CPR1000核电厂RRA系统等幅震荡问题分析

项洪一　李永洪　李锵　刘鹏　吴启烈

摘 要：针对中国改进型压水堆某核电站（CPR1000）4号机组，RRA（余热排出系统）系统在装料后的首次启动中，RRA013VP阀门上气缸进气铜管断裂，控制系统产生等幅震荡等问题。该文从系统设计、工艺流程、DCS组态、阀门定位器等方面进行分析，结合历史数据，找到问题的根源并处理。故障处理后，经过大量的扰动试验进行再验证。验证结果表明，故障已经彻底消除，控制系统能够稳定运行。

关键词：余热排出系统 阀门 故障 等幅震荡 扰动

中图分类号：TM623 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）06（c）-0123-04

余热排出系统（Residual Heat Removal RRA），作为核电站的重要系统，其主要功能是在正常停堆以及事故紧急停堆时，用于去除堆芯衰变热及一回路显热（统称为余热）[1]。作为余热排出系统的流量调节阀，RRA013VP调节性能的好坏直接影响余热的排出，影响到核电站的安全停堆问题。

文章针对某CPR1000核电站4号机组RRA系统在装料后的首次启动过程中，RRA013VP阀门产生了上气缸进气铜管断裂故障，EP线性度下降输出量程不够、定位器输入压力小表漏气、定位器零点漂移、控制系统产生等幅震荡，即RRA013VP和RRA006MD（余热排出流量）等幅震荡等问题，从系统设计、工艺流程、DCS组态、阀门本体等方面进行分析，结合历史数据，找到问题的根源并处理。故障处理后经过RRA系统流量设定值扰动（910～1300 m3/h）、泵切换试、阀门开5%、关10%扰动等进行再验证，验证控制系统的稳定。

1 RRA系统的主要功能介绍

RRA系统的主要功能是在电厂停堆期间，经蒸汽发生器初步冷却降压后，从堆芯和反应堆冷却剂系统（RCP）排出热量。将反应堆冷却剂的温度从180 ℃降到60 ℃。在达到冷停堆工况时，RRA系统能将反应堆冷却剂温度维持在冷停堆工况，并可以满足换料和维修操作所需要的时间[2]。

在反应堆启动和停堆期间，一回路温度压力从60 ℃/0.1 MPa·a加热到180 ℃/2.8 MPa·a和从180 ℃/2.8 MPa·a冷却到60 ℃/0.1 MPa·a过程中，RRA系统投入运行，控制升温和降温速率小于28 ℃/h[3]。热交换器出口温度由阀门RRA024/025手动控制，阀门RRA013VP保证系统流量稳定在设定值。其与一回路链接的系统图（见图1）。

2 阀门等幅震荡问题描述

某核电厂RRA系统在首次装料后的投运期间，由于一回路系统内含气量高，导致RRA系统管线震动大，从而使RRA013VP阀门定位器至上气缸连接的铜管断裂。为处理铜管断裂问题，现场通过手轮将阀位卡死，在线对断裂铜管进行更换。更换断裂铜管后，在小范围开度下对阀门进行操作性检查，确认阀门动作无异常后将阀门恢复自动调节。此时流量与阀门出现等幅振荡，持续约半小时等幅震荡仍未消除。将RRA013VP切手动控制，手动将RRA006MD流量调节稳定后，再投自动控制，流量与阀门的等幅震荡消失，阀门调节正常。

3 问题分析

为了找出产生等幅震荡的原因，各个专业分别从控制逻辑的设计、DCS组态实现和RRA013VP阀门响应时间、RRA泵出力情况、阀门在低流量下调节性能不佳、系统压力较低时阀门变化对流量影响较大等方面进行分析。

3.1 控制逻辑设计检查

RRA013VP采用纯积分控制，积分时间是7.5 s。设计的控制逻辑图（见图2）。RRA006MD作为测量值送到PID控制器RRA401RG中，RRA401RG的设定值是固定的1 800 m3/h或者KIC上RRA407KU的手动输入值。PID计算出的阀位指令送到RRA013VP进行控制。

检查结论：控制逻辑设计正确。

3.2 DCS控制组态检查

在进行DCS组态检查前，先进行PID算法的理论分析，根据理论分析结果，验证DCS控制系统内的组态是否满足设计要求。

理想的PID调节器的动态方程：。

对应传递函数：。

RRA设计为纯积分控制，其动态方程：。

安全级使用的是三菱DCS控制系统、MELENS控制软件，其CPU的扫描周期是100 ms，按照设定值和测量值的偏差为2 000 m3/h（量程的100%）进行计算，积分时间是7.5 s，即7.5 s的时间阀门开度由0%开到100%。每个扫描周期的输出：===。

根据DCS控制系统内的组态（见图3），计算求和模块的两路系数，根据每个扫描周期输出相等列式：。DCS的组态中的参数设置为1/3000（0.00033333）是正确的。S1051XR是流量设定值，设定为2000，S1050XA是RRA006MD流量信號，经过差值计算模块S1050G作差后，分两路信号乘以系数1/3000（0.00033333）后，送到求和模块YRRA401RG1进行求和，输出的信号是每个扫描周期根据偏差的计算值，经过高、低选模块（YRRA401RG8、YRRA401RG10）进行限幅后，送到加法模块YRRA401RG11进行计算，加法模块YRRA401RG11起的作用相当于增量式PID控制，即在前一个扫描周期CPU计算的输出基础上，加上该扫描周期CPU的计算输出，作为当前的阀位指令输出。

