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        秦山第二核電廠汽動輔助給水泵超速保護邏輯及系統(tǒng)維護

        2020-07-01 06:40:56
        儀器儀表用戶 2020年7期
        關(guān)鍵詞:螺線管控制柜給水泵

        劉 江

        (中核核電運行管理有限公司,浙江 海鹽 314300)

        0 引言

        汽動輔助給水系統(tǒng)(ASG)屬于核電廠的專設(shè)安全設(shè)施之一,在正常給水系統(tǒng)發(fā)生事故時,輔助給水系統(tǒng)啟動,用于導(dǎo)出堆芯余熱。該系統(tǒng)包含了兩臺電動輔助給水泵和兩臺汽動輔助給水泵。秦山第二核電廠使用的汽動輔助給水泵是CLYDE 生產(chǎn)的多級臥式離心泵,與汽輪機呈整體結(jié)構(gòu)形式,由主蒸汽系統(tǒng)提供汽源,汽動泵的運行特性是通過汽輪機蒸汽主氣門壓差調(diào)節(jié)器來調(diào)節(jié)的,使其以約8386rpm 的額定轉(zhuǎn)速運行。為了保證汽動泵的安全運行,防止飛車事故的發(fā)生,在其超速保護邏輯中,設(shè)置有機械超速脫扣和電超速脫扣兩種類型的保護措施。

        圖1 汽動泵超速保護裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of pneumatic pump overspeed protection device

        圖2 機械脫扣裝置原理Fig.2 Principle of mechanical trip device

        1 汽動泵超速保護簡介

        汽動泵超速保護根據(jù)不同的工作原理可分為兩種形式。如圖1 所示,其一,電超速脫扣保護,將轉(zhuǎn)速探頭測得的汽動泵實際轉(zhuǎn)速送入就地控制柜與轉(zhuǎn)速處理模塊中的設(shè)定值進行比較,當(dāng)超出定值時,脫扣電磁閥V5 帶電開啟,主汽門的蒸汽通過該電磁閥管線直接排放至乏汽出口,汽動泵停運。其二,機械脫扣保護,當(dāng)汽動泵轉(zhuǎn)速高于機械超速定值時,由位于泵軸上的脫扣螺栓被甩出,敲擊錐形閥動作,主汽門的蒸汽通過打開的錐形閥排往乏汽出口,汽動泵停運。

        由此看出上述兩種脫扣形式,雖是相互獨立的保護,但最終均是通過釋放主汽門活塞下部的蒸汽來實現(xiàn)汽動泵超速時的脫扣保護。

        2 超速保護的工作原理

        2.1 機械超速保護工作原理

        機械超速保護的設(shè)定值為9645rpm,即汽動泵額定轉(zhuǎn)速的115%,介于兩級電超速保護定值之間。當(dāng)汽輪機轉(zhuǎn)速達(dá)到設(shè)定值時,位于泵軸上的脫扣螺栓被甩出,敲擊位于中央水室中的觸發(fā)器,觸發(fā)器產(chǎn)生位移釋放脫扣桿,從而使錐形閥打開,主汽門壓力直接排往乏汽排出管線,使泵停運[2]。另外,也可通過敲擊手動停機按鈕,同樣可實現(xiàn)脫扣動作。

        機械超速保護的復(fù)位,可通過手動上提位于錐形閥位置的手動復(fù)位桿,復(fù)位觸發(fā)器并關(guān)閉錐形閥,主汽門蒸汽壓力重新推動汽輪機,汽動泵重新投運。另外,也可通過位于主控室或就地控制柜上的復(fù)位按鈕,使位于錐形閥下方的電動螺線管得電動作來復(fù)位錐形閥。

        2.2 電超速保護工作原理

        電超速保護系統(tǒng)的構(gòu)成及邏輯相對復(fù)雜,在電超保護中共設(shè)置兩級超速保護,分別是定值為9220rpm 的一級電超速(110%)和定值為10060rpm 的二級電超速(120%)。系統(tǒng)正常運行期間,一級電超速參與汽動泵的脫扣保護邏輯,二級電超速主要用于泵單體超速試驗,系統(tǒng)正常運行期間并不參與超速保護。兩個定值均通過就地控制柜中的TR400 模塊進行動作值設(shè)定,由該模塊內(nèi)部的繼電器單元對當(dāng)前轉(zhuǎn)速信號進行判定,當(dāng)實際轉(zhuǎn)速達(dá)到設(shè)定值時,觸發(fā)脫扣命令,通過就地控制柜內(nèi)的繼電器觸點動作使V5 脫扣電磁閥帶電,實現(xiàn)超速保護的目的。

