郭鴻培，王東陽，傅建軍，李占華，王洪杰

(江蘇核電有限公司，江蘇 連云港 222000)

0 引言

電廠循環(huán)水泵(簡稱“循泵”)主要用于向常規(guī)島凝汽器提供冷卻汽輪機做功后乏汽所需的冷卻水，保證機組正常的熱力循環(huán)。由于某核電廠所處位置在不同季節(jié)循環(huán)水溫度變化大，故機組同樣在額定功率下運行，冬季機組所需循環(huán)水流量只需循泵定速運行(夏季工況)時的60%左右，循泵定速運行顯然不滿足機組工藝系統(tǒng)的運行要求，帶來冬季大量不必要的電能消耗，造成常規(guī)島凝結水過冷、凝結水溶解氧含量超標以及由此帶來的設備腐蝕等一系列問題，為解決上述問題，某核電廠循泵在國內(nèi)由于首次嘗試采用了變頻技術及相應的“變頻器+旁路”配置，因此循泵有“變頻運行”和“工頻運行”兩種運行模式。變頻器無故障時，循泵采用變頻運行方式，通過調整變頻器的輸出頻率、輸出電壓的大小及角度，來控制電機的轉速；變頻器故障時采用工頻運行方式，通過變頻器旁路斷路器工頻帶載運行。

1 循泵系統(tǒng)概況

1.1 循環(huán)水系統(tǒng)

核電廠單臺汽輪發(fā)電機組配置兩臺循環(huán)水泵，兩臺循泵出口不設置聯(lián)絡管/閥，向常規(guī)島三臺凝汽器A、B側各供應50%的水量，凝汽器進、出口管道各自設置了電動閥。每臺凝汽器循環(huán)水入口閥前的供水母管通過電動蝶閥與輔助冷卻水系統(tǒng)供水母管相連，輔助冷卻水系統(tǒng)向常規(guī)島閉式冷卻水系統(tǒng)的板式熱交換器和凝汽器汽側真空泵板式熱交換器提供冷卻水，將閉式冷卻水系統(tǒng)中各個用戶和真空泵設備的散熱量帶走，輔助冷卻水系統(tǒng)的最終排水通過手動蝶閥與凝汽器循環(huán)水出口蝶閥后的母管相連并排入外海，循環(huán)水系統(tǒng)流程圖如圖1所示。

圖1 循環(huán)水系統(tǒng)流程圖Fig.1 Flow diagram of circulating water system

1.2 潤滑油系統(tǒng)

潤滑油系統(tǒng)分高壓油和低壓油系統(tǒng)，如圖1所示，低壓供油系統(tǒng)由機械油泵、一臺大電動輔助油泵及一臺小電動輔助油泵給循泵齒輪箱提供低壓油。正常運行時，主要是由齒輪箱驅動的機械油泵進行供油，當循泵處于變頻運行模式時的低頻運行工況時，機械油泵運行無法滿足潤滑油系統(tǒng)油壓時，小電動輔助油泵根據(jù)設定啟動壓力自動聯(lián)鎖啟動，當潤滑油系統(tǒng)壓力達到系統(tǒng)停運整定壓力時自動停運。當循泵在啟動、停機或事故工況時，由大電動輔助油泵自動啟動參與供油。

循環(huán)水泵電動機啟動運轉前，由于水泵轉子的重力作用，使推力瓦的動、靜瓦塊間的間隙很小，無法建立正常油膜，故在循環(huán)水泵啟動和停運狀態(tài)下，設計有高壓油系統(tǒng)，即在電動輔助油泵啟動后供油壓力達到一定壓力后，再由高壓油泵運行向推力瓦的動、靜瓦塊間注入高壓油，將轉子托起10絲(0.1 mm)左右高度，此時電動機啟動，便能及時在推力瓦的動靜瓦塊間形成油膜，從而保障齒輪箱的正常運轉。正常運轉時因其推力瓦的動、靜瓦塊間的油膜已穩(wěn)定形成，高壓油系統(tǒng)即可退出。同樣，在齒輪箱退出運行惰走時，高壓系統(tǒng)的作用也是如此，只有在轉子停穩(wěn)后，高壓系統(tǒng)才允許退出運行。

