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摘要：核電站循環(huán)水過(guò)濾系統(tǒng)作為核電站冷源系統(tǒng)的前端系統(tǒng)，其控制系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性對(duì)后端用水系統(tǒng)及機(jī)組安全運(yùn)行有著十分重要的影響。本文通過(guò)分析某核電站循環(huán)水過(guò)濾系統(tǒng)鼓網(wǎng)中、低速電機(jī)同時(shí)運(yùn)行的異常工況影響核電機(jī)組正常運(yùn)行的問(wèn)題，研究并分析中低速電機(jī)異常運(yùn)行的原因，針對(duì)性地提出系統(tǒng)優(yōu)化策略。該策略有效解決了鼓網(wǎng)電機(jī)運(yùn)行異常的問(wèn)題，提升了機(jī)組可靠性，為后續(xù)機(jī)組類似問(wèn)題的解決提 供技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：CFI；中低速電機(jī)同時(shí)運(yùn)行；控制邏輯優(yōu)化

Abstract: As the front-end system of nuclear power plant cold source  system, the reliability and stability of its control system have a very  important impact on the back-end water system and the safe operation  of the unit. This paper analyzes the abnormal operation of drum screen  motor in circulating water filtration system of a nuclear power plant,  which affects the normal operation of nuclear power unit, studies  and analyzes the causes of abnormal operation of medium and low  speed motors, and puts forward the system optimization strategy. This  strategy can effectively solve the problem of drum motor abnormal  operation, improve the unit reliability, and provide technical reference  for solving similar problems of subsequent units.

Key words: CFI; Medium and low speed motor running at the same time;  Control logic optimization Analysis on Control Logic Optimization of Drum Screen Motor in Circulating Water Filtration  System of Nuclear Power Plant

1　引言

沿海核電站的機(jī)組降溫主要采用過(guò)濾后的海水作為冷源水進(jìn)行降溫冷卻，為保證海水進(jìn)入核電機(jī)組后運(yùn)行過(guò)程中的安全可靠，防止海洋生物對(duì)機(jī)組供水管道、電機(jī)等供水系統(tǒng)的安全運(yùn)行產(chǎn)生影響，需要采用一套安全可靠的海水過(guò)濾系統(tǒng)，核電站循環(huán)水過(guò)濾系統(tǒng)（CFI）就是該套海水過(guò)濾系統(tǒng)的重要一環(huán)。通過(guò)該系統(tǒng)的運(yùn)行可以過(guò)濾機(jī)組所使用的全部海水，防止海洋生物入侵，有效保證機(jī)組冷源水后續(xù)過(guò)程的安全使用。

CFI系統(tǒng)由一系列變頻設(shè)備，粗、細(xì)過(guò)濾設(shè)備等組成，其中的細(xì)過(guò)濾設(shè)備（一次濾網(wǎng)）為鼓形濾網(wǎng)，由中低速電機(jī)控制其旋轉(zhuǎn)速度，是控制方案中的重點(diǎn)。該控制方案是否完善決定著能否為機(jī)組正常運(yùn)行提供穩(wěn)定可靠的冷源水系統(tǒng)。CPR1000系列核電站鼓網(wǎng)中低速電機(jī)控制邏輯在長(zhǎng)期運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)存在中低速電機(jī)同時(shí)運(yùn)行的可能，需要優(yōu)化邏輯，消除這種風(fēng)險(xiǎn)，提高系統(tǒng)可靠性，更好地為核電站安全運(yùn)行保駕護(hù)航。

2　CFI系統(tǒng)原控制邏輯

CFI系統(tǒng)分為A、B兩列，如圖1所示，每列鼓網(wǎng)安裝有兩臺(tái)低速電機(jī)，一臺(tái)中高速電機(jī)（由變頻器供電，中速供電頻率25Hz，高速供電頻率50Hz），每臺(tái)電機(jī)與減速箱相連，驅(qū)動(dòng)鼓網(wǎng)旋轉(zhuǎn)。

圖1 循環(huán)水過(guò)濾系統(tǒng)流程圖

CPR1000核電機(jī)組中，CFI系統(tǒng)屬于安全相關(guān)系統(tǒng)，其控制邏輯基于安全級(jí)DCS平臺(tái)實(shí)現(xiàn)。

CFI系統(tǒng)每列鼓網(wǎng)均設(shè)有三組壓差液位傳感器，每組傳感器設(shè)有H1/H2/H3/H4四個(gè)定值 （H1<H2<H3<H4）。DCS控制系統(tǒng)根據(jù)壓差液位傳感器定值的不同，控制對(duì)應(yīng)的中低速電機(jī)運(yùn)行：

