ALSTOM汽機控制系統(tǒng)在嶺澳二期核電站的應(yīng)用

趙先國 張 敏

(中廣核工程有限公司1，廣東 深圳 518124;遼寧紅沿河核電有限公司2，遼寧 大連 116001)

0 引言

嶺澳核電站二期位于大亞灣核電基地，是我國“十五”期間唯一開工的核電項目。項目采用中廣核集團具有自主品牌的中國改進型壓水堆核電技術(shù)路線CPR1000，建設(shè)2臺百萬千瓦級壓水堆核電機組。1號機組已于2010年9月20日成功商運。

嶺澳二期常規(guī)島汽輪機由東方汽輪機廠和法國ALSTOM共同生產(chǎn)供貨，機組額定功率為1086.94 MW、轉(zhuǎn)速為1500 r/min，為沖動式、單軸、一次中間再熱、三缸四排汽的凝汽式核電汽輪機［1］。汽輪機控制系統(tǒng)采用ALSTOM公司提供的P320 TGC-S V2+數(shù)字化汽機控制和保護系統(tǒng)。經(jīng)過近30多年的發(fā)展和改進，ALSTOM P320 TGC系統(tǒng)設(shè)計理念成熟，硬件設(shè)備可靠性高、功能強大、組態(tài)方便，已廣泛應(yīng)用于世界各地的核電站和火電站。該系統(tǒng)在國內(nèi)火電行業(yè)如浙江北侖發(fā)電廠一期工程［2］、廣西來賓 B 電廠［3］、重慶珞璜電廠［4］等都有應(yīng)用，但在國內(nèi)核電行業(yè)是首次應(yīng)用。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

嶺澳二期P320 TGC機柜由1面五聯(lián)柜(GRE001AR～CRE005AR)和1面通信柜(GRE006AR)組成。

五聯(lián)柜中GRE001AR為通信柜，柜內(nèi)有負責(zé)系統(tǒng)通信的C8075控制器和現(xiàn)場I/O處理模塊，用來保證整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通暢。

GRE002AR為汽機調(diào)節(jié)和保護控制柜，柜內(nèi)有負責(zé)閉環(huán)控制的RX3i控制器、汽機保護功能的C8035控制器，可完成汽機的大部分調(diào)節(jié)和保護功能，如汽機升速、并網(wǎng)及跳機保護等。

GRE003AR內(nèi)含專用轉(zhuǎn)速信號采集卡件和專用閥門控制卡件，負責(zé)轉(zhuǎn)速信號的處理和高中壓調(diào)閥的控制。

GRE004AR柜內(nèi)裝有2臺歷史站、1臺HMI(人機接口界面)和1臺時鐘同步裝置，操作員可通過HMI實現(xiàn)就地操作、查看歷史曲線，有利于現(xiàn)場調(diào)試工作的順利開展。

GRE005AR為接線柜，負責(zé)與外部傳感器、閥門等的接線。

機柜GRE006AR主要負責(zé)與發(fā)電機自動電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)(automatic voltage regulator，AVR)的通信。

機柜詳細配置如圖1所示。

圖1 P320 TGC機柜配置圖Fig.1 Configuration of P320 TGC

2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及特點

P320 TGC系統(tǒng)由三級網(wǎng)絡(luò)組成，即辦公網(wǎng)絡(luò)、S8000網(wǎng)絡(luò)和F8000網(wǎng)絡(luò)。

第一級網(wǎng)絡(luò)為辦公網(wǎng)絡(luò)，通信協(xié)議為TCP/IP，連接工程師站、調(diào)試筆記本、打印機和歷史站，用于P320的現(xiàn)場調(diào)試和HMI畫面的打印等。

第二級網(wǎng)絡(luò)是基于工業(yè)以太環(huán)的S8000網(wǎng)絡(luò)，傳輸介質(zhì)為光纖，傳輸速率為10 MB/s，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議為以太網(wǎng)TCP/IP。S8000網(wǎng)絡(luò)連接通信控制器C8075、工程師站、HMI、歷史站和發(fā)電機自動調(diào)壓系統(tǒng)(AVR)(發(fā)電機側(cè))。在該層網(wǎng)絡(luò)操作員可完成各控制器組態(tài)的上傳和下裝，并可實現(xiàn)汽機就地控制，以及與DCS的通信，通信協(xié)議為 IEC 870.5.104［5］。

