核电厂电动主给水泵系统转速异常波动浅析

孙明远，韩双

(中广核核电运营有限公司，广东深圳518124)

1 APA系统功能简介

1.1 功能

核电站电动主给水泵为离心泵[]，利用离心力工作，将能量传递给二回路给水，提供其动能及势能，构成二回路循环。

系统的主要功能包含两方面：

①将给水从除氧器中吸出，升温升压后通过高压加热系统送SG，在SG内完成一二回路间的换热，导出堆芯热量。

②在整个功率量程范围内响应系统的调速需求，消除单台蒸发器液位调节对其他蒸发器造成的耦合影响。

调速性能是APA系统的核心关注，它直接影响蒸汽发生器（SG）水位控制的稳定性，当APA系统调速发生异常时，SG的液位受其影响也将发生波动，一旦出现蒸发器液位超过/低于特定阈值将引起反应堆跳堆。

1.2 APA调速系统的组成

APA转速调节主要通过5个重要部分实现：勺管、主涡轮、次级涡轮，勺管位置控制单元，调速PLC，其功能如下：（图1）

①勺管：实现主次级涡轮的工作油环厚度调节。②主涡轮：输出电动机动能。③次级涡轮：通过工作油接收电动机动能，并输出到压力级泵。④勺管位置控制单元：接收调速PLC生成的勺管定值信号。⑤调速PLC：接收系统转速定值，经偏差运算后生成勺管定值。

图1 APA系统调速环节简图

1.3 调速原理

1.3.1 转速调节系统的几个重要参数

①汽水差压整定值。主蒸汽流量表征实时汽机功率水平，主蒸汽流量表测得的实时主蒸汽流量经GD函数换算后生成汽水差压整定值。

②汽水差压实测值。汽水差压由主给水流量调节系统(ARE)的差压传感器测得，取样点分别位于主蒸汽母管与主给水母管，差压值作为转速设定值生成控制器的负反馈环节。

③转速定值。汽水差整定值是随功率变化的拟合曲线,它与汽水差压实测值做偏差运算，经转速设定值生成控制器处理后生成APA转速定值。

④转速实测值。APA系统转速探头安装在液力耦合器输出轴上端，采集测速齿轮转速，经就地频率电流（F/I）转换模块处理后生成4-20mA标准信号，传输至调速PLC（SLC-500）的模拟量输入模块，作为转速闭环控制的负反馈环节。

⑤勺管位置定值。转速设定值与转速实测值做偏差运算，经调速PLC处理后生成勺管位置定值。

⑥勺管位置实测值。BALLUFF传感器作为液力耦合器勺管的位置测量单元，实时采集勺管位置，并将勺管位置处理后生成标准信号，送至勺管位置控制单元（VEHS）,作为控制单元的负反馈，参与控制变量的计算。

1.3.2 调节过程

主涡轮通过变速齿轮与APA电动机主轴机械连接，其动力通过两级涡轮间高速旋转的油环传递到次级涡轮，次级涡轮与APA压力级泵主轴机械连接，当两级涡轮内的油环厚度发生变化时，由主涡轮传递到次级涡轮的动能将发生变化,从而输出到压力级泵的转速将发生变化，勺管正是用来调节两级涡轮间油环厚度来控制输出转速的。

2 转速波动的几种故障模式

调节系统的特性决定了其控制对象不可能永远稳定在某一恒定水平，对于转速控制而言波动是正常现象，但这种波动应呈现规律且可控，其波幅及频率应不对机组稳定运行造成负面影响，一旦控制对象的波动呈现不可控状态，那么必须分析其成因，及时采取必要措施，下面列出几种可能情况：

波动产生的可能原因：

可能原因1：主蒸汽流量表故障，主蒸汽流量表故障后其生成的汽水差压整定值将产生偏差，进而使得APA转速定值出现波动，导致APA泵速度波动。

可能原因2：汽水差压传感器异常，为转速定值生成控制器的负反馈环节，原理同上。

可能原因3：BALLUFF传感器故障，BALLUFF传感器作为末级控制器(VEHS)的负反馈环节，参与勺管控位置控制。

可能原因4：转速手/自动控制切换的瞬间，未能实现无扰切换，勺管定值拟合曲线在该切换点上的拟合值与实际勺管位置不一致，手动控制时自动输出跟踪实际勺管位置，切自动瞬间两者之间的偏差引发转速波动。

可能原因5：“转速-勺管位置”曲线不平滑，个别区段曲线斜率较大，即，△v/△s（△v：转速增量；△s：勺管增量）过大，使得勺管控制在此区段抗干扰性能变差,微小扰动引入后控制过于灵敏出现震荡。

3 实际案列

转速控制在手动状态时，每次点击升降速按钮，勺管上升或者下降3.3%，相应的，两级涡轮内油环径向厚度也将变化3.3%，但其油耦合的传动方式以及涡轮的物理结构决定了对应3.3%的油环厚度变化其在不同工作点上所带来的转速变化不可能是恒定值，它的大小受制于主次级涡轮在不同转速点的传动效率、所带负荷以及其他机械方面的因素。

异常1：

案列中涉及的APA泵，当勺管在0-100%之间变化时，对应转速变化范围0-6000rpm，因此3.3%的勺管位置阶跃理论上将引起198rpm的转速阶跃，从历次启泵的经验来看其转速阶跃值大致在150-300rpm范围内。

本次启动APA泵时，从670rpm到3700rpm之间的每次点动升速操作其所对应的转速变化量也基本落在了150-300rpm之间（个别点稍有偏离），但在进行最后一步操作时，转速直接由3710升到4290rpm左右，其阶跃580rpm，因与预期不一致，故操纵员尝试将转速降到前一级平台（3700rpm）重新升速，第二次阶跃是590rpm左右，依旧远超预期，两次在3700rpm平台的点动升速操作其所对应的勺管变化均在3.3%左右，与理论值基本一致，但输出的转速阶跃均较前一级大为增加，故怀疑在此调速区间，转速相对于勺管的灵敏度过高。

异常2：

APA泵转速控制切自动后不久便现了转速波动现象，波幅110rpm左右，波动每次出现持续一段时间，自发消失，切手动后转速稳定。

波动的可能原因:

①转速设定值波动，可能性小：再鉴定期间定值为内部给定值，由操作员手动给出，不随汽水差压变化。

②设定值回路卡件异常，可能性小：其波动过程呈规律变化，间断性消失，且机组检修期间设定值通道校验未发现异常波动。

③特殊区间内转速调节的灵敏度过高，可能性大：存在转速切换点附近APA转速调节灵敏度过高的可能性,此时即使系统内引入的是瞬时扰动也会引发持续的转速震荡,举例说明如下：当瞬时扰动或者系统偶发的较大转速波动出现后，如在较稳定的调速区间内，则该波动在自动系统的调节下会呈现一过性特征，但在调速灵敏度很高的区间则勺管为了“纠偏”而产生的每一步调节其对应的转速变化都要比预期大很多，系统这时就会不断的出现“纠偏-超调-纠偏...”的现象，同时因为转速调节与勺管调节存在微小的非同步现象（且勺管响应略微滞后），所以当某一瞬间转速与勺管恰好波动到预期位置，则系统复归稳定状态，而后续再有扰动引入时，波动重复出现。其它泵组再鉴定期间的转速曲线显示其全程无转速波动，3700rpm以上平台升速无异常阶跃（阶跃在：320rpm左右），可以反证上述分析。