凝结水系统单一故障甩负荷问题改造策略研究

黄超武，李培金，邹向阳

（台山核电合营有限公司，广东 台山 529200）

0 引言

核电厂凝结水抽取系统（CEX）的主要功能为冷凝从低压缸出来的乏蒸汽，收集各路疏回水，然后用凝结水泵经低压加热系统将凝结水输送至除氧器。某核电厂凝结水系统设计有3台凝结水泵，每台泵设计容量为满功率下需求流量的50%，当电功率在40%Pn以上时，3台凝结水泵配置为两台运行，一台备用。如在运泵异常，则备用泵自动启动以保障除氧器正常供水。系统凝结水泵流程简图如图1所示。

图1 凝结水泵流程简图Fig.1 Flow diagram of condensate pump

为避免因供水不足导致停机、停堆风险，在40%Pn以上工况，如备用泵未能正常启动时，一台CEX不足以补充除氧器水量。为避免除氧器液位低导致跳机、跳堆，则会延时5s触发甩负荷信号，将机组功率降到40%以下。

1 原始设计中存在的问题

1.1 甩负荷控制回路

原始设计中为避免单一控制机柜故障导致多台凝结水泵均失去，该电站3台凝结水泵及其出口隔离阀被配置在3个独立的DCS控制机柜。凝结水系统触发甩负荷逻辑如图2、图3所示。在40%Pn功率以上，如运行中的凝结水泵数量小于2，则触发甩负荷信号，其中判断单列凝结水泵运行的条件为泵运行叠加泵出口隔离阀开启。

图2 原始设计凝结水系统触发甩负荷简图（A列）Fig.2 Schematic diagram of load rejection triggered by the original design condensate system (column A)

图3 原始设计凝结水系统触发甩负荷简图（B列）Fig.3 Schematic diagram of triggering load rejection of the original design condensate system (column B)

为降低拒动风险，甩负荷控制回路被分为A/B列冗余配置，任何一列触发则触发甩负荷，其中A列如图2所示。各机柜间凝结水泵的运行信号通过硬接线传输，B列如图3所示。各机柜间凝结水泵的运行信号通过DCS机柜间网络协议传输。

1.2 系统软硬件架构

该电厂常规岛系统DCS采用的是德国西门子公司SPPA-T2000控制系统，按系统功能配置为A/B两列，每列配置独立的供电、厂房、信号回路，避免单一故障，如配电盘失电、火灾等导致整个常规岛控制系统失去[1]。凝结水抽取系统（CEX）共有3列，每列包含一台泵及配套设备，其中第1、3列被分配在DCS系统A列，第2列被分配在DCS系统B列。泵和出口隔离阀均通过IO卡件驱动，反馈信号经IO卡件送至CPU中参与逻辑计算，包括调节与保护功能，其中表征该列可用的信号分别通过网络信号和硬接线信号送往其他机柜参与甩负荷逻辑。其中，第二列和第三列可用信号通过硬接线送往A列甩负荷逻辑，第一列和第三列可用信号通过网络送往B列甩负荷逻辑。设备与DCS系统结构如图4所示。

图4 系统软硬件架构简图Fig.4 Schematic diagram of system software and hardware architecture

1.3 原始设计缺陷

当前甩负荷控制回路存在单一设备故障导致甩负荷信号误触发风险，以机组功率为100%Pn，1号、2号凝结水泵1CEX2120PO、1CEX2220PO运行，以3号凝结水泵1CEX2320PO备用工况为例，当驱动1CEX2120PO的IO卡件故障时，虽然泵仍正常运行，但送往DCS的泵运行状态变为0，此时逻辑判断该列变成停运状态，则直接触发甩负荷信号。其他几种故障模式也会导致同样后果，如驱动泵、阀门IO卡件、信号线断线等。另外，对A列甩负荷控制回路，如机柜2、3与机柜1之间的硬件线信号IO卡件故障也会导致凝结水泵运行状态变为0，导致甩负荷信号误触发。

