电源切换试验时应急空压机无法正常启动的改造优化

管增福，张少凯

（中广核工程有限公司，广东 深圳 518000）

0 引 言

某核电机组采用ACPR1000技术路线，其核岛应急压缩空气生产系统（简称SAP系统）采用SH150A/C型无油螺杆式空气压缩机，设备质保等级为Q3，SH150A/C型空压机的特点是由电机驱动，属双级干螺杆型，是自成一体的无油空气压缩机[1]。其空压机电机主回路由380 V AC供电，控制回路供电由变压器将主电源380 V AC转换成110 V AC电源为电路中的接触器及继电器等部分供电，同时空压机INTELLISYS控制器需12 V DC供电，是由主电源变压后提供[2]。SAP系统的功能是在全厂主空压机系统无法维持仪用压缩空气正常工作压力时，紧急投入运行，为单台机组提供压力稳定的仪用压缩空气。每台核电机组配置两台100%容量的空气压缩机及相应的过滤器、干燥器、再生塔和储存罐等设备。

当全厂主空压机系统供气压力下降至设定值，不能满足下游用户需求时，核应急空压机系统将自动启动，启动顺序：先启动一台应急空压机，如果SAP系统压力仍无法满足设计和使用需要时，再启动第二台应急空压机。两台空压机的运行方式为一备一用，通过储气罐压力实现自动控制[3]。

1 电源切换试验简介

1.1 BAS试验简介

BAS试验全称为柴油发电机重新加载试验，目的是验证应急配电盘电源从电网切换到柴油发电机的动作顺序是否正确，同时检验负荷程序带卸载是否正确[4]。核电机组应急配电盘分为A和B两列，在电源切换试验期间，应急配电盘要在设计规定的失压时间内完成电源切换。在失压切换到柴油发电机后，柴油发电机要在设计规定的空载运行时间范围内进行负荷程序带载，以满足其连续运行的要求，并防止长时间空载运行损坏柴油机。柴油机带载负荷众多，SAP空压机就是其中的重要负荷之一。

1.2 试验过程简介

在执行柴油发电机重新加载试验时，分别在手动和自动模式下对电源切换开关进行操作，将电源由正常供电切至柴油机发电机供电后，柴油发电机执行负荷程序带卸载，在前20 s内应急空压机断路器处于分闸状态，20 s后应急空压机接收到DCS侧发出的启动指令，并在25 s内完成启动。在实际试验过程中，当DCS启动指令正常发送到空压机后，空压机出现未启动情况，其控制面板显示如图1所示的自检状态，而不是如图2所示的准备启动状态。控制器的状态错误直接导致BAS试验的不成功，加载失败制约关键路径外，对应急状态下核岛仪用压缩空气供应有很大的影响，甚至威胁机组运行安全。

图1 空压机自检画面

图2 空压机准备启动画面

2 故障原因分析及改造方案

2.1 原因分析

核应急空压机控制器共有5种模式，各模式下空压机状态如下文所述。

（1）准备启动模式：空压机无报警，接收到启动指令时马上启动。

（2）加载运行模式：空压机电机在运行，且空压机处于加载状态，可正常供气。

（3）卸载运行模式：空压机电机在运行，空压机处于卸载状态，不能正常供气。

（4）正在停机模式：空压机已接收到停机指令，正在走停机程序。

（5）惯性运行模式：空压机停机中，电机正在惰走，此时无法接收启动指令。

在电源切换试验中，出现空压机无法正常启动的情况后，应先对现场设备进行了全面检查，并依据设计设备文件逐项对空压机系统接线、参数设置及控制逻辑展开排查。建立模拟试验模型，在空压机处于运行状态情况下，瞬间断开上游电源后在1 s左右时间内再次快速合闸，使空压机经历得电-失电-得电的过程，20 s后DCS发出启动指令。发现此时空压机控制器处在自检状态，无法接收DCS指令。通过计时测量得到控制器自检需要67 s，在此时段空压机无法接收任何信号。在空压机停机惰转时，测得惰转时间为20 s左右，在此时段空压机同样无法接收任何信号。综合分析得出空压机无法启动的原因主要有以下两方面。

一方面，当空压机主回路380V DC电源断开后，空压机执行停机惯性运行，在20 s后完全停止惰转；主回路再重新上电后，控制器进入自检，在67 s后具备启动条件。以上两时间段空压机控制器均无法接收DCS发送的指令，即在67 s内空压机都无法启动。

另一方面，当控制器自检完成具备启动条件后，其收到上升沿启动指令，空压机即可正常启动。但在BAS试验电源切换20 s后DCS发出空压机启动指令，而空压机正在执行67 s自检，此时无法接收上升沿指令，指令将以电平1状态保持，即使控制器自检完成，空压机依然无法启动。各时间点空压机状态和BAS试验要求对比关系参见图3。

图3 各时间点空压机状态和BAS试验要求对比

2.2 改造方案及实施

（1）现场通过多种方式进行模拟试验，最终确定最有效的方法是保证电源切换试验期间空压机控制器不失电，避免67 s自检过程。具体改造方案如下文所述。

从不间断电源引一路电缆给空压机控制器供电，BAS试验期间不间断电源是不失电的，进而保障空压机控制器不失电。就地空压机控制柜SAP201/202AR电源由不间断电源提供，因此可通过控制柜引出该路改造电源。此改造既不影响空压机和SAP系统的运行逻辑和参数，又符合机组对核应急空压机的要求。改造后的部分电气原理如图4所示。

图4 空压机改造后电气原理图

（2）通过分析SAP控制逻辑图，结合模拟试验过程数据，在DCS侧增加延时可以保证控制器能在规定时间内接收到DCS指令。改造方案如下文所述。

BAS试验柴油机带载对空压机重新启动时间要求是（t0+20） s，20 s后允许SAP启动、且在（t0+25） s内启动完成。经过试验验证，采用在DCS侧空压机停机反馈信号上增加21.45 s后延时的方式。在空压机失电停运21.45 s后将停运反馈信号送至DCS，DCS接收到停运信号后发出启动指令，此时空压机已惰转完成，控制器能接收启动指令，具备带载启动条件。改造前后的部分逻辑如图5所示。

图5 改造前后空压机部分逻辑图

3 改进方案总结

经上述改造，执行柴油发电机重新加载试验，空压机实现正常启动，验证合格。解决空压机在BAS试验时未启动问题主要从两方面着手：（1）避免空压机控制器失电；（2）延长空压机停运至接收启动指令的时间间隔。

两方面的改进对空压机本体和SAP系统均不产生影响，改造均为实体改进，在保证了试验关键路径的同时也提高了核应急空压机对机组安全运行的保障。

改造后，各类供电工况下，空压机启停逻辑简表如表1所示。

表1 空压机启停逻辑简表

4 结 论

电源切换试验是核电机组的重要性能试验，在验证电源切换可靠性的同时也验证应急情况下下游负荷的带载功能是否正常。在众多CPR和ACPR核电机组中，核应急空压机生产系统（SAP）采用同类空压机系统和同型号设备。该问题的解决方案对同类机型有重要参考意义，给解决类似问题提供了一种行之有效的参考方案。该问题的源头是在控制器内部程序，但受制于控制器为国外供货，内部程序改造工期和成本的影响及改造效果均存在不确定性，因此该方案可作为首选。