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★北京廣利核系統(tǒng)工程有限公司張國(guó)勝，王慶明

摘要：目前，CPR1000核電站應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)儀控系統(tǒng)大多由傳統(tǒng)繼電器和模擬設(shè)備搭建而成。隨著繼電器老化，系統(tǒng)故障率增高，同型號(hào)繼電器市場(chǎng)逐漸停產(chǎn)，面臨無(wú)備件可用的情況。繼電器搭建的系統(tǒng)一旦發(fā)生故障，事件無(wú)法記錄且不可追溯，對(duì)運(yùn)行維護(hù)造成很大的不便。

1   引言

核電站應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組作為6.6kV應(yīng)急母線的后備電源，為核電機(jī)組實(shí)現(xiàn)安全停堆功能所需的中低壓核輔助設(shè)備供電。

核電站應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)控制保護(hù)系統(tǒng)目前多采用傳統(tǒng)繼電器和模擬設(shè)備搭建，缺點(diǎn)是系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定、故障率較高、維護(hù)不方便，已嚴(yán)重影響到柴油機(jī)的可用性及核電安全參數(shù)指標(biāo)。本文分析某核電站應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)現(xiàn)狀，將基于廣利核的安全級(jí)儀控系統(tǒng)FirmSys平臺(tái)技術(shù)和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，使用先進(jìn)的數(shù)字化系統(tǒng)進(jìn)行整體替換，以提高系統(tǒng)可靠性，方便運(yùn)行和維護(hù)。

2   現(xiàn)狀分析

2.1 典型功能

核電站應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)控制保護(hù)系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)如下功能：

（1）1E級(jí)控制保護(hù)功能，包含應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)緊急運(yùn)行模式下的啟動(dòng)、運(yùn)行、停機(jī)和連鎖控制；

（2）NC級(jí)控制保護(hù)功能，包含輔助系統(tǒng)設(shè)備控制、定期試驗(yàn)啟停、常規(guī)跳閘及連鎖、報(bào)警及事故記錄；

（3）轉(zhuǎn)速控制功能，實(shí)現(xiàn)速度控制，并在轉(zhuǎn)速超過(guò)保護(hù)閾值后發(fā)出保護(hù)命令；

（4）發(fā)電機(jī)電壓勵(lì)磁調(diào)節(jié)功能，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)的電壓勵(lì)磁調(diào)節(jié)；

（5）電氣保護(hù)功能，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)電氣參數(shù)測(cè)量顯示、發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)與綜合故障。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)

應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)控制保護(hù)系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框架

2.3 實(shí)現(xiàn)方式

（1）繼電器柜，主要由瞬態(tài)繼電器、雙穩(wěn)態(tài)繼電器、時(shí)間繼電器組成，用于實(shí)現(xiàn)NC和1E控制保護(hù)邏輯功能；

（2）控制顯示盤，主要包含開關(guān)、按鈕、指示燈、報(bào)警光字牌及顯示儀表，用于實(shí)現(xiàn)參數(shù)顯示、報(bào)警和操作指令功能；

（3）速度調(diào)節(jié)柜，一部分由引擎控制器和超速保護(hù)盒組成，實(shí)現(xiàn)速度調(diào)節(jié)和保護(hù)輸出功能；一部分為事故記錄儀和打印機(jī)，實(shí)現(xiàn)報(bào)警記錄和打印功能；

（4）電壓勵(lì)磁調(diào)節(jié)柜，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)的電壓勵(lì)磁調(diào)節(jié)；

（5）電氣保護(hù)柜，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)電氣參數(shù)測(cè)量顯示、發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)與綜合故障報(bào)警功能。

3   改造原則及約束條件

3.1 改造的原則

因涉及在役機(jī)組的改造，改造實(shí)施需采用成熟可靠的產(chǎn)品，不能影響機(jī)組的正常運(yùn)行；不能降低原設(shè)備的安全性，要提高機(jī)組的可靠性和可用性，提供更好的人機(jī)操作界面，以方便維護(hù)，所以在項(xiàng)目改造中遵循了如下原則：

（1）安全性原則

數(shù)字化改造需采用成熟可靠技術(shù)，減少整個(gè)系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)，提高總體安全性。提供完善的權(quán)限管理手段，并考慮在極限負(fù)荷下的安全性，具備雪崩過(guò)濾處理能力，防止由于過(guò)多的、不可預(yù)知的事件序列發(fā)生而記錄大量的無(wú)用事件，進(jìn)而可能導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)性能顯著下降，嚴(yán)重影響操作員的正常信息獲取，干擾正常監(jiān)控。

