给水泵不可用引发机组甩负荷控制策略优化

2022-08-02何生文

仪器仪表用户 2022年8期

何生文

（台山核电合营有限公司，广东台山 529200）

某核电厂设计单机容量为1750MW，其给水系统包括4台完全相同的可调速泵组，每台泵组包含前置泵、电机、耦合器和压力级泵，电机和前置泵转速固定在1500rpm，压力级泵转速可调节范围是3500rpm～5472rpm，每台泵组能够提供35%Pn负荷所需供水，4台泵组共同完成蒸汽发生器二次侧给水供应的基本系统功能。

该系统在4%Pn以下功率水平，作为启动给水泵的备用。在4%Pn到满功率100%Pn之间，一台、两台或3台给水泵运行，始终存在至少一台给水泵作为备用。系统流程简图如图1[1]。

图1 某核电厂给水系统布置图Fig.1 BFP System flow chart of a nuclear power plant

1 甩负荷控制功能

1.1 甩负荷介绍

当一台给水泵故障跳闸，同时备用泵启动失败时，机组总给水流量将无法维持蒸汽发生器的水位。为了避免蒸汽发生器因为水位低导致反应堆自动停堆，需要自动快速降低汽机负荷，以实现机组功率和实际供水能力相匹配。

当有给水泵自动启动信号但是没有给水泵可用时，机组将会产生一个带记忆的负荷速降信号。当汽机功率降低于35%Pn或者汽机功率小于30%Pn后，复位负荷速降信号。其逻辑简图如图2[2，3]。

图2 给水泵引起的负荷速降逻辑简图Fig.2 Load shedding control logic by BFP

1.2 调试启机过程给水泵相关试验

为确保现场给水系统能够完成蒸汽发生器二次侧给水供应的基本系统功能，在机组正式商运前的调试启机过程中，会执行一系列试验确保给水系统在各种瞬态工况下满足设计需求。主要执行的试验见表1。

表1 机组启机过程中执行的瞬态试验Table 1 Transient test during plant starting

经过上述瞬态试验的验证，基本能够确保机组在各个功率平台。如果在运泵出现跳闸，若有备用泵可用，则能正常切换至备用泵运行以确保机组功率稳定；若无备用泵可用，机组能通过甩负荷控制逻辑自动甩负荷至预期功率平台稳定运行。

2 甩负荷控制相关设计缺陷

2.1 设计缺陷背景

2.1.1 特殊运行工况

在机组正常满功率运行时，3台给水泵处于自动运行状态，另一台泵处于自动热备状态。机组实际运行中不可避免地会出现4台泵同时运行的工况。若初始1/2/3号给水泵自动运行，4号给水泵热备。如需要将1号给水泵切至4号给水泵运行，操纵员需按照以下方式执行：

1）将4号泵置手动状态，手动启动后设置其在最低转速3500rpm运行。由于4台泵共用供水母管，每台泵出口均配置有逆止阀，4号泵此时由于出口压力不够，未往蒸汽发生器供水。

2）缓慢增加4号泵转速，1/2/3号泵转速将会自动下降。

3）当4号泵转速和1/2/3号泵转速一致时，将4号泵转速调节置自动，将1号泵转速调节置手动。

4）缓慢降低1号泵转速置最低运行转速3500rpm，在此期间2/3/4号泵转速将缓慢上升。

5）手动停运1号泵。

6）将1号泵置自动模式，使其处于热备状态。

2.1.2 存在问题分析

经过对满功率平台给水泵的切换过程和甩负荷控制相关逻辑分析，确认存在以下设计缺陷：

1）机组满功率运行期间执行切泵操作时，存在4台给水泵同时运行的情况。若此时失去一台给水泵，根据控制逻辑将自动触发甩负荷信号，机组甩负荷至65%Pn平台。但是实际机组满功率时，剩余3台给水泵仍能够满足机组供水需求，此时触发机组甩负荷逻辑不合理。

2） 4台给水泵同时运行期间，停其中一台泵前手动降转速过程中，若出现其他在运泵意外跳闸，此时转速调节置手动模式的泵不能自动切换到自动模式，升高转速开始供水。如果操纵员干预不及时，将导致二回路供水不足，严重情况下可能导致蒸汽发生器液位低触发反应堆停堆。

3）给水泵不可用导致的机组甩负荷信号触发后，启备用泵的指令由于被RS触发器记忆，始终存在。在机组状态恢复过程中，备用泵随时有可能启动。给水泵的意外启动会导致蒸汽发生器的水位波动或威胁给水泵附近人员安全。当前临时措施是在每次甩负荷试验或者真实甩负荷发生后，通过将某台泵置试验位自动启动一次来复位启备用泵指令，再将可用泵置自动热备状态。现场曾发生由于机组甩负荷瞬态后，未执行上述临时措施导致给水泵误启动事件，进而导致蒸汽发生器液位出现扰动。