检查结论：DCS控制组态正确，正确实现设计功能。

3.3 阀门响应时间分析

图4中，RRA013VPC是阀门开度指令信号，RRA006MD是流量测量值。根据数据趋势分析，当阀门开度指令由t1时刻的73%关到t2时刻的65%时，流量信号由t1时刻的960 m3/h变化到t2时刻的970 m3/h，流量信号从t2时刻开始下降，经过90 s的时间才降到最低点910 m3/h。t2-t1=92 s即从阀门开度指令开始关小开始，到流量开始下降的时间为92 s！而92 s基本上是半个震荡周期的时间，响应时间异常导致系统出现等幅震荡。RRA013VP是核级阀门，安装在核岛内，只有指令信号没有反馈信号，所以图4中的阀门开度信号只是阀门的开度指令，而非真实的阀门开度。流量变送器RRA006MD根据其他机组的数据分析，流量对于阀门开度指令的响应时间最长为10 s，而这里居然是92 s，所以由此推断出是阀门响应时间过长导致等幅震荡。endprint

分析结论：阀门响应时间过长导致等幅震荡。需要就地检查阀门响应慢的原因，并重新进行阀门整定。

3.4 阀门故障分析

到就地检查时，发现RRA系统管线异常振动大，综合一回路系统状态进行分析，找出RRA系统管线振动大的原因是由于一回路内含气量高导致。系统管线振动大导致RRA013VP阀门定位器至上气缸连接的铜管断裂。当一回路排气后，RRA系统管线异常振动消失。

更换新铜管后，将RRA013VP切自動控制，流量和阀门出现等幅振荡（分析见4.3节）。通过FlowScanner校验仪对阀门进行校验发现EP（电信号-压力信号转换器）故障，并且定位器输入压力小表漏气。

分析结论：一回路含气量大导致RRA系统管线振动，从而使定位器至上气缸铜管断裂、EP故障、定位器输入压力小表漏气。

此外还对RRA泵出力情况、阀门在低流量下调节性能不佳、系统压力较低时阀门变化对流量影响较大等因素进行分析，但都逐一排除。

4 阀门故障处理及再验证

4.1 阀门故障处理

在更换定位器至上气缸的断裂铜管后，将阀门切到手动控制，手动给71%的固定开度，现场对阀门阀位进行观察，持续观察约10 min，就地阀位未动作，因此可确定阀门气缸不存在漏气情况。

校验前绘制FlowScanner曲线，根据曲线结果对比热试前曲线情况看出，EP线性不好，输出量程不够，为0.2～0.88 bar，低于0.2～1 bar要求（见图5）。并且定位器上下气缸压力建立不起来，最大气压1.35 bar，阀门在全开、全关位置时气缸达不到最大压力4.0 bar。根据绘制出的阀门特性曲线看出，阀门死区增大，在近8.0 mA电流信号时，阀门才会动作（见图6）。热试前阀门正常时的死区为5.4 mA。对EP进行调整后，绘制FlowScanner曲线，分析出EP量程已经满足要求，但EP线性仍旧存在问题，在4～6 mA区间电流信号存在，但定位器无输入压力，判断EP需要更换。

更换EP备件后，绘制FlowScanner曲线，根据EP特性曲线以及阀门上下气缸气压特性变化情况看出，电流信号在7～9.5 mA区间，定位器输入压力增长变缓慢，阀门上下气缸气压较之前有所改善，最大压力已达2.25 bar，但仍无法达到最大供气压力4.0 bar。经过进一步检查发现，定位器输入压力小表存在漏气情况，将漏气处理完毕后，调整EP、定位器零点量程合格，绘制曲线看出阀门特性以及EP、定位器性能良好，阀门故障消除（见图7、图8）。

4.2 阀门故障处理后再验证

RRA013VP阀门故障处理完后，分别进行流量设定值扰动（910～1 300 m3/h）、泵切换试验、阀门开5%、关10%扰动等试验进行再验证，阀门正常响应，系统控制稳定，未再次出现震荡。试验期间再验证曲线（见图9）。流量设定值扰动试验过程中，流量设定值由910 m3/h增加到1 300 m3/h，阀门的开度由41%开到64%，响应及时控制稳定。在流量达到1 300 m3/h平台稳定后，进行了RRA001PO（余热排出系统1号泵）和RRA002PO（余热排出系统2号泵）的切泵试验，试验过程是先启动RRA002PO，使RRA001PO/RRA002PO双泵运行，再停运RRA001PO保持RRA002PO运行，在切泵过程中流量最高值1 572 m3/h，阀门开度最小值48%，控制系统稳定。待RRA002PO运行稳定后，在流量为910 m3/h和950 m3/h两个平台分别进行，阀门手动开5%，关10%扰动试验，控制系统很快进入稳定状态。

此次再验证，包含了RRA系统在实际运行过程中的最差工况，在最差工况扰动下RRA系统控制稳定，其他稳态工况，RRA系统也运行稳定。

5 结语

由于一回路系统内含气量高，RRA系统管线震动大，从而导致RRA013VP阀门定位器至上气缸连接的铜管断裂、EP线性度下降输出量程不够、定位器输入压力小表漏气、定位器零点漂移等问题，是造成RRA013VP产生等幅震荡的根本原因。在更换EP、处理好定位器输入小表漏气，并重新整定定位器后，故障消除，RRA系统恢复正常控制。

参考文献

[1] 贾宝山，俞冀阳，彭敏俊.核动力装置设计与优化原理[M].哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2010：46-47.

[2] 苏林森，杨辉玉，王复生，等.900 MW压水堆核电站系统与设备[M].北京：原子能出版社，2006：138-145.

[3] 余热排出系统设计说明[Z].深圳：中广核工程有限公司，2007.endprint