能喪失的案例，也出現(xiàn)過勺管位置反饋器故障導(dǎo)致APA泵轉(zhuǎn)速大幅波動的情況。

根據(jù)VEHS特性及對實際案例的分析可知，勺管位置降到0%位置，造成對應(yīng)給水泵供水功能喪失，對機組穩(wěn)定運行影響較大。為了應(yīng)對上述意外工況，可以通過在圖1所示的勺管活塞兩側(cè)與3/4閥之間油路管線之間增加一個4/2保位電磁閥來實現(xiàn)，當(dāng)異常情況出現(xiàn)后，保位電磁閥失電保位，隔斷勺管活塞充/排油回路，實現(xiàn)勺管保持在當(dāng)前位置，對應(yīng)APA泵維持當(dāng)前轉(zhuǎn)速，以保證其供水能力，同時減少對蒸汽發(fā)生器水位的擾動。

4 勺管保位功能實現(xiàn)

在本文示例的核電廠中一臺電動給水泵進行了增加勺管保位功能改造，保位閥選型為HERION S16 VH 18 13 G005 210 5 O O，該型號保位閥已在多臺給水泵組使用，性能穩(wěn)定。在與VOITH廠家的溝通以及對調(diào)速可能出現(xiàn)的異常情況分析的基礎(chǔ)上，確定在出現(xiàn)DCS轉(zhuǎn)速設(shè)定值斷線且同時手動控制器故障、PLC控制器電源失去、手、自動PLC控制器全部故障、勺管位置傳感器斷線或故障、PLC輸出設(shè)定值指令(勺管位置設(shè)定值)斷線、VEHS反饋給PLC的勺管位置信號斷線六種故障模式下時實現(xiàn)勺管保位響應(yīng)。

當(dāng)出現(xiàn)了上述六種故障模式中的某種情況時，保位電磁閥失電切斷4/3閥與液壓缸之間的油路，讓活塞兩腔室的液壓油與外部供油管路隔斷，實現(xiàn)勺管安全保位功能。以下將介紹勺管保位改造增加保位閥和和PLC邏輯控制的具體實現(xiàn)：

圖2 勺管保位閥控制回路示意圖

4.1 保位閥硬件控制回路實現(xiàn)

在增加勺管保位電磁閥的控制回路參考圖2所示，保位閥正常帶電時不保位，失電時保位。手、自動PLC控制器通過控制K558中間繼電器狀態(tài)實現(xiàn)保位閥的得、失電狀態(tài)，進而實現(xiàn)勺管保位功能；同時通過K559繼電器的一對接點送DCS報警，當(dāng)保位閥處于保位狀態(tài)時觸發(fā)DCS報警及時提醒主控操作員進行干預(yù)。

4.2 保位功能的PLC控制邏輯實現(xiàn)

對于上節(jié)描述的六種需要增加勺管保位功能的六種故障模式中，只有勺管位置傳感器斷線、PLC輸出設(shè)定值指令(勺管位置設(shè)定值)斷線、VEHS反饋給PLC的勺管位置信號斷線這幾種情況需要相應(yīng)的增加PLC邏輯判斷，而其他故障模式只需要增加了保位閥控制回路即可實現(xiàn)。本文以其中的勺管位置傳感器斷線為例介紹控制邏輯的實現(xiàn)。

在本示例中，勺管位置傳感器通過隔離模塊將勺管位置傳感器信號分別送至手動控制器（S7-200）和自動控制器（SLC500）進行處理。當(dāng)對應(yīng)電動泵處于轉(zhuǎn)速自動控制模式時，如果出現(xiàn)勺管位置反饋器電流信號（對應(yīng)SLC500 PLC程序中的I：6.0）小于3mA時，轉(zhuǎn)速控制自動切換到手動控制，同時設(shè)置控制保位繼電器的輸出點O：5.0/7輸出為0。

而對于手動控制程序中，同樣采集到勺管位置反饋器電流信號（對應(yīng)S7-200 PLC程序中的AIW2）小于3mA，則設(shè)置控制保位繼電器的輸出點O/0.4輸出為0。

對于PLC輸出設(shè)定值指令(勺管位置設(shè)定值)斷線、VEHS反饋給PLC的勺管位置信號斷線兩種故障模式，其對應(yīng)的保位控制邏輯的實現(xiàn)和勺管位置傳感器斷線控制邏輯基本類似，在此不再敘述。

5 結(jié)語

對于VOITH液力耦合調(diào)速系統(tǒng)，在特定故障情況下勺管直接下插到最小位置（0%位置），會直接造成該態(tài)電動給水泵供水能力喪失，而導(dǎo)致蒸發(fā)器水位波動，嚴重情況下可能引起機組甩負荷、停機、反應(yīng)堆停堆的情況發(fā)生，而勺管保位系統(tǒng)可以有效地避免這類情況發(fā)生，因此增加勺管保位功能對提高核電站電動給水泵可靠運行有積極的作用。