        2.3 電超速保護設(shè)計邏輯

        電超速保護邏輯,根據(jù)其功能主要分為:自動脫扣邏輯、手動脫扣邏輯、復(fù)位邏輯、報警顯示4 個部分。

        如圖3 所示,轉(zhuǎn)速探頭將測得的頻率信號直接送到就地控制柜TR400 模塊,先進行一級電超速(110%)判斷,若滿足動作要求,則將動作信號輸出至V5 脫扣電磁閥;如一級電超速失效,則直接進入機械超速保護(115%)邏輯,當(dāng)上述兩個保護失效的情況下,則需人工進行干預(yù),進行手動脫扣。

        根據(jù)試驗需要或自動超速脫扣保護失效的情況,為避免設(shè)備損壞,在保護邏輯中應(yīng)用了手動脫扣設(shè)置。為方便對設(shè)備的有效控制,分別在就地控制柜、KPR 機柜及主控室設(shè)置有汽動泵脫扣按鈕。按下脫扣指令按鈕,就地V5 電磁閥帶電執(zhí)行脫扣命令,停運汽動泵。

        當(dāng)電超速保護動作后,就地控制柜上脫扣報警指示燈常亮及報警窗快閃,同時觸發(fā)主控室相應(yīng)的報警,提醒操作人員汽動泵脫扣。

        圖3 汽動泵電超速保護邏輯圖Fig.3 Pneumatic pump electric overspeed protection logic diagram

        圖4 汽動泵電超速保護復(fù)位邏輯圖Fig.4 Pneumatic pump electric overspeed protection reset logic diagra

        如圖4 所示,電超速脫扣指令的復(fù)位主要通過主控或就地控制柜復(fù)位按鈕控制。當(dāng)按下復(fù)位按鈕時,就地V5 電磁閥失電關(guān)閉,汽動泵重新投運。在此過程當(dāng)中,機械脫扣復(fù)位電動螺線管同時帶電,保證機械脫扣復(fù)位桿在正常狀態(tài)。

        3 超速保護系統(tǒng)的改進

        3.1 信號處理模塊的改進

        秦二廠1#/2#機組的汽動泵電超速邏輯采用的信號處理模塊為分體式結(jié)構(gòu),由DSP 多功能轉(zhuǎn)速開關(guān)和AP1000數(shù)字式測速計兩部分構(gòu)成。

        DSP 多功能轉(zhuǎn)速開關(guān)由控制柜內(nèi)部電源轉(zhuǎn)換模塊(110VDC 轉(zhuǎn)24VDC)供電。如圖5 所示,在對DSP 模塊進行設(shè)置或驗證時,需在TB2 的8、9 端子上連接頻率模擬信號源,通過R1、R2 調(diào)節(jié)器調(diào)整4mA ~20mA 輸出電流信號直至滿足精度要求;之后,需通過S1 開關(guān)切換來選擇需要進行定值設(shè)定的電超速通道,分別通過調(diào)節(jié)器R3、R4分別對一級/二級電超速定值進行調(diào)整,工作完成后,需將S1 切回至A 位置,該保護投入運行。

        如圖6 所示,AP1000 數(shù)字式測速計需單獨供電(24VDC),與DSP 模塊共用由轉(zhuǎn)速探頭輸出的頻率信號,轉(zhuǎn)換后用于當(dāng)前轉(zhuǎn)速的顯示。該模塊在制造廠已做校準(zhǔn),投入使用前,只需通過盤面上的按鈕軟鍵完成最大頻率(變量1)、最大頻率顯示單位(變量2)、顯示更新率(變量3)3 個參數(shù)的設(shè)定。