1.3 循泵變頻系統(tǒng)

循環(huán)水泵采用變頻技術，通過“變頻器+旁路”配置控制循泵電動機，系統(tǒng)電壓等級為6.6 kV，高壓變頻器型號為TMEIC MVG2，采用無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)，容量為7 400 kVA，循泵電動機功率為5 800 kW。變頻系統(tǒng)配套三臺高壓斷路器，具體如圖2所示，外部電源開關QF1正常運行時一直處于閉合狀態(tài)，當變頻運行時，斷路器QF2和QF3閉合，斷路器QF4打開；工頻旁路運行時，斷路器QF2和QF3打開，QF4閉合。為保證循泵變頻器正常工作，在變頻器廠房內(nèi)專門安裝有保證房間溫度的空調系統(tǒng)，維持該空間內(nèi)的溫度、濕度在要求范圍內(nèi)。

圖2 循泵變頻系統(tǒng)圖Fig.2 Circulating pump frequency conversion system diagram

1.4 運行經(jīng)濟性

根據(jù)原設計，循泵變頻運行工況下，循環(huán)水溫度控制循泵運行頻率，循環(huán)水水溫低于8 ℃時循泵采用32.8 Hz低頻運行；循環(huán)水水溫在8～14 ℃時循泵保持在40 Hz中頻運行；循環(huán)水水溫大于14 ℃時循泵50 Hz工頻運行，不同海水溫度下實測的循泵運行參數(shù)如表1所示。

表1 不同海水溫度下循泵運行參數(shù)Table 1 Operating parameters of circulating pumps under different seawater temperatures

由于循泵變頻運行所消耗的電功率與循泵轉速的立方成正比，冬季海水溫度低，通過降低循泵供電電源頻率，可節(jié)省大量廠用電，但夏季海水溫度高時，變頻器以50 Hz運行，不再具備經(jīng)濟性，根據(jù)現(xiàn)場設備運行實測，每臺變頻器自身損耗功率為228 kW，同時伴隨每臺變頻器運行通風冷卻系統(tǒng)功率為117 kW，即變頻運行模式下比旁路運行多損耗廠用電約為345 kW。為實現(xiàn)循泵運行經(jīng)濟最優(yōu)化，應在海水溫度低于14 ℃時采用變頻運行模式，在海水溫度高于14 ℃時，采用工頻旁路運行模式。

2 存在的問題及處理

某核電機組未設計備用循泵，一旦在功率運行期間循泵停運將直接導致機組被迫大幅度降負荷運行。調試過程中，遇到了各種邏輯設計不合理、設備不滿足設計要求的問題，影響循泵穩(wěn)定運行，因此需要進行邏輯優(yōu)化與設計改進。相關問題匯總如表2所示。

表2 問題匯總表Table 2 Question summary table

2.1 控制邏輯優(yōu)化

2.1.1 變頻模式下停運邏輯設計不合理

某核電機組變頻/工頻運行模式系統(tǒng)圖如圖2所示，變頻運行模式時變頻器進線開關QF2及出線開關QF3在工作位合閘，QF4在工作位分閘；工頻運行模式時，變頻器進線開關QF2及出線開關QF3在工作位分閘，旁路開關QF4在工作位合閘。循泵在變頻模式下原設計的停運邏輯如圖3所示：DCS發(fā)出泵停運指令后，首先發(fā)出變頻器停運信號，DCS在接收到變頻器進、出線開關QF2、QF3分閘的反饋后，變頻器脫離變頻運行模式，才發(fā)出最終停泵指令，斷開上游6 kV開關QF1。

圖3 循泵變頻運行時原停運邏輯簡圖Fig.3 The original shutdown logic diagram during the frequency conversion of the circulating pump

