李玉紅,張 楠

(中國核電工程有限公司，北京 100840)

0 引言

華龍一號(Hua-long pressurized reacton 1000,HPR1000)主蒸汽隔離閥(main steam isolation valve,MSIV)位于安全殼外，是主蒸汽系統(tǒng)的關(guān)鍵閥門。其設(shè)計要求是在單一故障的假設(shè)下，當在安全殼內(nèi)或在徑向限位器下游的蒸汽管線破裂后，可以把失控的蒸汽排放限制到不超過一臺蒸汽發(fā)生器的水裝量[1]。因此，設(shè)計要求在所有預計的正?；蚴鹿蔬\行工況下，在收到關(guān)閉信號后的5 s內(nèi)關(guān)閉主蒸汽隔離閥，以迅速截斷任意方向的蒸汽流。另外，當反應(yīng)堆處于熱停堆狀態(tài)時，主蒸汽隔離閥還用來將汽輪機側(cè)的部分主蒸汽管道從核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)隔離，以進行下游設(shè)備的檢修。

為了實現(xiàn)閥門設(shè)計預期的可用性，保持系統(tǒng)對真實信號的響應(yīng)能力，同時配合“華龍一號”主蒸汽隔離閥的設(shè)備國產(chǎn)化，本文摒棄了秦山二期及海南項目中采用的就地控制柜實現(xiàn)方案。在研究分析法規(guī)標準要求后，將閥門的定期試驗功能全部控制邏輯在分布式控制系統(tǒng)(distributed control system,DCS)中實現(xiàn)，減少了就地控制柜與DCS的儀控接口，節(jié)約了采購成本，降低了研發(fā)風險，保證了設(shè)備采購風險可控及產(chǎn)品供貨周期。

1 法規(guī)標準要求

國內(nèi)核電站的主蒸汽隔離閥基本采用液壓執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動，其原理隨供貨商不同而有所區(qū)別。但是根據(jù)HAF 102-2016《核動力廠設(shè)計安全規(guī)定》[2]的要求，主蒸汽隔離閥的設(shè)計應(yīng)避免導致單一系統(tǒng)或部件不能執(zhí)行其預定安全功能的故障，即滿足單一故障準則的要求。所以供貨商在執(zhí)行機構(gòu)硬件設(shè)計中都考慮了A、B列冗余。

GB 5204-94《核電廠安全系統(tǒng)定期試驗和監(jiān)測》[3]規(guī)定，安全系統(tǒng)應(yīng)進行定期試驗和監(jiān)測，應(yīng)注意探測設(shè)備的運行狀態(tài)是否在規(guī)定的限值內(nèi)。該限值是最低的性能要求，例如響應(yīng)時間、整定值準確度以及設(shè)計基準規(guī)定的其他性能要求。安全系統(tǒng)在電廠運行期間以及電廠停運期間必須是可試驗的。這種可試驗性必須允許單獨試驗各冗余通道和負載組，同時保持系統(tǒng)對真實信號的響應(yīng)能力，或必要時觸發(fā)被試驗通道的輸出，或按安全要求和運行限值條件旁通某個設(shè)備。主蒸汽隔離閥的安全功能[4-5]是5 s內(nèi)快速關(guān)閉。該功能由反應(yīng)堆保護系統(tǒng)自動觸發(fā)，或者通過應(yīng)急停堆盤上的按鈕實現(xiàn)。因此，安全系統(tǒng)由反應(yīng)堆保護系統(tǒng)信號、應(yīng)急停堆盤上的快速關(guān)閥按鈕、DCS系統(tǒng)的安全級控制邏輯、執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行安全功能的各個部件以及執(zhí)行關(guān)閥的閥桿組成。在電站停堆期間，每臺閥門要進行一次手動快速關(guān)閉試驗。

正常運行期間，要定期驗證安全級的DCS邏輯、執(zhí)行機構(gòu)部件和閥桿的可用性。本文闡述的是正常運行期間要進行的DCS系統(tǒng)安全級控制邏輯、執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行安全功能的各個部件以及執(zhí)行關(guān)閥閥桿的定期試驗。

2 定期試驗功能研究

“華龍一號”核電站中，主蒸汽隔離閥由國內(nèi)供貨商蘇閥供貨，采用蘇閥的閥門本體和ENERTECH執(zhí)行機構(gòu)的組合，實現(xiàn)了閥門本體的國產(chǎn)化[6]。該液壓執(zhí)行機構(gòu)的原理與秦山和海南項目主蒸汽隔離閥的原理相似，其安全功能的快關(guān)與非安全功能的開/慢關(guān)液壓回路獨立設(shè)計。

