勺管保位控制系统在核电厂电动给水泵系统上的应用

连建国，张世伟，孙明远

（中广核核电运营有限公司，广东 深圳 518000）

1 引言

国内部分核电站二回路主给水泵系统采用三台电动主给水泵（APA）给蒸汽发生器供水的方式，其能快速响应给水流量控制系统（ARE）的变速要求，以保证在反应堆整个热负荷范围内向蒸汽发生器提供不同的给水流量要求[1]。 部分电动泵给水系统（APA系统）采用了德国福伊特公司（Voith）的未带勺管保卫功能的液力耦合调速系统。该调速系统存在出现例如外部转速设定值断线、调速系统PLC控制器全部故障、PLC控制器失电、勺管位置传感器反馈信号断线或者故障、PLC输出设定值指令断线等故障模式时，其液力耦合调速系统中的勺管会自动下降到最小位置(0%位置)，造成给水泵转速直接下降到勺管最小位置对应的转速，造成给水泵无法给蒸汽发生器正常供水；而且该情况下电动泵只是降速并未直接停运，因而无法及时自动联锁启动APA备用泵，造成蒸发器供水不足，严重影响核电厂的安全运行。而增加勺管位置保位系统可以在出现上述故障模式时将勺管保持在当前位置，维持给水泵当前转速给蒸汽发生器供水，这样可以给主控室充足的响应时间进行干预操作，有效增加电动给水泵调速可靠性。本文以国内某核电厂一台APA泵为例介绍增加勺管保位功能的具体实现。

2 VOITH液力偶合调速系统介绍

2.1 VOITH液力耦合器调速系统简介

VOITH液力耦合器调速系统简要构成如图1[2]所示，主要包括手动控制器（S7-200 PLC）、自动控制器(SLC500 PLC)、电液位置控制系统（VEHS）、勺管、液力耦合器、转速探头；

其中手动控制器(S7-200 PLC)用来实现液力耦合器勺管位置的手动控制，直接控制勺管位置。该控制器主要在泵的启停阶段使用。自动控制器（SLC500 PLC）用于实现APA泵转速的闭环调节功能。在机组正常运行期间，由SLC500控制器对APA泵转速进行控制，它将主给水流量调节系统（ARE）生成的电动给水泵设定值信号与泵的实测转速做偏差处理，经PID运算后，输出勺管设定值信号给VEHS。

电液耦合器位置控制器（VEHS）是调速系统的核心部件，使用24VDC供电，其构成主要包括PID调节电路、电磁力控制器、勺管位置反馈器、4/3阀、双腔室活塞。VEHS根据PLC输出的勺管位置设定值信号，计算出与实际勺管位置传感器反馈的勺管位置信号的偏差值，经内部PID调节和电磁力控制器，对4/3阀进行精确控制，通过控制双向活塞腔室的进油和排油，从而实现对Voith调速耦合器的勺管（Scoop tube）位置进行精确和连续的控制。

图1 VOITH液力耦合器调速系统构成简图

2.2 电动给水泵组转速调节简介

在本文示例的核电站中，电动给水泵组由前置泵、电动机、液力耦合器、压力级泵串联组成。泵运行时由前置泵将除氧器的水抽出，并通过压力级泵升压后，经高压加热器送至蒸汽发生器[3]。

实现APA泵转速的调节，实际上是实现给水泵组中压力级泵的转速调节。电动机启动后直接驱动前置泵，并通过变速齿轮轴驱动液力耦合器的初级轴。液力耦合器调速系统根据PLC输出的勺管位置设定值，通过VEHS的电磁控制器对图1中的4/3阀进行精确和快速的控制，来改变双向活塞两侧腔室的进油及排油，进而控制勺管位置而改变液力耦合器内涡轮内部的充油量，改变液力耦合器次级涡轮所能获取的驱动扭矩，从而实现压力级泵可变转速的调节。