在某核電機組調試期間，發(fā)現(xiàn)原DCS邏輯中未設計斷開或合閘變頻器進線斷路器QF2及出線斷路器QF3的控制邏輯，變頻器正常停運時變頻器內(nèi)部PLC也無斷路器QF2、QF3自動分閘設計，變頻器內(nèi)部PLC邏輯中只有出現(xiàn)變頻器重故障才會跳開QF2斷路器，導致DCS無法下發(fā)斷開上游6 kV開關QF1的指令，循泵在變頻模式無法實現(xiàn)停運。經(jīng)過分析循泵變頻器設計邏輯，以及變頻模式下的啟、停運行方式，進行了邏輯優(yōu)化：循泵在停運時會由就地送出“變頻器停運信號”至DCS，變頻器停運后，DCS根據(jù)變頻器停運信號(運行信號變?yōu)椤?”)斷開上游6 kV開關QF1；若變頻器停運失敗，則延時1 s斷開上游6 kV開關，保證循泵能夠正常停運；同時循泵變頻運行過程中如斷路器QF2、QF3意外分閘，變頻器沒有處于變頻運行狀態(tài)，在DCS發(fā)出停泵指令后則無需延時直接停泵。通過邏輯優(yōu)化，解決了循泵變頻運行模式變頻器停運后無法斷開上游母線開關的問題，循泵在變頻模式下運行可靠性得到提升，優(yōu)化后的邏輯如圖4所示。

圖4 循泵變頻運行時改進后停運邏輯簡圖Fig.4 The improved shutdown logic diagram during during the frequency conversion of the circulating pump

2.1.2 循泵變頻溫度控制邏輯優(yōu)化

某核電機組循泵變頻模式運行時，頻率設定原邏輯設計為采用海水泵房前池溫度進行變頻控制，由于前池深度深、溫度計支架的安裝和溫度計后續(xù)的運行維護將非常困難，并且在常規(guī)島內(nèi)凝汽器入口循環(huán)水管道上設置有多組溫度計，能夠有效測量海水溫度，因此在設計階段取消海水泵房前池溫度計的使用，改為每臺凝汽器(共三臺)入口電動閥后循環(huán)水入口溫度進行頻率設定值控制，改進前、后的邏輯簡圖見圖5和圖6。

圖5 循泵變頻模式頻率設定原邏輯設計Fig.5 The original logic of frequency setting of circulating pump in frequency conversion mode

圖6 循泵變頻模式頻率設定改進邏輯設計Fig.6 The improved logic of frequency setting of circulating pump in frequency conversion mode

同時由于原變頻控制模式下，運行人員無法手動選取頻率設定值，因此通過邏輯優(yōu)化改造增加運行人員手動設定頻率值的功能，并且為防止運行人員在修改頻率設定值時出現(xiàn)錯誤輸入頻率信號而導致設定值超出循泵正常工作頻率范圍32.8～50 Hz，造成設備損壞或引起機組功率大幅度波動。在變頻運行模式手動頻率設置邏輯設計過程中，增加了限制頻率輸出范圍的邏輯組態(tài)，通過邏輯限制運行人員手動設置頻率只能在32.8～50 Hz范圍內(nèi)，有效消除了可能出現(xiàn)的人因失誤。

2.1.3 高壓油泵停止邏輯優(yōu)化

某核電機組變頻模式啟動循泵后，由于循泵上游母線斷路器QF1合閘信號代表循泵已運行，而高壓油泵會在QF1合閘5 min后自動停運，由于變頻運行模式啟動時限流，加載時間長，該階段轉速上升慢導致循泵轉速低，該工況下循泵無法自動建立油膜，5 min后直接停運高壓油泵會有泵軸磨損的風險。因此將循泵變頻、工頻模式下停運高壓油泵的邏輯進行區(qū)分：循泵變頻模式運行時，在循泵啟動后其變頻器輸出頻率大于30 Hz條件開始計時，此時循泵轉速已足夠建立油膜，5 min后停運高壓油泵無泵軸磨損的風險。相關邏輯優(yōu)化如圖7所示。