閥門的液壓執(zhí)行機構(gòu)流程如圖1所示。

圖1 執(zhí)行機構(gòu)流程圖

WEIR執(zhí)行機構(gòu)控制邏輯均采用了DCS+就地控制柜的設(shè)計方案[7-8]。每個閥門需要額外采購A、B列各一臺就地控制柜,執(zhí)行機構(gòu)和閥桿的定期試驗也都通過就地柜完成，同時主控室也能實現(xiàn)閥門的正常開關(guān)和快關(guān)操作。這樣，在主控室、可編程邏輯控制器(programmable logic controller,PLC)控制柜、閥門執(zhí)行機構(gòu)之間存在很多接口，實現(xiàn)比較復雜。設(shè)計人員既需要了解執(zhí)行機構(gòu)的工作原理，又要熟悉PLC控制柜的開關(guān)和試驗邏輯，才能設(shè)計DCS側(cè)相關(guān)的邏輯；同時，閥門廠需采購執(zhí)行機構(gòu)和就地柜設(shè)備，分包采購周期長，儀控接口復雜，設(shè)計交流和后期設(shè)備維護工作量大。

為了配合主蒸汽隔離閥的設(shè)備國產(chǎn)化，節(jié)約采購成本、降低研發(fā)風險，并保證設(shè)備采購風險可控，“華龍一號”在實施過程中，取消了以往設(shè)計項目的就地控制柜。根據(jù)蘇閥提供的主蒸汽隔離閥的液壓執(zhí)行機構(gòu)原理圖和控制說明，設(shè)計了控制邏輯功能圖。DCS中完全實現(xiàn)了主蒸汽隔離閥開閥、關(guān)閥、快關(guān)、安全級電磁閥在線監(jiān)測、90%開度試驗控制邏輯，滿足主蒸汽隔離閥工藝控制要求。

控制要求簡述如下。

(1)閥門快速關(guān)閉。

該功能為閥門的安全功能。當閥門接到反應(yīng)堆保護系統(tǒng)A列或B列的主蒸汽管線隔離信號時，閥門自動快關(guān)。每一列的快關(guān)信號可以在畫面或后備盤上復位。該復位命令允許操作員在需要時重新開啟閥門；同時，在應(yīng)急停堆盤上設(shè)有手動快關(guān)控制按鈕(A、B列各有一個)。

(2)閥門正常開/關(guān)。

該功能為閥門的非安全功能。通過主控室畫面或后備盤上的手動按鈕，實現(xiàn)閥門的正常開啟和關(guān)閉。邏輯中設(shè)有連鎖信號，當閥門上下游壓差大于0.3 MPa時，不允許閥門開啟 。

主蒸汽隔離閥控制邏輯復雜、功能重要，在事故工況下，需在接到主蒸汽管線隔離信號后的5 s內(nèi)快速關(guān)閉，且A、B列安全功能獨立。

按照法規(guī)安全要求，主蒸汽隔離閥執(zhí)行機構(gòu)要求具有進行功能試驗的能力。功能試驗最好采用敏感元件和被驅(qū)動設(shè)備同時試驗的方法，在不能同時試驗時也可以采用分段交迭試驗?！叭A龍一號”電站采用ENERTECH執(zhí)行機構(gòu)。其安全功能和非安全功能分別由不同的電磁閥實現(xiàn)。同時，驅(qū)動這些電磁閥的DCS安全級的控制邏輯也是A、B列冗余設(shè)計，定期試驗采用分段交迭試驗方式。

為驗證閥門的安全功能，定期試驗在主控室盤臺上進行，試驗命令經(jīng)過DCS機柜的安全級控制邏輯下發(fā)到執(zhí)行機構(gòu)電磁閥上，電磁閥通電后帶動液壓執(zhí)行機構(gòu)，通過油路油壓變化來檢測試驗回路是否正常。試驗要求既能看到油壓變化，又不能真正驅(qū)動設(shè)備動作，因為電站正常運行期間主蒸汽隔離閥必須處于常開狀態(tài)，一旦關(guān)閉將引起保護系統(tǒng)動作直至停堆。除此之外，閥門上閥桿的性能也需定期試驗，檢驗方式是局部關(guān)閉閥門。因此，定期試驗功能包括下面兩個方面。

①局關(guān)試驗[9]。從主控室下發(fā)試驗命令，通過驅(qū)動液壓執(zhí)行機構(gòu)，使閥桿從100%開度關(guān)閥到90%位置觸發(fā)中間位置限位開關(guān)，然后再全開到100%，以檢驗閥桿動作性能。該試驗通過正常開和慢關(guān)回路的電磁閥來驅(qū)動閥桿動作。

②帶載試驗。即安全級電磁閥在線監(jiān)測試驗。閥桿不動作只檢查快關(guān)回路上的電磁閥，給安全級電磁閥通斷電，通過監(jiān)測油路上電磁閥前后的壓差變化來判斷電磁閥能否正常工作。該試驗也在主控室完成，既驗證了安全級回路的控制邏輯，又驗證了安全級油路上的電磁閥和分配閥的性能。

3 定期試驗功能設(shè)計

3.1 局關(guān)試驗設(shè)計

對于每臺主蒸汽隔離閥，局關(guān)對試驗由主控室畫面上的特定命令按鈕實現(xiàn)。逐個對閥門進行局關(guān)試驗。通過控制閥門開度，局部關(guān)小檢驗閥桿以及關(guān)閥回路上的電磁閥、分配閥。在試驗期間，當接到主蒸汽隔離保護信號時，閥門應(yīng)能在5 s內(nèi)快速關(guān)閉。