3 增加勺管保位系统的优点

对于未带勺管保位功能的液力耦合器调速系统，当出现VEHS的24V电源丢失、勺管位置传感器（BALLUFF）信号断线或者故障、勺管位置设定值信号断线故障情况时会出现勺管自动下降到最小位置（0%位置）。而在国内核电站运行过程中，确实出现过VEHS电源丢失导致勺管下降到0%位置，造成APA泵供水功能丧失的案例，也出现过勺管位置反馈器故障导致APA泵转速大幅波动的情况。

根据VEHS特性及对实际案例的分析可知，勺管位置降到0%位置，造成对应给水泵供水功能丧失，对机组稳定运行影响较大。为了应对上述意外工况，可以通过在图1所示的勺管活塞两侧与3/4阀之间油路管线之间增加一个4/2保位电磁阀来实现，当异常情况出现后，保位电磁阀失电保位，隔断勺管活塞充/排油回路，实现勺管保持在当前位置，对应APA泵维持当前转速，以保证其供水能力，同时减少对蒸汽发生器水位的扰动。

4 勺管保位功能实现

在本文示例的核电厂中一台电动给水泵进行了增加勺管保位功能改造，保位阀选型为HERION S16 VH 18 13 G005 210 5 O O，该型号保位阀已在多台给水泵组使用，性能稳定。在与VOITH厂家的沟通以及对调速可能出现的异常情况分析的基础上，确定在出现DCS转速设定值断线且同时手动控制器故障、PLC控制器电源失去、手、自动PLC控制器全部故障、勺管位置传感器断线或故障、PLC输出设定值指令(勺管位置设定值)断线、VEHS反馈给PLC的勺管位置信号断线六种故障模式下时实现勺管保位响应。

当出现了上述六种故障模式中的某种情况时，保位电磁阀失电切断4/3阀与液压缸之间的油路，让活塞两腔室的液压油与外部供油管路隔断，实现勺管安全保位功能。以下将介绍勺管保位改造增加保位阀和和PLC逻辑控制的具体实现：

图2 勺管保位阀控制回路示意图

4.1 保位阀硬件控制回路实现

在增加勺管保位电磁阀的控制回路参考图2所示，保位阀正常带电时不保位，失电时保位。手、自动PLC控制器通过控制K558中间继电器状态实现保位阀的得、失电状态，进而实现勺管保位功能；同时通过K559继电器的一对接点送DCS报警，当保位阀处于保位状态时触发DCS报警及时提醒主控操作员进行干预。

4.2 保位功能的PLC控制逻辑实现

对于上节描述的六种需要增加勺管保位功能的六种故障模式中，只有勺管位置传感器断线、PLC输出设定值指令(勺管位置设定值)断线、VEHS反馈给PLC的勺管位置信号断线这几种情况需要相应的增加PLC逻辑判断，而其他故障模式只需要增加了保位阀控制回路即可实现。本文以其中的勺管位置传感器断线为例介绍控制逻辑的实现。

在本示例中，勺管位置传感器通过隔离模块将勺管位置传感器信号分别送至手动控制器（S7-200）和自动控制器（SLC500）进行处理。当对应电动泵处于转速自动控制模式时，如果出现勺管位置反馈器电流信号（对应SLC500 PLC程序中的I：6.0）小于3mA时，转速控制自动切换到手动控制，同时设置控制保位继电器的输出点O：5.0/7输出为0。

而对于手动控制程序中，同样采集到勺管位置反馈器电流信号（对应S7-200 PLC程序中的AIW2）小于3mA，则设置控制保位继电器的输出点O/0.4输出为0。

对于PLC输出设定值指令(勺管位置设定值)断线、VEHS反馈给PLC的勺管位置信号断线两种故障模式，其对应的保位控制逻辑的实现和勺管位置传感器断线控制逻辑基本类似，在此不再叙述。

5 结语

对于VOITH液力耦合调速系统，在特定故障情况下勺管直接下插到最小位置（0%位置），会直接造成该态电动给水泵供水能力丧失，而导致蒸发器水位波动，严重情况下可能引起机组甩负荷、停机、反应堆停堆的情况发生，而勺管保位系统可以有效地避免这类情况发生，因此增加勺管保位功能对提高核电站电动给水泵可靠运行有积极的作用。