2.2 逻辑改进方向

根据发现的设计缺陷，初步拟定以下逻辑改进方向，见表2。

表2 逻辑改进分析Table 2 Analysis of logic improvement

3 给水泵不可用引发机组甩负荷控制策略优化

3.1 初始设计中给水泵相关甩负荷逻辑

如图3所示，任一在运泵保护信号触发，会导致该泵跳闸，同时发出启备用泵信号。若备用泵能够自动联启，则机组状态能够维持稳定运行；若无备用泵可用，将触发机组甩负荷信号，目标负荷为当前负荷减35%Pn与30%Pn之间取大值。

图3 原给水泵甩负荷控制逻辑简图Fig.3 The initial load shedding control logic of BFP

3.2 控制策略优化后给水泵相关甩负荷逻辑

根据前文表2中逻辑改进方向的分析，对相关控制逻辑进行自主优化，制定以下逻辑优化方案，如图4。

图4 控制策略优化后给水泵甩负荷相关逻辑Fig.4 The load shedding control logic after optimization

针对图4中所做三方面改进，详细解释如下：

表3 现场功能再鉴定Table 3 Functional reappraisal on site

1）改进一：通过将泵运行数量纳入考虑，当有4台泵运行时，逻辑中第①个与门始终输出1，取反后将导致第②个与门的第一路信号始终为0，可以实现即使出现1台给水泵跳闸，无备用泵可用情况时，机组甩负荷指令仍然不会发出，机组可维持当前功率水平运行。当泵运行数量小于等于3台时，逻辑中第①个与门始终输出0，取反后将导致第②个与门的第一路信号始终为1，当出现有启备用泵指令但无备用泵可用时，机组甩负荷指令能够正常发出，机组能够根据给水泵实际供水能力甩负荷至预期负荷。

2）改进二：通过在出现有启备用泵指令但无备用泵可用情况下，立即发出一脉冲指令将4台给水泵转速控制均置于自动控制模式，可实现所有可用泵迅速接受汽水压差自动调节，提升转速进行供水。此处逻辑优化主要应用于满功率平台操纵员执行切泵操作过程中，4台给水泵已正常运行供水，此时需手动停运1台给水泵，若操纵员手动降转速过程中，另一在运泵突然发生跳闸情况，根据改进一优化后，此时机组不会甩负荷，为维持二回路供水，需要操作员将正在降转速待停运泵的转速调节尽快置自动控制模式，使其恢复供水能力。若该过程操作较慢可能导致蒸汽发生器供水不足触发反应堆跳堆。通过改进二优化后，控制系统在这种情况下可以实现自动将正在降转速待停运泵的转速调节立即切换至自动控制，避免了由于操纵员干预不及时带来二回路供水不足进而导致跳堆的风险。

3）改进三：通过在出现有启备用泵指令但无备用泵可用情况下，发出一脉冲指令将启备用泵信号复位，可避免现场发生甩负荷瞬态后机组恢复过程中存在的备用泵误启动风险。

3.3 给水泵甩负荷逻辑优化后再鉴定

完成给水泵甩负荷控制逻辑优化方案的制定后，需在模拟机和现场执行一系列试验以确定改造后的控制逻辑能够达到预期效果。

3.3.1 模拟机验证

将控制逻辑在模拟机进行修改后，执行了以下再鉴定试验。

1）试验前提：机组满功率平台，4台给水泵自动运行，模拟1台给水泵振动高保护跳闸。

试验结果：机组甩负荷信号未触发，机组功率稳定，符合预期。

2）试验前提：机组满功率平台，4台给水泵自动运行，1台给水泵转速在手动控制模式下的某一转速（小于正在供水泵的转速），保护跳1台正在供水的给水泵。

试验结果：机组甩负荷信号未触发，转速调节处于手动模式的给水泵自动置自动控制模式迅速升转速供水，机组功率稳定，符合预期。

3）试验前提：机组满功率平台，3台给水泵自动运行，另一台处于自动备用模式，模拟振动高跳1台给水泵。

试验结果：在运泵跳闸后，备用泵自动联启，泵可正常切换，机组甩负荷信号不触发，机组功率稳定，符合预期。

4）试验前提：机组满功率平台，3台给水泵自动运行，无可用备用给水泵，模拟振动高跳一台给水泵。

试验结果：机组甩负荷信号先触发，后核岛侧部分停堆信号正常触发，机组甩负荷至65%Pn平台稳定运行，符合预期。

5）试验前提：机组满功率平台，4台给水泵自动运行，模拟振动高同时或者先后跳两台给水泵。

试验结果：同时或者先后跳两台给水泵，机组甩负荷信号先触发，后核岛侧部分停堆信号正常触发，机组甩负荷至65%Pn平台稳定运行，符合预期。

3.3.2 真实机组实施改造后现场验证

由于真实机组上不同控制器间信号传输存在延时，此次逻辑改造中采用了部分短脉冲信号，真实机组上的响应情况可能和模拟机验证结果存在区别。现场逻辑完成改造后，需再次执行验证。由于机组在调试启机阶段已完成各类瞬态试验，现场无窗口进行真实甩负荷验证，通过将给水泵在试验位启动运行和DCS工程师站启动态检查逻辑的方式，判断机组甩负荷信号是否触发，以验证现场逻辑动作是否符合预期。

参考模拟机验证场景，在现场实施了以下试验，见表3。

通过模拟机和真实机组现场验证，试验结果均符合预期，确认逻辑改造能够实现预期的功能。