华龙一号机组气动阀控制故障分析

魏绍帅，时中政

（中国核电工程有限公司 华东分公司 调试部，浙江 嘉兴 314000）

0 引言

华龙一号压水堆机组中，余热排出系统（RHR）的主要功能是在电厂停堆期间，在经蒸汽发生器初步冷却和降压后，从堆芯和反应堆冷却剂系统排出热量，将反应堆冷却剂的温度从180℃降至60℃。在达到冷停堆工况时，RHR系统能将反应堆冷却剂温度维持在冷停堆工况，并可满足换料和维修操作所需要的持续时间。

余热排出系统的主管道连接反应堆冷却剂系统的环路2热段，反应堆冷却剂经余热排出系统主管道的热交换器后，温度降低，再被送回至反应堆冷却剂环路1冷段和环路3冷段。余热排出系统分为两列，RHR024VP、RHR025VP分别为余热排出系统的两列主管道上的气动调节阀。余热排出系统通过调节这两个阀门的开度来控制通过热交换器的反应堆冷却剂的流量，进而控制对一回路冷却剂的余热导出速度。

图1 RHR024VP组态图Fig.1 RHR024VP Configuration diagram

对现场设备的控制，华龙一号机组采用了全数字化的DCS控制系统。其中，主控室的电厂计算机信息和控制系统主要承担电厂的数字化控制任务，但在核电站的总体设计中考虑到了全部失去电厂计算机信息和控制系统的可能性。因此，在主控室内设置了后备盘（BUP），作为失去主控室画面控制的后备操作手段。在主控室画面不可用期间（无论是计划的或非计划的不可用），在任何机组工况条件下（含正常工况及事故工况），后备盘都可将机组维持在安全状态或带入并维持到安全状态[1]。

在主控室画面和BUP均可实现对RHR024VP、RHR025VP阀门的控制。现场在进行调试RHR024VP的过程中，单体调试阀门动作正常，连同DCS系统一起调试时，产生了非预期的故障现象。

1 故障现象

1.1 阀门控制指令与阀门动作不一致

根据气动阀执行机构的正反作用和阀门结构的不同组装方式，常见气动阀一般分为气开型和气关型。其中对于气关型阀门，当进入气动阀气缸的压缩空气增加时，阀门向关闭方向动作[2]。RHR024VP的设计要求是阀门故障（供电故障和供气故障）时，阀门保持原位，且最终安全位置为开启状态。因此，阀门为进气关闭阀门。即当主控室画面发出开度为0%的控制指令时，阀门应全开。但给阀门供电供气后，主控画面发出0%的控制指令后，阀门全关，与设计要求不符。

1.2 控制指令突变

在对RHR024VP进行失气保持验证时，在主控室画面发出开度为50%的控制指令。经过一段时间，主控画面控制指令变为100%。经调取主控画面操作记录，未发现主控画面操作历史，调取控制指令趋势，发现控制指令从50%开度变为100%开度，历时约1s。而在主控室画面操作，控制指令从50%变为100%，历时约15s。

2 故障分析

2.1 阀门控制指令与阀门动作不一致分析

华龙一号的非安全级DCS采用西门子SPPA-T2000平台，RHR024VP的一层组态采用SP模块+PID模块+CCON模块来实现对阀门的远程控制。其组态图如图1所示。

一般情况下，当主控画面发出0%开度指令时，SP模块的输出为0，PID的输出模块也为0，CCON模块将其转换为4mA信号送往阀门电气转换器。阀门的电气转换器将4mA信号转换为供气压力最小值（0.2bar），阀门关闭。

RHR024VP为进气关闭阀门，即当供气压力最小时（0.2bar），阀门应处于全开状态。而DCS一层组态的默认设置为：当主控画面发出0%控制指令后，AO卡件输出4mA至阀门电气转换器，此时阀门供气压力最小，阀门关闭，与设计要求的阀门进气关闭不符。