（1）正常期間，三組鼓網(wǎng)壓差值均小于H1定值（H1定值0.1mWc）

低速電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)鼓網(wǎng)；

（2）當(dāng)三組鼓網(wǎng)壓差中任一組壓差值≥H1定值且＜H2定值時(shí)（H2定值0.2mWc）

停運(yùn)低速電機(jī)，啟動(dòng)中速電機(jī)模式（變頻器供電頻率25Hz），鼓網(wǎng)切換到中速運(yùn)行狀態(tài)；

（3）當(dāng)三組鼓網(wǎng)壓差中任兩組壓差值≥H2定值時(shí)

觸發(fā)高速電機(jī)模式，同時(shí)停運(yùn)中速電機(jī)模式（變頻器供電頻率由25Hz切換到50Hz），鼓網(wǎng)切換到高速運(yùn)行狀態(tài)；

（4）當(dāng)三組鼓網(wǎng)壓差中任兩組壓差值≥H3定值時(shí)（H3定值0.3mWc）

觸發(fā)H3報(bào)警，無(wú)連鎖動(dòng)作，提醒操作員關(guān)注機(jī)組狀態(tài)；

（5）當(dāng)三組鼓網(wǎng)壓差中任兩組壓差值≥H4定值時(shí)（H4定值0.8mWc）

觸發(fā)循環(huán)水系統(tǒng)CRF跳泵指令。

正常情況下，當(dāng)鼓網(wǎng)水位差出現(xiàn)變化，觸發(fā)水位差H1信號(hào)時(shí)，低速電機(jī)停運(yùn)，中速電機(jī)啟動(dòng)。中速電機(jī)的運(yùn)行反饋信號(hào)將閉鎖低速電機(jī)啟動(dòng)指令。即低速電機(jī)與中速電機(jī)不能同時(shí)運(yùn)行。但在長(zhǎng)期運(yùn)行中，發(fā)現(xiàn)中低速電機(jī)控制邏輯存在同時(shí)運(yùn)行的可能，需要進(jìn)行邏輯優(yōu)化。以A列鼓網(wǎng)為例，低速電機(jī)控制邏輯簡(jiǎn)圖如圖2所示。

圖2 低速電機(jī)控制邏輯原理圖

3　CFI中低速電機(jī)同時(shí)運(yùn)行問(wèn)題分析

3.1　現(xiàn)象概述

2018年10月某電站5號(hào)機(jī)組出現(xiàn)CFI系統(tǒng)B列中、低速電機(jī)同時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，20s后觸發(fā)安全級(jí)DCS系統(tǒng)電機(jī)堵轉(zhuǎn)保護(hù)動(dòng)作，中速電機(jī)停止運(yùn)行。隨后鼓網(wǎng)水位差逐漸升高，在壓差升高大于H1值時(shí)，低速電機(jī)自動(dòng)停運(yùn)，并閉鎖手動(dòng)啟動(dòng)低速電機(jī)指令，中高速電機(jī)因堵轉(zhuǎn)保護(hù)無(wú)法啟動(dòng)，最終導(dǎo)致CFI鼓網(wǎng)低速、中高速電機(jī)全部停運(yùn)，隨后CFI B列壓差達(dá)到H4定值，觸發(fā)循環(huán)水系統(tǒng)相應(yīng)水泵跳閘保護(hù)，影響冷源可靠性，機(jī)組被迫開(kāi)始降功率，最終導(dǎo)致影響機(jī)組正常運(yùn)行問(wèn)題。

3.2　問(wèn)題定位

根據(jù)CFI鼓網(wǎng)中低速電機(jī)控制邏輯，當(dāng)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)鼓網(wǎng)水位差發(fā)生變化，頻繁波動(dòng)，觸發(fā)水位差H1信號(hào)，滿足5s延時(shí)后，自動(dòng)停運(yùn)低速電機(jī)，同時(shí)啟動(dòng)中速電機(jī)。

鼓網(wǎng)差壓波動(dòng)隨后突然降至H1回差值，鼓網(wǎng)壓差 H1信號(hào)被復(fù)位。

此時(shí)中速電機(jī)啟動(dòng)反饋尚未傳至DCS，低速電機(jī)啟動(dòng)條件再次滿足被觸發(fā)，低速電機(jī)再次投運(yùn)，同時(shí)中速電機(jī)也已啟動(dòng)。現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)中、低速電機(jī)同時(shí)運(yùn)行狀態(tài)。

20s后觸發(fā)電機(jī)堵轉(zhuǎn)保護(hù)動(dòng)作，中高速停止運(yùn)行，安全級(jí)DCS系統(tǒng)無(wú)法自動(dòng)復(fù)位該故障，在手動(dòng)復(fù)位前中高速電機(jī)無(wú)法啟動(dòng)。