综上，当运行列的凝结水泵或对应出口隔离阀门的IO卡件故障或信号线断线时，将触发非预期甩负荷信号，存在单一设备故障导致机组瞬态的重大隐患。

2 改造方案

2.1 改造范围

通过优化凝结水系统触发甩负荷控制回路逻辑等手段，解决单一设备故障导致甩负荷信号误触发问题，但不允许引入新的单一故障点。

2.2 设计原则

电厂甩负荷控制回路已经过调试试验和机组正常运行验证，整体功能无异常。本次改造为解决单一故障导致甩负荷信号误触发问题，但改造过程应遵循以下原则：

1）不影响系统外设备，且不能改变凝结水系统甩负荷控制回路原始设计意图和整体逻辑功能。

2）满足单一故障准则，凝结水系统甩负荷控制回路任何部位发生单一随机故障时，仍能实现凝结水泵运行数量小于2时触发甩负荷功能。

3）不增加系统误动、拒动风险。

4）充分考虑系统冗余度、物理和电气分离或设备及系统的多样性等要求。

2.3 优化方案

针对原始设计中的两个单一故障点，针对性地提出改进措施：

1）凝结水泵及出口隔离阀反馈信号回路单一故障点

使用凝结水泵停运状态、出口隔离阀关闭或泵运行状态、出口隔离阀开启反馈消失，叠加泵出口流量小于860m3/h，作为本列CEX不可用判定条件。该方案能有效解决单一故障导致甩负荷问题，正常运行工况下，CEX泵出口流量大于860m3/h，如CEX泵、出口隔离阀驱动卡件、信号回路硬接线、就地设备反馈故障，泵出口流量不变，则不会触发该列不可用信号，可以消除误动风险。如出现泵跳闸、出口隔离阀关闭等异常工况，出口流量会迅速下降到860m3/h以下，能正常触发该列不可用信号，进而正常触发切列或甩负荷。

2）A列甩负荷控制回路上机柜间硬接线信号单一故障点

将机柜间传输信号的表征意义由该列运行修改为该列停用。在原始设计中，正常工况如该列投运，该信号值为1。如机柜间硬接线信号断线或IO卡件故障，则下游机柜接收到的信号变为0，将直接触发甩负荷。修改为表征该列停用后，正常工况如该列投运，该信号值为0。如机柜间硬接线信号断线或IO卡件故障，则下游机柜接收到的信号变为0，不会误触发甩负荷信号，如此时叠加该列真实停运，可通过B列甩负荷控制回路正常触发甩负荷[2]。

修改后甩负荷逻辑简图如图5所示。

图5 凝结水系统触发甩负荷改造方案简图（A列）Fig.5 Schematic diagram of load rejection modification plan triggered by condensate system (column A)

3 改造方案评估与验证

3.1 改造方案成本与效益影响评估

改造方案设计中需要重复考虑成本和收益，在实现改造需求和设计原则的前提下，选择最经济的方案。对本改造，其他备选方案有通过增加冗余IO点、传感器，或者设计冗余IO板卡等，但这些方案会涉及新增实体设备、电缆敷设等工作，无论是改造方案设计、现场实施，以及后续机组正常运行期间的运行和维护成本都会大大增加，而且新增设备会增加DCS负荷，对应的改造实施工期、现场实施风险也会增加，不推荐采用。本文采用的改造方案充分利用现有硬件设备，仅通过优化组态的方式实现设计需求，避免单一故障导致甩负荷问题，且有效控制拒动、误动风险，改造成本和实施风险都是最低的[3]。

3.2 改造方案验证

本改造方案设计功能会影响机组甩负荷，需严格控制改造风险，避免因改造方案选择失败导致非预期机组瞬态或引入新的单一故障点[4]。改造方案验证包括全链路逻辑推演和模拟机平台验证两个环节，两个环节互为补充。

全链路推演主要通过预想在各种机组运行工况下，如信号链路上设备出现故障时，逻辑的响应是否符合预期，以此验证改造方案的合理性。本改造涉及40%Pn甩负荷逻辑，因此推演方案包括100%Pn、30%Pn两个机组运行工况，并分别考虑3台CEX泵不同运行组合配置场景，预想的故障模式需覆盖整个信号回路，主要的场景及故障模式示例见表1。