閥門局關(guān)試驗(即90%開度試驗)的試驗過程如下。

①氣動泵控制電磁閥201和 211失電，關(guān)閉啟動油泵的供氣。

②快關(guān)電磁閥 251 、261、271、281保持失電，使分配閥251、261、271、281保持關(guān)閉狀態(tài)。

③慢關(guān)電磁閥 221帶電，使閥門慢慢關(guān)閉。當限位開關(guān) TSM001 SM7 被觸發(fā)時，局關(guān)試驗信號被復位。然后，慢關(guān)電磁閥 221失電，閥門液壓缸的油停止泄漏，閥門停止關(guān)閉，氣動泵控制電磁閥 201和 211帶電，閥門液壓缸開始加壓，閥門重新開啟。

④試驗開始后，延遲一段時間(30 s)后，允許終止閥門的繼續(xù)關(guān)閉。這樣做是為了防止中間位置限位開關(guān)TSM 001 SM7失效造成閥門持續(xù)關(guān)閉。

局關(guān)試驗的邏輯功能圖如圖2所示。圖2中：電磁閥221為慢關(guān)電磁閥，電磁閥201/211為正常開啟電磁閥，XTSM001KC為主控室畫面局關(guān)試驗操作按鈕。

圖2 局關(guān)試驗的邏輯功能圖

3.2 帶載試驗設(shè)計

ENERTECH執(zhí)行機構(gòu)的快關(guān)由A、B兩列獨立的并聯(lián)的液壓回路實現(xiàn)，每列有兩個串聯(lián)的電磁閥。機組正常運行期間，電磁閥都不帶電。當這兩個電磁閥同時帶電，油路控制閥在打開的同時開始泄油，實現(xiàn)閥門快速關(guān)閉。

安全級電磁閥帶載試驗通過主控室的手動按鈕逐一進行，A、B列各有一個，可以單獨完成A列或者B列的帶載試驗，逐個驗證執(zhí)行快關(guān)功能的安全級電磁閥及分配閥的可用性。試驗過程中，主蒸汽隔離閥不動作。

以A列為例，在主控室按下試驗按鈕，電磁閥251帶電，分配閥251打開,電磁閥251所在油路壓力降低，壓力開關(guān)111動作，A列快關(guān)油路壓力增高，壓力開關(guān)101動作。試驗成功后，復位電磁閥251，電磁閥251失電，分配閥251關(guān)閉。在30 s內(nèi)，如果試驗未成功自動復位電磁閥251，電磁閥251失電，并送出試驗未成功狀態(tài)信息。

安全級電磁閥251帶載試驗完成30 s后，電磁閥261帶電。電磁閥261所在油路壓力降低，壓力開關(guān)121動作，A列快關(guān)油路壓力降低，101動作。試驗成功后，復位電磁閥261，261失電，壓力開關(guān)121恢復至正常狀態(tài)。30 s內(nèi)，如果試驗未成功，自動復位261使261失電，并送出試驗未成功狀態(tài)信息。

以A列為例，其帶載試驗的控制邏輯設(shè)計如圖3所示。

圖3 帶載試驗的邏輯功能圖

3.3 基于全廠DCS平臺的實現(xiàn)方案

綜合上述研究，本文設(shè)計了一套基于全廠DCS平臺的實現(xiàn)方案[10]。DCS平臺實施結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 DCS平臺實施結(jié)構(gòu)圖

主蒸汽隔離閥定期試驗在主控室電廠信息和控制系統(tǒng)進行，試驗信號由非安全級工作站發(fā)出，帶載試驗使快關(guān)回路電磁閥控制的分配閥依次動作。檢查主蒸汽隔離閥控制邏輯快關(guān)回路優(yōu)選模塊的輸出、相關(guān)設(shè)備的可運行性以及它們之間的電氣連接；局關(guān)試驗正常開閥和關(guān)閥電路的分配閥動作，閥桿落下至閥門行程的10%后再全部打開至100%，檢查閥桿的可運行性。相比于秦山二期等M310堆型，該試驗中涉及的邏輯功能試驗都由數(shù)字化控制系統(tǒng)自檢完成。

4 結(jié)束語

本方案已通過核電廠仿真驗證中心驗證平臺的仿真驗證，并且順利通過了DCS供貨商的設(shè)備出廠驗收調(diào)試，即將進行“華龍一號”機組現(xiàn)場調(diào)試。

該方案滿足安全系統(tǒng)定期試驗的法規(guī)標準要求，簡化了定期試驗相關(guān)設(shè)備和接口，降低了采購成本，縮短了周期，提高了試驗回路的可靠性，易于系統(tǒng)維護。

目前，國內(nèi)核電站主蒸汽隔離閥閥體已成功完成自主研發(fā)。“華龍一號”主蒸汽隔離閥定期試驗配套方案的研制成功推動了閥門執(zhí)行機構(gòu)的國產(chǎn)化，很快會應(yīng)用在未來的模塊化小堆、示范快堆以及更多的“華龍一號”堆型中。