隨后，鼓網(wǎng)水位差逐漸升高，在壓差升高再次大于H1值時(shí)，低速電機(jī)自動(dòng)停運(yùn)，并閉鎖手動(dòng)啟動(dòng)低速電機(jī)指令，此時(shí)，中高速電機(jī)因堵轉(zhuǎn)保護(hù)無(wú)法啟動(dòng)。

最終，導(dǎo)致CFI鼓網(wǎng)低速、中高速電機(jī)全部停運(yùn)，CFI B列壓差達(dá)到H4定值，觸發(fā)B列循環(huán)水泵跳閘保護(hù)，機(jī)組被迫開(kāi)始降功率。

通過(guò)事件追溯分析，鼓網(wǎng)中速電機(jī)啟動(dòng)后，低速電機(jī)連鎖控制條件失效，隨后啟動(dòng)，出現(xiàn)中低速電機(jī)同時(shí)運(yùn)行的現(xiàn)象，是后續(xù)事件發(fā)生的原因所在。

3.3　原因分析

低速電機(jī)啟動(dòng)條件中連鎖了中高速電機(jī)運(yùn)行反饋信號(hào)，但現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行中，低速電機(jī)連鎖控制條件失效，出現(xiàn)上述現(xiàn)象是由以下兩個(gè)因素疊加導(dǎo)致：

（１）現(xiàn)有中高速電機(jī)由變頻器控制，其運(yùn)行反饋通過(guò)頻率建立。電機(jī)啟動(dòng)曲線為5Hz/s的線性加速度，中速電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)最大允許工作頻率為25Hz，變頻器由0Hz達(dá)到最大允許工作頻率25Hz需2.5s。在變頻器由0Hz達(dá)到指定工作頻率期間，中速電機(jī)運(yùn)行反饋信號(hào)存在滯后現(xiàn)象。中高速電機(jī)啟動(dòng)后，變頻器反饋信號(hào)的延遲時(shí)間，即低速電機(jī)啟動(dòng)連鎖指令失效的時(shí)間。

（2）現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況復(fù)雜，鼓網(wǎng)壓差測(cè)量值處于波動(dòng)狀態(tài)，且波動(dòng)范圍相對(duì)較大。經(jīng)核實(shí)，現(xiàn)有鼓網(wǎng)壓差H1定值為0.1mWc，復(fù)位值為0.095mWc，回差區(qū)間僅為0.005mWc。當(dāng)CFI鼓網(wǎng)差壓信號(hào)超過(guò)H1回差區(qū)間，將復(fù)位H1信號(hào)。現(xiàn)場(chǎng)CFI鼓網(wǎng)壓差H1信號(hào)持續(xù)時(shí)間剛好5.2s左右，除去H1信號(hào)的5s延時(shí)時(shí)間，實(shí)際作用時(shí)間為0.2s，少于中高速電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)反饋至DCS的時(shí)間。

綜上，當(dāng)鼓網(wǎng)水位差出現(xiàn)波動(dòng)，觸發(fā)水位差H1信號(hào)又消失的特殊工況下，H1信號(hào)時(shí)間過(guò)短，中速電機(jī)啟動(dòng)指令發(fā)出，但運(yùn)行反饋尚未傳至DCS，期間低速電機(jī)啟動(dòng)指令未被閉鎖，而鼓網(wǎng)水位差H1信號(hào)已復(fù)位， 造成控制系統(tǒng)邏輯連鎖條件失效，同時(shí)滿足低速電機(jī)啟動(dòng)邏輯，低速電機(jī)將再次投運(yùn)，此時(shí)將會(huì)造成低速電機(jī)、中速電機(jī)同時(shí)運(yùn)行，最終影響機(jī)組運(yùn)行，后續(xù)邏輯要據(jù)此優(yōu)化。

4　CFI系統(tǒng)控制邏輯優(yōu)化

綜合分析CPR1000各核電站CFI系統(tǒng)的運(yùn)行工況，發(fā)現(xiàn)當(dāng)前安全級(jí)DCS平臺(tái)中各基地CFI鼓網(wǎng)電機(jī)設(shè)備在控制邏輯和參數(shù)配置中均存在同樣的問(wèn)題。

考慮到控制邏輯的嚴(yán)謹(jǐn)性，結(jié)合整個(gè)CFI系統(tǒng)工藝過(guò)程，重新分析梳理邏輯結(jié)構(gòu)、設(shè)備運(yùn)行參數(shù)、DCS平臺(tái)控制系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間等內(nèi)容，做出以下控制邏輯優(yōu)化方案。

