CPR1000核電廠RRA系統等幅震蕩問題分析

項洪一　李永洪　李鏘　劉鵬　吳啟烈

摘 要：針對中國改進型壓水堆某核電站（CPR1000）4號機組，RRA（余熱排出系統）系統在裝料后的首次啟動中，RRA013VP閥門上氣缸進氣銅管斷裂，控制系統產生等幅震蕩等問題。該文從系統設計、工藝流程、DCS組態、閥門定位器等方面進行分析，結合歷史數據，找到問題的根源并處理。故障處理后，經過大量的擾動試驗進行再驗證。驗證結果表明，故障已經徹底消除，控制系統能夠穩定運行。

關鍵詞：余熱排出系統 閥門 故障 等幅震蕩 擾動

中圖分類號：TM623 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）06（c）-0123-04

余熱排出系統（Residual Heat Removal RRA），作為核電站的重要系統，其主要功能是在正常停堆以及事故緊急停堆時，用于去除堆芯衰變熱及一回路顯熱（統稱為余熱）[1]。作為余熱排出系統的流量調節閥，RRA013VP調節性能的好壞直接影響余熱的排出，影響到核電站的安全停堆問題。

文章針對某CPR1000核電站4號機組RRA系統在裝料后的首次啟動過程中，RRA013VP閥門產生了上氣缸進氣銅管斷裂故障，EP線性度下降輸出量程不夠、定位器輸入壓力小表漏氣、定位器零點漂移、控制系統產生等幅震蕩，即RRA013VP和RRA006MD（余熱排出流量）等幅震蕩等問題，從系統設計、工藝流程、DCS組態、閥門本體等方面進行分析，結合歷史數據，找到問題的根源并處理。故障處理后經過RRA系統流量設定值擾動（910～1300 m3/h）、泵切換試、閥門開5%、關10%擾動等進行再驗證，驗證控制系統的穩定。

1 RRA系統的主要功能介紹

RRA系統的主要功能是在電廠停堆期間，經蒸汽發生器初步冷卻降壓后，從堆芯和反應堆冷卻劑系統（RCP）排出熱量。將反應堆冷卻劑的溫度從180 ℃降到60 ℃。在達到冷停堆工況時，RRA系統能將反應堆冷卻劑溫度維持在冷停堆工況，并可以滿足換料和維修操作所需要的時間[2]。

在反應堆啟動和停堆期間，一回路溫度壓力從60 ℃/0.1 MPa·a加熱到180 ℃/2.8 MPa·a和從180 ℃/2.8 MPa·a冷卻到60 ℃/0.1 MPa·a過程中，RRA系統投入運行，控制升溫和降溫速率小于28 ℃/h[3]。熱交換器出口溫度由閥門RRA024/025手動控制，閥門RRA013VP保證系統流量穩定在設定值。其與一回路鏈接的系統圖（見圖1）。

2 閥門等幅震蕩問題描述

某核電廠RRA系統在首次裝料后的投運期間，由于一回路系統內含氣量高，導致RRA系統管線震動大，從而使RRA013VP閥門定位器至上氣缸連接的銅管斷裂。為處理銅管斷裂問題，現場通過手輪將閥位卡死，在線對斷裂銅管進行更換。更換斷裂銅管后，在小范圍開度下對閥門進行操作性檢查，確認閥門動作無異常后將閥門恢復自動調節。此時流量與閥門出現等幅振蕩，持續約半小時等幅震蕩仍未消除。將RRA013VP切手動控制，手動將RRA006MD流量調節穩定后，再投自動控制，流量與閥門的等幅震蕩消失，閥門調節正常。

3 問題分析

為了找出產生等幅震蕩的原因，各個專業分別從控制邏輯的設計、DCS組態實現和RRA013VP閥門響應時間、RRA泵出力情況、閥門在低流量下調節性能不佳、系統壓力較低時閥門變化對流量影響較大等方面進行分析。