圖7 循泵啟動后停運高壓油泵邏輯示意圖Fig.7 Logic diagram for stopping the high-pressure oil pump after starting the circulating pump

2.1.4 虹吸破壞閥停運循泵控制邏輯修改

某核電機組每臺機組的虹吸破壞裝置由設置在凝汽器進、出口水室兩側頂部的兩組虹吸破壞閥組成，當循泵停運時，虹吸破壞閥打開，允許一定量的空氣進入；當系統(tǒng)重新啟動時，水室頂部空氣會抑制循泵的正常啟動，需要將管路及水室中的空氣排空。以A列虹吸破壞閥(一組為CRF601/603/605VC、一組為CRF602/604/606VC)為例，工藝上要求循泵啟動7 min內(nèi)，A列任意一個虹吸破壞閥未全關都會停運循泵，但在調試過程中發(fā)現(xiàn)原控制邏輯設計存在問題，如果CRF601/603/605VC全關，將導致CRF602/604/606VC中即使有閥門未關閉也不會跳泵，會嚴重影響循泵的穩(wěn)定運行，據(jù)此進行了邏輯修改，如圖8所示。邏輯變更后實現(xiàn)了循泵啟動7 min內(nèi)，對應系列的任意一個虹吸破壞閥未關自動停運循泵的功能。

圖8 虹吸破壞閥邏輯示意圖Fig.8 Diagram of siphon breaker valve

2.1.5 考慮循泵變頻與工頻模式的區(qū)別，循泵停運10 min信號修改

為區(qū)分循泵變頻運行與工頻運行模式，循泵停運信號在工頻模式時取自6 kV開關QF1斷開的反饋信號、變頻時則為變頻器運行信號取非；由于QF1斷開的反饋信號用于啟動電動輔助油泵和凝汽器虹吸破壞閥開啟的邏輯，比較重要，增加變頻方式邏輯防止變頻器故障停運后未連鎖斷開6 kV開關，導致輔助油泵不能及時啟動與虹吸破壞閥不能及時開啟。

2.2 設定值修改

2.2.1 大電動輔助油泵頻繁啟停

某核電機組單臺機組設計兩臺大電動輔助油泵CGR003PO/004PO，分別對應一臺循泵，用于在循泵啟動、停止或事故工況下參與供油。在循泵齒輪箱調試過程中發(fā)現(xiàn)，循泵“啟動請求”信號發(fā)出后會保持120 s，該信號會自動啟動大電動輔助油泵，同時由于循泵剛啟動時的油溫比較低，油的黏度較大導致啟動過程中潤滑油壓超過0.28 MPa，在邏輯設計上，潤滑油壓高于0.28 MPa將延時20 s產(chǎn)生大電動輔助油泵自動停運信號，而油泵停運后，由于油壓降低，且此時循泵“啟動請求”信號由于仍然在120 s時間內(nèi)的有效狀態(tài)，導致大輔助油泵自動停運后又重新啟動，每隔20 s該油泵就啟/停一次。而大輔助油泵的頻繁啟停增加了設備損壞的風險，通過對多次調試試驗數(shù)據(jù)進行分析，油泵啟動初期大約120 s左右油壓會恢復正常，因此進行了邏輯優(yōu)化，將原油壓高于0.28 MPa停運輔助油泵的時間由20 s改為120 s，以避免油泵啟動初期由于油溫比較低導致油壓超過0.28 MPa的頻繁啟停。