表1 100%Pn功率平台全链路推演场景与故障模式Table 1 100% Pn Power platform full link simulation scenarios and fault modes

考虑到凝结水系统逻辑关系复杂，单纯的离线推演可能存在因预想状态、逻辑关系不全面导致结果存在偏差，而模拟机平台可以弥补该缺陷，通过模拟机验证可测试反应各种工况下信号回路的响应是否符合预期。模拟机平台验证流程与全链路推演方案类似，首先需要假设场景，然后模拟故障触发，验证结果是否与预期相符，其主要差异在于模拟机可较真实地反映设备状态、参数、逻辑关系的响应情况，特别是故障触发期间设备状态改变后，机组运行参数、工艺系统的响应无法通过逻辑推演得出结论，需要通过模拟机进行具体的验证[5]。

针对本改造方案，需要先在模拟机平台实施修改，并设置满功率、低功率以及不同泵组合运行工况，再通过教控台模拟故障模式，对逻辑关系、就地设备的响应是否与原设计相符开展进一步论证，并与全链路逻辑推演结果进行比对。模拟验证示例如下：

1）机组满功率，1、2号泵运行，模拟1号泵因出口压力低跳闸，3号泵联启：1号泵出口流量低信号（＜860m3/h）触发，第一列不可用，第二、三列正常运行，机组功率稳定，未触发甩负荷。

2）机组满功率，1、2号泵运行，模拟3号泵失电，1号泵因出口压力低跳闸，3号泵未联启：1号泵和3号泵停运、出口流量低信号均触发，第一、三列CEX不可用，机组甩负荷至40%Pn。

3）机组满功率，1、2号泵运行，模拟2号泵运行反馈消失：第一、二列正常运行，机组功率稳定，未触发甩负荷，仅触发报警提醒2号泵故障。

4）机组满功率，1、2号泵运行，模拟1号泵出口流量取消管线堵塞，1号泵出口3块流量表均触发流量低信号（＜860m3/h），3号泵未联启：1号泵出口流量低触发再循环阀开启，总流量轻微波动，经重新调节平衡，依然保持两列CEX可用，机组功率稳定，未触发甩负荷。

5）机组满功率，1、2号泵运行，模拟1号泵出口隔离阀异常关闭：1号泵出口流量低触发再循环阀开启，但出口流量低信号（＜860m3/h）触发，备用泵未自动联启，仅第二列CEX可用，机组甩负荷至40%Pn。

经过模拟验证各类工况和故障模式，改造后功能均符合设计预期。通过逻辑推演和模拟机验证，可提前识别方案错误，有效控制改造风险，避免在机组正式实施后正常运行期间才发现改造方案错误，提升改造质量。

4 改造效果

目前该电厂两台机组均已完成改造，机组实施逻辑修改后已经过1～2个换料循环的验证，从两台机组上下行和满功率运行情况来看，各项逻辑功能响应正确，符合设计预期。机组正常运行期间，通过动态查看实时数据，并与设计方案、全链路逻辑推演和模拟机验证结果对比，与设计需求完全相符，满足改造要求，可避免CEX水系统单一故障导致甩负荷信号误触发，并减少拒动风险。

5 总结

核电厂凝结水抽取系统作为除氧器供水系统，会直接影响除氧器液位控制，并对蒸发器液位控制存在一定的影响。单一故障导致甩负荷信号误触发会直接影响机组经济性，且预期外的甩负荷会导致堆芯瞬态，间接影响核安全。改造方案设计过程中，通过深入研究信号回路各逻辑关系，并经过反复迭代、全信号链路逻辑推演、模拟机平台验证等手段，最终形成本改造方案。经现场实施验证，结果符合预期。该项目的成功实施，消除电厂凝结水系统单一故障导致甩负荷信号误触发风险，有效提高机组经济性和可靠性，同时对后续单一失效相关改造项目和其他电厂具有一定的参考价值。