3.1 控制邏輯設計檢查

RRA013VP采用純積分控制，積分時間是7.5 s。設計的控制邏輯圖（見圖2）。RRA006MD作為測量值送到PID控制器RRA401RG中，RRA401RG的設定值是固定的1 800 m3/h或者KIC上RRA407KU的手動輸入值。PID計算出的閥位指令送到RRA013VP進行控制。

檢查結論：控制邏輯設計正確。

3.2 DCS控制組態檢查

在進行DCS組態檢查前，先進行PID算法的理論分析，根據理論分析結果，驗證DCS控制系統內的組態是否滿足設計要求。

理想的PID調節器的動態方程：。

對應傳遞函數：。

RRA設計為純積分控制，其動態方程：。

安全級使用的是三菱DCS控制系統、MELENS控制軟件，其CPU的掃描周期是100 ms，按照設定值和測量值的偏差為2 000 m3/h（量程的100%）進行計算，積分時間是7.5 s，即7.5 s的時間閥門開度由0%開到100%。每個掃描周期的輸出：===。

根據DCS控制系統內的組態（見圖3），計算求和模塊的兩路系數，根據每個掃描周期輸出相等列式：。DCS的組態中的參數設置為1/3000（0.00033333）是正確的。S1051XR是流量設定值，設定為2000，S1050XA是RRA006MD流量信號，經過差值計算模塊S1050G作差后，分兩路信號乘以系數1/3000（0.00033333）后，送到求和模塊YRRA401RG1進行求和，輸出的信號是每個掃描周期根據偏差的計算值，經過高、低選模塊（YRRA401RG8、YRRA401RG10）進行限幅后，送到加法模塊YRRA401RG11進行計算，加法模塊YRRA401RG11起的作用相當于增量式PID控制，即在前一個掃描周期CPU計算的輸出基礎上，加上該掃描周期CPU的計算輸出，作為當前的閥位指令輸出。

檢查結論：DCS控制組態正確，正確實現設計功能。

3.3 閥門響應時間分析

圖4中，RRA013VPC是閥門開度指令信號，RRA006MD是流量測量值。根據數據趨勢分析，當閥門開度指令由t1時刻的73%關到t2時刻的65%時，流量信號由t1時刻的960 m3/h變化到t2時刻的970 m3/h，流量信號從t2時刻開始下降，經過90 s的時間才降到最低點910 m3/h。t2-t1=92 s即從閥門開度指令開始關小開始，到流量開始下降的時間為92 s！而92 s基本上是半個震蕩周期的時間，響應時間異常導致系統出現等幅震蕩。RRA013VP是核級閥門，安裝在核島內，只有指令信號沒有反饋信號，所以圖4中的閥門開度信號只是閥門的開度指令，而非真實的閥門開度。流量變送器RRA006MD根據其他機組的數據分析，流量對于閥門開度指令的響應時間最長為10 s，而這里居然是92 s，所以由此推斷出是閥門響應時間過長導致等幅震蕩。endprint

分析結論：閥門響應時間過長導致等幅震蕩。需要就地檢查閥門響應慢的原因，并重新進行閥門整定。

3.4 閥門故障分析

到就地檢查時，發現RRA系統管線異常振動大，綜合一回路系統狀態進行分析，找出RRA系統管線振動大的原因是由于一回路內含氣量高導致。系統管線振動大導致RRA013VP閥門定位器至上氣缸連接的銅管斷裂。當一回路排氣后，RRA系統管線異常振動消失。

更換新銅管后，將RRA013VP切自動控制，流量和閥門出現等幅振蕩（分析見4.3節）。通過FlowScanner校驗儀對閥門進行校驗發現EP（電信號-壓力信號轉換器）故障，并且定位器輸入壓力小表漏氣。