        秦二廠3#/4#機組選用TR400 型超速邏輯處理模塊來替代DSP 模塊和AP1000 顯示單元,如圖7 所示,TR400模塊面板上分為指示燈、數(shù)字顯示、編程按鍵3 個區(qū)域。首次使用或后續(xù)維護期間的參數(shù)檢查,均通過面板上的九宮格軟鍵進行。

        圖5 DSP多功能轉(zhuǎn)速開關(guān)接線圖Fig.5 DSP Multi-function speed switch wiring diagram

        圖6 AP1000數(shù)字式測速計示意圖Fig.6 Schematic diagram of AP1000 digital speedometer

        圖7 TR400面板圖Fig.7 TR400 panel diagram

        表1 TR400參數(shù)設(shè)置表Table 1 TR400 parameter setting table

        按“VAR 鍵”即進入編程模式,同時RPOG 燈亮提醒進入編程模式,通過“上”“下”“左”“右”箭頭按鍵選擇需要編輯或查看的參數(shù)代碼,之后按“ENTER 鍵”后進入?yún)?shù)修改界面。主要參數(shù)設(shè)置見表1,參數(shù)查看或修改完畢后,依次按“ENTER 鍵”“VAR 鍵”,退出編程模式并顯示初始狀態(tài)。

        通過上述兩種信號處理(顯示)模塊的設(shè)置及驗證步驟可以看出,TR400 模塊相比DSP 模塊具備以下優(yōu)點:

        1)操作簡單,參數(shù)設(shè)置及檢查更為快捷,降低了人因失誤風(fēng)險。

        2)在定值設(shè)定方式上,編程式相比機械式可靠性增大,基本零誤差,同時避免了機械式定值可能的高、低漂移問題。

        3.2 一級電超速閉鎖按鈕的改進

        1#/2#機組超速保護邏輯中的一級電超速閉鎖按鈕型號為:CR104PXF11,具備自保持功能,即按下觸點閉合(閉鎖),再次按壓觸點斷開(復(fù)位)。

        3#/4#機組一級電超速閉鎖按鈕選用CR104PBG92R3型瞬動按鈕,沒有自保持功能,即按下觸點導(dǎo)通(閉鎖),釋放按鈕觸點斷開(復(fù)位)。

        由于此按鈕狀態(tài)決定了一級電超速保護是否可用,在機組正常運行期間,按鈕必須處于斷開狀態(tài),否則一級電超速保護失效。因此,3#/4#機組按鈕的改進,有效避免了人因誤動或工作后遺忘復(fù)位所造成一級電超速不可用的風(fēng)險。

        4 電超速保護系統(tǒng)的維護

        為保證電超速保護系統(tǒng)的可靠性,在每個燃料循環(huán)周期內(nèi)都要進行超速通道及定值檢查的預(yù)防性檢修及汽動泵超速試驗,并在5 個燃料循環(huán)周期時,對轉(zhuǎn)速探頭本體進行校驗,通過上述手段有效保證了該系統(tǒng)的正常運行。

        在機組大修期間,從轉(zhuǎn)速探頭輸出端加模擬頻率信號進行電超速定值及通道的檢查,該項目主要進行以下驗證:

        ① TR400 中參數(shù)設(shè)置檢查。

        ② 一級、二級電超速定值的準(zhǔn)確性。

        ③ V5 脫扣電磁閥、機械復(fù)位電動螺線管動作可靠性。

        ④ 就地數(shù)顯及主控、KRP 位置的ID 指示儀正確性。

        ⑤ 脫扣相關(guān)報警和復(fù)位邏輯的準(zhǔn)確性。

        上述驗證已涵蓋除探頭本體外的所有檢查,也為后續(xù)運行人員執(zhí)行汽動泵超速定期試驗奠定基礎(chǔ)。

        汽動泵超速試驗是為了實際驗證ASG 汽動輔助給水泵110%電超速保護邏輯與執(zhí)行機構(gòu)動作的正確性,以及小流量管線運行的各項參數(shù)。因超速試驗對設(shè)備本體而言具有破壞性,所以為保證設(shè)備及工作人員的安全,儀控人員須按照運行規(guī)程臨時將一級超速定值修改為5000rpm 后方可進行試驗驗證。在確認(rèn)汽動輔助給水泵超速保護邏輯正確后,再將一級電超速定值恢復(fù)原設(shè)置。