2.2.2 小電動輔助油泵頻繁啟停

為了滿足循泵變頻運行模式下潤滑油的供給，某核電機組單臺機組在設計上每列新增加了一臺小電動輔助油泵CGR009PO/CGR010PO，用于在循泵正常運行過程中，當機械油泵無法滿足潤滑油系統(tǒng)油壓時自動啟動，當潤滑油系統(tǒng)壓力達到系統(tǒng)整定壓力時自動停止，原設計邏輯為小電動輔助油泵在潤滑油油壓低于0.19 MPa時自動啟動，潤滑油壓大于0.25 MPa時自動停止。在調試過程中發(fā)現(xiàn)，小電動輔助油泵在自動停止后，油壓會下降至0.19 MPa以下，此時由于自動啟動定制為0.19 MPa，會造成小電動輔助油泵頻繁自動啟停，存在設備損壞的風險。因此需要進行啟動定值優(yōu)化，通過對多次調試數(shù)據(jù)進行分析，小電動輔助油泵自動停運后，油壓在0.18～0.19 MPa范圍內(nèi)，據(jù)此進行了定值修改，將小電動輔助油泵自動啟動定值修改為0.18 MPa，自動停運定值修改為0.26 MPa，解決了由于定值設置不合理導致的設備頻繁啟停問題。

2.2.3 循泵潤滑油溫設定

循泵配套的潤滑油系統(tǒng)中，齒輪箱油箱中的潤滑油油溫在循泵啟動前主要靠自身配置的電加熱器維持，該電加熱器由溫控器PLC控制，可在線設置電加熱器啟動投運及停運溫度，原設計電加熱器自動投運定值為18 ℃，自動停運定值為25 ℃，這與油泵啟動允許條件需高于36 ℃相矛盾。同時調試人員發(fā)現(xiàn)潤滑油溫對油壓的影響極大，為保證循泵啟動前供油油溫及壓力的穩(wěn)定性，同時滿足循泵的高壓油泵啟動時對油溫的需求，結合同行經(jīng)驗，將該定值由36 ℃改為22 ℃，同時將齒輪箱電加熱器的自動投運定值為25 ℃，自動停運定值為30 ℃，保證了系統(tǒng)控制的一致性。

2.2.4 循泵電機下軸承冷卻水流量定值

循泵下軸承冷卻水流量原設計要求流量為2 t/h，而現(xiàn)場實測僅為1.5 t/h，但循泵在該冷卻水流量下運行時，對應軸承溫度未見異常，經(jīng)與設備廠家及設計院協(xié)商，將該定值改為1.5 t/h。

2.2.5 循泵密封水壓力低定值

循泵密封水壓力低原定值為0.28 MPa，由于密封水源位于管道供水的末端，且其供水壓力容易受供水用戶的影響，壓力變化大，同時考慮循泵工頻運行時最高壓力為0.15 MPa，統(tǒng)籌考慮后將壓力開關定值降低到0.22 MPa。

2.3 設備安裝問題

2.3.1 兩臺機組設備鏡像安裝所引發(fā)的問題

(1)凝汽器真空下降慢

某核電機組首次進行凝汽器抽真空時，A列循泵CRF001PO保持運行過程中，A列凝汽器抽真空出口電動閥CVI001VA閥門關閉，當真空到20 kPa后凝汽器壓力下降速度減慢，無法下降至工藝要求的真空度，根據(jù)工藝情況初步判斷可能是閥門安裝存在問題。為了驗證這個問題，現(xiàn)場將B列CVI002VA閥門關閉后壓力下降速度明顯增加。經(jīng)現(xiàn)場查看后確認A列CVI001VA閥門對應凝汽器A列水室，而CVI002VA對應凝汽器B列水室，現(xiàn)場實際安裝與設計流程圖及安裝圖一致，據(jù)此判定為邏輯設計與現(xiàn)場安裝相反導致A列循泵運行時凝汽器真空下降緩慢，通過邏輯優(yōu)化將真空閥控制邏輯修改為與現(xiàn)場安裝一致，凝汽器真空下降速度慢的問題得到了解決。