（2）故障安全準(zhǔn)則

數(shù)字化系統(tǒng)中，單一設(shè)備的故障均不會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)性能缺失。開關(guān)量和模擬量輸出卡件具有帶電復(fù)位時(shí)輸出保持原則。

（3）可靠性和可用性原則

數(shù)字化系統(tǒng)在配置時(shí)，控制器、通信總線、網(wǎng)絡(luò)、電源等關(guān)鍵設(shè)備均需采用1：1全面冗余技術(shù)，保證系統(tǒng)的可靠穩(wěn)定運(yùn)行。采用高裕度設(shè)計(jì)和器件降額使用，提高系統(tǒng)硬件的固有可靠性和可用性。

3.2 改造約束條件

（1）在現(xiàn)有穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)上進(jìn)行系統(tǒng)的改造，原有操作方式不變、原有功能不變；

（2）改造后的現(xiàn)場(chǎng)布局不發(fā)生變化；

（3）現(xiàn)場(chǎng)電纜不改變、進(jìn)線方式不變；

（4）系統(tǒng)采用通用、成熟、經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的技術(shù)，原

則上不采用單獨(dú)開發(fā)的產(chǎn)品；

（5）根據(jù)機(jī)柜內(nèi)部接線，機(jī)柜重新布置。

4   改造預(yù)期效果

對(duì)比繼電保護(hù)系統(tǒng)和Firmsys數(shù)字化系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)，可預(yù)期改造后的效果，對(duì)比結(jié)論如表1所示。

表1 改造預(yù)期效果

主要是實(shí)現(xiàn)控制柴油機(jī)的正常啟動(dòng)、停機(jī)、運(yùn)行聯(lián)鎖及應(yīng)急啟動(dòng)、停機(jī)等功能；監(jiān)視機(jī)組進(jìn)排氣、壓縮空氣、滑油、燃油、冷卻水系統(tǒng)以及發(fā)電機(jī)熱工參數(shù)等，并輸出報(bào)警；同時(shí)采集電流、電壓、頻率、功率因數(shù)、有功功率、無(wú)功功率等信號(hào)。

5   數(shù)字化控制系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

5.1 系統(tǒng)架構(gòu)

EDG主控制器采用主備冗余CPU和單I/O結(jié)構(gòu)，主備冗余的控制器之間實(shí)現(xiàn)無(wú)擾切換，當(dāng)主處理器故障時(shí)可切換到備用處理器進(jìn)行控制，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

5.2 控制站功能實(shí)現(xiàn)

(1)信號(hào)處理與傳輸

采集來(lái)自于傳感器的模擬量信號(hào)和幵關(guān)量，模擬量信號(hào)采集后需要經(jīng)過(guò)調(diào)理分配板卡將不同類型的信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的4~20mA信號(hào)(強(qiáng)電信號(hào)需先經(jīng)過(guò)變送器轉(zhuǎn)換后進(jìn)入調(diào)理分配板卡)，幵關(guān)量信號(hào)通過(guò)隔離分配模塊進(jìn)行隔離和分配，然后由1/。傳遞給主處理器，幵關(guān)量信號(hào)輸出，經(jīng)過(guò)處理后直接發(fā)出設(shè)備驅(qū)動(dòng)指令，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)；發(fā)出報(bào)警信號(hào)，進(jìn)行指示和報(bào)警。

(2)數(shù)據(jù)處理

主處理器模塊對(duì)來(lái)自不同工藝系統(tǒng)的控制信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。如機(jī)組控制所需的閾值運(yùn)算，保護(hù)或其他控制功能的2/3邏輯運(yùn)算，就地/遠(yuǎn)控、運(yùn)行/維護(hù)、額速/怠速、手動(dòng)/自動(dòng)轉(zhuǎn)換的邏輯實(shí)現(xiàn)，其他符合邏輯運(yùn)算，及各智能板卡狀態(tài)監(jiān)視、門幵報(bào)警監(jiān)視等。邏輯處理算法根據(jù)LD/AD的功能來(lái)實(shí)現(xiàn)。

(3)性能參數(shù)

運(yùn)行周期可在10~200ms范圍內(nèi)進(jìn)行設(shè)定；模擬量輸入采集精度、CPU負(fù)荷、1/。裕量、內(nèi)存裕量可充分滿足現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