        根據(jù)汽動泵運行維護手冊要求,每5 年需拆卸轉(zhuǎn)速探頭并送計量檢測單位進行校驗,結(jié)果合格方可回裝探頭,否則更換備件。通過這一手段預(yù)防探頭本體性能下降,以保證轉(zhuǎn)速測量數(shù)據(jù)的有效性。

        5 電超速保護系統(tǒng)故障及處理

        在歷年的汽動泵超速試驗期間,執(zhí)行汽動泵機械脫扣(敲擊手動停機按鈕)及復(fù)位邏輯功能的驗證中,多次發(fā)生在主控或就地按下手動復(fù)位按鈕后,機械復(fù)位電動螺線管無響應(yīng),機械脫扣無法正常復(fù)位的缺陷。

        圖8 機械脫扣復(fù)位示意圖Fig.8 Schematic diagram of mechanical trip reset

        圖9 二極管故障處理Fig.9 Diode fault handling

        通過機械脫扣復(fù)位回路分析,如圖8 綠線標(biāo)示,由于機械脫扣為手動觸發(fā),故串聯(lián)在脫扣復(fù)位回路中的R1 繼電器觸點不是可能的故障點,所以故障原因主要集中在繼電器R2 和TDR 以及串聯(lián)在復(fù)位線圈回路熔絲FU6(15A)上。首先,對柜內(nèi)繼電器安裝情況進行檢查,并未發(fā)現(xiàn)松動或損壞,但是15A 熔絲熔斷。經(jīng)更換后進行驗證,復(fù)位仍不能正常動作,且熔絲再次熔斷。

        熔絲多次熔斷說明存在過流現(xiàn)象,即在復(fù)位回路中存在短路情況,那么和復(fù)位電動螺線管并聯(lián)的二極管造成短路的可能性較大,經(jīng)拆下測試,二極管已擊穿,處于短路狀態(tài)。

        想分析清楚二極管擊穿原因,就需要判斷在這個回路中二極管所起的作用。在直流電路中的電動螺線管突然斷電時,為保持電流的方向不變,線圈將會產(chǎn)生一個自感應(yīng)電勢,為了防止感應(yīng)電勢損壞其他元器件,需在感應(yīng)線圈處并聯(lián)一個二極管,當(dāng)產(chǎn)生感應(yīng)電勢時,二極管導(dǎo)通,感應(yīng)電流將在電動螺線管和二極管形成的回路中流通,從而消耗掉感應(yīng)電勢,這種二極管稱作續(xù)流二極管[3]。

        續(xù)流二極管一般按照耐壓高于線圈電壓1.5 ~2 倍,電流大于線圈電流1.5 ~2 倍的原則選取,同時續(xù)流二極管可和電阻串聯(lián)構(gòu)成續(xù)流電路,實現(xiàn)降壓、限流的作用。

        根據(jù)電動螺線管額定電壓為120VDC(機柜電源實測電壓也為120VDC),額定電流10A 的情況,共使用兩種方案對故障二極管進行改造,如圖9 所示。

        目前使用的二極管為設(shè)備自帶,二極管型號:STTH5L06,反向耐壓600V,正向電流5A。

        1)使用3 個二極管并聯(lián)后,再串聯(lián)1 個100Ω 電阻。這樣電阻實現(xiàn)限流功能,3 個二級管實現(xiàn)分流功能。

        2)更換為IN4007 型二極管,該二極管電壓等級700V,最大電流30A。

        通過上述方法處理后,該回路再未出現(xiàn)熔絲熔斷和二極管擊穿的情況,故障完全消除。

        6 結(jié)論

        汽動輔助給水泵是安全相關(guān)的重要設(shè)備之一,而超速保護系統(tǒng)是保證設(shè)備安全的重要手段。本文通過超速保護邏輯原理的梳理、機組間改進對比及現(xiàn)場缺陷的分析處理等方面進行總結(jié),為系統(tǒng)維護提供一定的借鑒作用,有利于機組安全穩(wěn)定運行。

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