分析結論：一回路含氣量大導致RRA系統管線振動，從而使定位器至上氣缸銅管斷裂、EP故障、定位器輸入壓力小表漏氣。

此外還對RRA泵出力情況、閥門在低流量下調節性能不佳、系統壓力較低時閥門變化對流量影響較大等因素進行分析，但都逐一排除。

4 閥門故障處理及再驗證

4.1 閥門故障處理

在更換定位器至上氣缸的斷裂銅管后，將閥門切到手動控制，手動給71%的固定開度，現場對閥門閥位進行觀察，持續觀察約10 min，就地閥位未動作，因此可確定閥門氣缸不存在漏氣情況。

校驗前繪制FlowScanner曲線，根據曲線結果對比熱試前曲線情況看出，EP線性不好，輸出量程不夠，為0.2～0.88 bar，低于0.2～1 bar要求（見圖5）。并且定位器上下氣缸壓力建立不起來，最大氣壓1.35 bar，閥門在全開、全關位置時氣缸達不到最大壓力4.0 bar。根據繪制出的閥門特性曲線看出，閥門死區增大，在近8.0 mA電流信號時，閥門才會動作（見圖6）。熱試前閥門正常時的死區為5.4 mA。對EP進行調整后，繪制FlowScanner曲線，分析出EP量程已經滿足要求，但EP線性仍舊存在問題，在4～6 mA區間電流信號存在，但定位器無輸入壓力，判斷EP需要更換。

更換EP備件后，繪制FlowScanner曲線，根據EP特性曲線以及閥門上下氣缸氣壓特性變化情況看出，電流信號在7～9.5 mA區間，定位器輸入壓力增長變緩慢，閥門上下氣缸氣壓較之前有所改善，最大壓力已達2.25 bar，但仍無法達到最大供氣壓力4.0 bar。經過進一步檢查發現，定位器輸入壓力小表存在漏氣情況，將漏氣處理完畢后，調整EP、定位器零點量程合格，繪制曲線看出閥門特性以及EP、定位器性能良好，閥門故障消除（見圖7、圖8）。

4.2 閥門故障處理后再驗證

RRA013VP閥門故障處理完后，分別進行流量設定值擾動（910～1 300 m3/h）、泵切換試驗、閥門開5%、關10%擾動等試驗進行再驗證，閥門正常響應，系統控制穩定，未再次出現震蕩。試驗期間再驗證曲線（見圖9）。流量設定值擾動試驗過程中，流量設定值由910 m3/h增加到1 300 m3/h，閥門的開度由41%開到64%，響應及時控制穩定。在流量達到1 300 m3/h平臺穩定后，進行了RRA001PO（余熱排出系統1號泵）和RRA002PO（余熱排出系統2號泵）的切泵試驗，試驗過程是先啟動RRA002PO，使RRA001PO/RRA002PO雙泵運行，再停運RRA001PO保持RRA002PO運行，在切泵過程中流量最高值1 572 m3/h，閥門開度最小值48%，控制系統穩定。待RRA002PO運行穩定后，在流量為910 m3/h和950 m3/h兩個平臺分別進行，閥門手動開5%，關10%擾動試驗，控制系統很快進入穩定狀態。

此次再驗證，包含了RRA系統在實際運行過程中的最差工況，在最差工況擾動下RRA系統控制穩定，其他穩態工況，RRA系統也運行穩定。

5 結語

由于一回路系統內含氣量高，RRA系統管線震動大，從而導致RRA013VP閥門定位器至上氣缸連接的銅管斷裂、EP線性度下降輸出量程不夠、定位器輸入壓力小表漏氣、定位器零點漂移等問題，是造成RRA013VP產生等幅震蕩的根本原因。在更換EP、處理好定位器輸入小表漏氣，并重新整定定位器后，故障消除，RRA系統恢復正?？刂?。

參考文獻

[1] 賈寶山，俞冀陽，彭敏俊.核動力裝置設計與優化原理[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，2010：46-47.

[2] 蘇林森，楊輝玉，王復生，等.900 MW壓水堆核電站系統與設備[M].北京：原子能出版社，2006：138-145.

[3] 余熱排出系統設計說明[Z].深圳：中廣核工程有限公司，2007.endprint