(4)通信

將需要記錄和指示的信號(hào)通過(guò)通訊方式傳給觸摸屏。

5.3 故障診斷功能

數(shù)字化控制系統(tǒng)的自診斷功能是發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)故障的一個(gè)重要手段，它能保證安全級(jí)功能的正常執(zhí)行。系統(tǒng)提供足夠的自診斷功能來(lái)快速發(fā)現(xiàn)故障，探測(cè)到不正常時(shí)進(jìn)行指示報(bào)警，同時(shí)不正常數(shù)據(jù)不能參與保護(hù)指令的運(yùn)算。

(1)系統(tǒng)內(nèi)所有智能板卡或模塊都要求具備自診斷功能，模塊上提供電源、運(yùn)行、故障、通信狀態(tài)以及故障碼等報(bào)警和顯示信號(hào)，便于發(fā)現(xiàn)和解決問(wèn)題。

(2)主處理器模塊、通信模塊、總線模塊和I/O模塊通過(guò)異常處理程序來(lái)監(jiān)視處理器中執(zhí)行過(guò)程的各種異常情況，異常處理程序?qū)Ψ穷A(yù)期的情況做出響應(yīng)，然后顯示故障狀態(tài)并向外部輸出故障信號(hào)，最后停止運(yùn)行。如果異常處理程序失效，就由看門狗觸發(fā)動(dòng)作，直接顯示故障狀態(tài)并向外輸出故障信號(hào)。

(3)所有模塊的故障信號(hào)除了模塊本身的故障狀態(tài)顯示外，還通過(guò)總線傳至主處理器模塊，經(jīng)主處理器模塊判斷后送到主控室顯示。

5.4 操作、顯示功能

操作顯示功能由廣利核自主研發(fā)的產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)，產(chǎn)品的顯示屏為19寸觸摸屏，觸摸屏可實(shí)現(xiàn)報(bào)警顯示、日志、歷史趨勢(shì)、操作功能等，鑲嵌在安全級(jí)的柜門上。考慮到緊急操作要求，部分操作使用硬幵關(guān)操作；事件記錄功能主要是對(duì)模擬量參數(shù)和重要幵關(guān)量信號(hào)進(jìn)行顯示和記錄，此功能由19寸觸摸屏實(shí)現(xiàn)，且可接收全廠時(shí)鐘系統(tǒng)授時(shí)。如圖3所示。

圖3趨勢(shì)畫面示例

5.5 系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)

數(shù)字化控制系統(tǒng)可通過(guò)報(bào)警指示燈實(shí)現(xiàn)故障的定位和排除，安全系統(tǒng)支持在線設(shè)備維護(hù)與更換，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，維護(hù)工作應(yīng)該按照運(yùn)行維護(hù)手冊(cè)程序進(jìn)行設(shè)備的更換。

6   結(jié)論

本工作完成了應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀分析，制定了基于北京廣利核系統(tǒng)工程有限公司Firmsys平臺(tái)產(chǎn)品數(shù)字化控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案，此方案已在大亞灣新增柴油機(jī)和惠州柴油機(jī)項(xiàng)目實(shí)際供貨應(yīng)用，可以解決目前應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)備故障率高，事件不能記錄、不可追溯，運(yùn)行維護(hù)不便等問(wèn)題，從而提高應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)的可用性、可靠性，保障核電站安全穩(wěn)定的運(yùn)行。

作者簡(jiǎn)介：

張國(guó)勝(1983-)，男，山東濟(jì)南人，工程師，學(xué)士，現(xiàn)就職于北京廣利核系統(tǒng)工程有限公司，主要從事核電站安全級(jí)DCS改造等工作。

王慶明(1982-)，男，山東德州人，工程師，學(xué)士，現(xiàn)就職于北京廣利核系統(tǒng)工程有限公司，主要從事核電站安全級(jí)DCS改造等工作。

參考文獻(xiàn)：

[1]王常力，羅安.分布式控制系統(tǒng)(DCS)設(shè)計(jì)與應(yīng)用實(shí)例[M].北京：電子工業(yè)出版社,2004.

[2]廣東核電培訓(xùn)中心.900MW壓水堆核電站系統(tǒng)與設(shè)備[M].北京:原子能出版社,2004.

摘自《自動(dòng)化博覽》2022年第三期