2.2 控制指令突变分析

RHR024VP除了可以在主控画面操作以外，还可以通过BUP操作。设备在主控画面控制失效时，在BUP可以实现对设备的控制[3]。通过多次试验排查发现，当DCS的控制权限从主控画面切换至BUP控制时，阀门的控制指令会产生突变。RHR024VP无自动控制模式，只有主控画面手动控制模式和BUP控制模式。一层组态中该阀门的SP模块的输出去往PID模块，而SP模块的跟踪值取自PID模块的输出值“Y”。当阀门由主控画面手动控制模式切换为BUP控制模式时，SP模块将跟踪值“Y”输出给PID模块，以实现切换前后阀门状态一致，即实现阀门无扰切换。

由于SPPA-T2000平台的特性，SP模块的阈值范围为0～100，PID模块的阈值范围为0～10000。因此，从PID模块输出值“Y”送往SP模块前，需经过量程等比例换算处理。一层组态中，量程等比例换算系数设置为100，即PID模块的输出值“Y”放大100倍后送至SP模块的跟踪值，此时跟踪值（5000）已远远超过SP模块的阈值上限，故SP模块输出量程上限100至PID模块。但此时为主控画面手动控制模式，该跟踪值不起作用。当RHR024VP阀门的控制权限由主控画面切换至BUP控制室，该跟踪值开始起作用，SP模块输出量程上限100至PID模块，PID模块输出10000（对应100%开度），导致阀门全开。

3 解决方案

3.1 阀门控制指令与阀门动作不一致解决方案

根据上文分析的结果，阀门控制指令与阀门动作不一致需从信号取反角度进行处理。有两种方案可以实现：

第一种方案：在DCS组态中将信号取反。CCON模块的YREV参数可以实现输出信号取反的功能，将其设置为“Reverse manipulated variable YA”，即可实现当PID模块的输出为0时，CCON模块的输出为最大值20mA；当PID模块的输出为10000时，CCON模块的输出为最小值4mA。

DCS组态中参数设置完成后，当主控画面发出0%的控制指令后，SP模块和PID模块的输出均为0，CCON模块阀门的输出为20mA，电气转换器将20mA信号转换为最大供气压力，阀门全开。同样，当主控画面发出100%的控制指令后，SP模块和PID模块的输出均为最大值，CCON模块的输出为4mA，阀门电气转换器将4mA信号转换为最小供气压力，阀门全关。

但是这种方案引来了一个新的问题：RHR024VP的主控画面控制指令显示与BUP盘上的控制指令显示不一致。因为该阀门的控制指令从CCON模块送往阀门电气转换器的同时，也送往BUP显示。当主控画面发出0%的控制指令后，CCON模块的输出为20mA，BUP盘台上的显示为满量程100%。

第二种方案：在RHR024VP阀门的定位器处将挡板组件从正作用区调至反作用区，即，当电气转换器输出最小供气压力时，定位器将使阀门全开。当主控画面发出0%的控制指令后，CCON模块的输出为4mA，BUP接收4mA信号显示0%，同时阀门电气转换器接收4mA信号并将其转换为最小供气压力，由于定位器在反作用区，阀门全开。

综合两种解决方案，可以看出由于RHR024VP阀门控制指令同时送主控画面和BUP进行显示，第二种方案更合适。当阀门控制指令不送BUP显示时，两种方案均可实现阀门进气关闭功能。

3.2 控制指令突变解决方案

通过上文分析，阀门控制指令突变的原因为PID模块输出至SP模块时，其量程等比例换算关系不合适导致。因此，将SP模块的输入端的量程等比例换算系数修改为与其量程匹配的值即可解决该问题。现场将其系数由100修改为0.01后，阀门控制权限由主控画面切换至BUP控制，阀门可以实现无扰切换。

4 结束语

气动调节阀的调试相比于电动阀和电磁阀更为复杂，在现场调试过程中遇到气动调节阀的控制故障问题时，要结合控制系统本身的特性及设计要求，对故障问题进行分析解决。本文针对气动调节阀的两个故障问题，从SPPA-T2000平台的组态特性出发，结合设计要求，分析出问题产生的原因，并针对性地提出了解决方案。其解决问题的思路对后续气动调节阀的缺陷处理具有指导意义。