（1）在低速電機(jī)啟動(dòng)邏輯中進(jìn)行延時(shí)優(yōu)化，即修改A/B列低速電機(jī)切換控制邏輯，在低速電機(jī)啟動(dòng)信號(hào)前，自動(dòng)模式與H1/H2信號(hào)連鎖條件后增加后延時(shí)邏輯，以此規(guī)避低速電機(jī)啟動(dòng)連鎖指令失效的時(shí)間。

延時(shí)時(shí)間設(shè)定為3s，設(shè)定時(shí)間原因分析如下：

查閱中速電機(jī)變頻器資料，發(fā)現(xiàn)啟動(dòng)曲線為5Hz/ s的線性加速度。中速電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)最大允許工作頻率為25Hz，變頻器由0Hz達(dá)到最大允許工作頻率25Hz需2.5s。2.5s可包括中速電機(jī)正常運(yùn)行任一設(shè)定頻率的反饋時(shí)間，疊加DCS控制平臺(tái)掃描周期最大值400ms（DCS控制平臺(tái)單次掃描周期為200ms，在此考慮到信號(hào)反饋周期最大值，按照2個(gè)平臺(tái)掃描周期計(jì)算），時(shí)間小于3s，因此，3s延時(shí)已經(jīng)能夠充分涵蓋中速電機(jī)運(yùn)行反饋信號(hào)的建立所需時(shí)間，選用3s是恰當(dāng)?shù)摹Ｔ陧?xiàng)目實(shí)施后的長(zhǎng)期運(yùn)行中也證明時(shí)間參數(shù)是合適的。

（2）配合DCS平臺(tái)的參數(shù)調(diào)整，同時(shí)需要調(diào)整鼓網(wǎng)壓差現(xiàn)場(chǎng)儀表測(cè)H1信號(hào)的回差值，以免回差值過(guò)小影響H1信號(hào)頻繁報(bào)警。將回差值由原設(shè)計(jì)值0.095mWc，調(diào)整后至0.07mWc，即水位差達(dá)到0.07mWc時(shí)復(fù)位水位差H1信號(hào)。在水位波動(dòng)時(shí)，降低鼓網(wǎng)水位差H1信號(hào)觸發(fā)后又立即復(fù)位的概率。

優(yōu)化后的控制邏輯中，水位差H1信號(hào)觸發(fā)后至少維持3s時(shí)間再送出復(fù)位信號(hào)，保證中高速電機(jī)運(yùn)行反饋信號(hào)先于水位差H1復(fù)位信號(hào)參與邏輯控制，確保中高速電機(jī)啟動(dòng)反饋信號(hào)能夠閉鎖低速電機(jī)啟動(dòng)指令，優(yōu)化前后的中、低速電機(jī)啟動(dòng)時(shí)序如圖3所示。

圖3 中、低速電機(jī)啟動(dòng)時(shí)序圖

此方案可實(shí)現(xiàn)中高速電機(jī)運(yùn)行時(shí)閉鎖低速電機(jī)啟動(dòng)指令，以消除因水位波動(dòng)而導(dǎo)致中低速電機(jī)同時(shí)啟動(dòng) 的風(fēng)險(xiǎn)。

5　結(jié)論

目前，該優(yōu)化方案已陸續(xù)在CPR1000其它14臺(tái)機(jī)組中實(shí)施，現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)長(zhǎng)期運(yùn)行反饋良好。

通過(guò)對(duì)循環(huán)水過(guò)濾系統(tǒng)鼓網(wǎng)中低速電機(jī)同時(shí)運(yùn)行的異常工況進(jìn)行分析，深入查找問(wèn)題原因，并針對(duì)性地提出了設(shè)備邏輯優(yōu)化及可靠性提升的優(yōu)化策略。經(jīng)過(guò)對(duì)此次優(yōu)化方案的研究，系統(tǒng)優(yōu)化內(nèi)容能有效避免因參數(shù)設(shè)置、設(shè)備連鎖時(shí)序問(wèn)題導(dǎo)致系統(tǒng)異常的情況，提升設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性。為后續(xù)同類問(wèn)題的處理明確了方向，提升了設(shè)備可靠性，更好地保障了機(jī)組的正常運(yùn)行。

作者簡(jiǎn)介：

趙紅霞（1982-），女，河南人，工程師，學(xué)士，現(xiàn)就職于北京廣利核系統(tǒng)工程有限公司，主要從事在役核電站安全級(jí)DCS改造工作。

參考文獻(xiàn)：

[1] 廣東核電培訓(xùn)中心. 900 MW壓水堆核電站系統(tǒng)與設(shè)備[M]. 北京: 原子能出版社, 2005

摘自《自動(dòng)化博覽》2021年6月刊