(2)虹吸破壞閥安裝問題

某核電廠5、6號機在設計上循泵的布置為鏡像關系，而常規(guī)島設備的安裝和設計兩臺機組是一致的，因此某核電廠5、6號機循泵與常規(guī)島內(nèi)相關設備對應關系是相反的。在某核電廠6號機調試過程中，發(fā)現(xiàn)了循泵虹吸破壞閥安裝出現(xiàn)問題，由于5、6號機循泵控制邏輯設計是一致的，A列循泵CRF001PO對應A列虹吸破壞閥CRF601～606VC，B列CRF002PO對應B列虹吸破壞閥CRF607～612VC，而由于機組循泵與凝汽器水室對應關系相反，因此虹吸破壞閥與凝汽器水室對應關系應該是相反的，但實際發(fā)現(xiàn)6號機虹吸破壞閥就地安裝布置與5號機一致，如此安裝將導致虹吸破壞閥動作錯誤。同時A/B列循泵與A/B列虹吸破壞閥控制信號在DCS側分別設計在同一個機柜(控制站)內(nèi)，因此現(xiàn)場修改了實際的安裝布置，解決了由于機組設計上鏡像布置導致的A/B列循泵與虹吸破壞閥不對應問題。

(3)設計流程圖與安裝圖不一致

某核電機組循環(huán)水泵與凝汽器、輔助冷卻水系統(tǒng)、凝汽器抽真空系統(tǒng)、出口閘板對應關系原設計流程圖為(以機組為例)1號循環(huán)水泵1CRF001PO對應輔助冷卻水進水電動蝶閥1SEN002VC、凝汽器抽真空出口電動閥1CVI002VA，2號循環(huán)水泵1CRF002PO對應輔助冷卻水進水電動蝶閥1SEN001VC、凝汽器抽真空出口電動閥1CVI001VA，而在現(xiàn)場安裝過程中發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場啟動1號循泵1CRF001PO后，1SEN001VC前排氣閥打開后有水流出，而本應與之對應的1SEN002VC則無此現(xiàn)象，經(jīng)現(xiàn)場檢查判定為設計文件與安裝圖不一致導致，導致現(xiàn)場安裝與設計文件相反，由于在設計邏輯上循泵停運后有自動關對應閥門的邏輯，為了減少現(xiàn)場的工作量，進行了邏輯優(yōu)化，修改了輔助冷卻水進水電動蝶閥1SEN001/002VC的邏輯，使邏輯與現(xiàn)場設備安裝情況一致，避免了由于設備實際安裝與設計圖不一致導致的運行問題。

2.3.2 一臺機組兩臺循泵的控制油泵控制柜安裝問題

一臺機組兩臺循泵的電動輔助油泵按設計在PX泵房電氣間安裝有就地控制柜CGR001CR，分別可以控制兩臺循泵的四臺輔助油泵CGR003/004/009/010PO運行和停止，同時在該配電間每臺油泵的配電柜上又設置有啟、停按鈕，某種意義上說屬于設計重復，失去了實際意義。通常情況下，應該每臺循泵配置一個控制箱于循泵所在的廠房內(nèi)，方便就地對每臺循泵的兩臺輔助油泵進行控制。后經(jīng)設計院同意，取消了該控制柜。

3 總結

循泵變頻技術的首次應用，通過調試人員深入分析研究變頻循泵的設計邏輯和工藝，進行了一系列邏輯優(yōu)化和設計改進，增加了變頻循泵運行的穩(wěn)定性和可靠性，保證了機組運行的安全穩(wěn)定，某核電機組分別于2020年、2021年投入商業(yè)運行，在實際使用過程中能夠準確地根據(jù)季節(jié)變化進而循環(huán)水溫度發(fā)生變化觸發(fā)循泵變頻器切換頻率以調整循泵轉速，很好地解決了機組冬季凝結水過冷、機組降負荷時汽輪機的振動問題。同時相關邏輯定值的優(yōu)化、設備安裝經(jīng)驗及變頻循泵技術對后續(xù)國內(nèi)新建核電機組和已建核電機組的優(yōu)化改造均有著重要的參考意義，應用前景十分廣闊。