第三級網(wǎng)絡(luò)是基于WorldFip總線技術(shù)的F8000網(wǎng)絡(luò)，傳輸速率為2.5 MB/s，雙重冗余結(jié)構(gòu)，傳輸介質(zhì)為雙絞線。WorldFip現(xiàn)場總線源于法國標準的工廠儀表協(xié)議(factory instrumentation protocol，F(xiàn)IP)［6］，后采納國際標準(IEC 61158-2)而改名為WorldFip總線，具有實時性、同步性和可靠性等特點［7］。該層網(wǎng)絡(luò)連接各控制器，并通過通信控制器C8075與第一級網(wǎng)絡(luò)連接，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸。

3 主要硬件配制特點

P320的主要硬件包含各類控制器、各類功能卡件和工控機等。各類控制器均采用GE公司成熟的PLC集合而成，且冗余配制，硬件成熟可靠，安全性較高，如負責(zé)系統(tǒng)通信的C8075控制器、負責(zé)開環(huán)控制和保護功能的C8035控制器、負責(zé)閉環(huán)控制的RX3i控制器。各層控制器通過F8000網(wǎng)絡(luò)實時交換數(shù)據(jù)。各類功能卡件包括:①安全級別為SIL3級的專業(yè)保護卡MPM123跳閘模塊;②安全級別為SIL3級的Jaquet公司專用轉(zhuǎn)速采集卡;③EATON公司的VICKERS閥門控制卡。ALSTOM通過對各類硬件的整合，可完成汽機控制和保護所必須具備的各類功能。

3.1 通信控制器C8075

P320 TGC系統(tǒng)使用2塊互為冗余配置的C8075控制器。該類控制器由GE Fanuc公司開發(fā)的90-70系列標準模塊搭接而成，如處理器使用CPX928型PLC。該型號PLC使用80486DX4微處理器、32位浮點、2 MB的用戶內(nèi)存。F8000總線通信模塊采用BEM744型總線控制卡，傳輸速率為2.5 MB/s。以太網(wǎng)通信模塊采用CMM742型以太網(wǎng)卡，傳輸速率為10 MB/s，使用的接口為10Base-T。C8075控制器之間的冗余切換通過BEM713總線傳輸模塊和冗余通信模塊RCM711的互聯(lián)來實現(xiàn)，兩個模塊之間可以實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)交換和無擾切換。在正常情況下，2塊控制器1主1備，同時從F8000網(wǎng)絡(luò)上讀取并處理數(shù)據(jù)，但同一時刻只有主控制器通過S8000網(wǎng)絡(luò)和F8000網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)。當(dāng)主控制器出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)能在100 ms內(nèi)切換到備用控制器。C8075冗余接線示意圖如圖2所示。

圖2 C8075冗余接線示意圖Fig.2 Schematic of C8075 redundant wiring

3.2 C8035 控制器

C8035控制器采用GE 90-30系列產(chǎn)品，由CPU、通信模塊、I/O模塊及擴展槽組成，主要實現(xiàn)汽機保護和開環(huán)控制功能。根據(jù)功能的不同，C8035控制器采用不同的處理器模塊。其中，開環(huán)控制選用CPU350處理器。該型號PLC使用80386EX微處理器，主頻為25 MHz，用戶內(nèi)存為 32 kB。汽機保護功能選用CPU374處理器。該型號PLC使用AMD SC520型微處理器，主頻為133 MHz，用戶內(nèi)存為240 kB。通信模塊和I/O模塊與RX3i相同。

3.3 RX3i控制器

P320的大部分調(diào)節(jié)功能都在控制器內(nèi)實現(xiàn)，如轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、汽機同期并網(wǎng)、閥位控制、負荷控制和熱應(yīng)力計算等。RX3i使用PIII IC695CPU310微處理器，主頻為300 MHz，用戶內(nèi)存為10 MB，支持多種編程語言，如梯形圖、FBD功能塊圖、ST結(jié)構(gòu)化文本和符號變量編程。其內(nèi)置1個RS-485端口和1個RS-232端口，支持串行、Genius、Ethernet、Profibus 和 DeviceNet。其中，總線控制器采用IC695BEM342模塊，以太網(wǎng)接口模塊采用IC695ETM001模塊。以太網(wǎng)接口模塊具有2個10/100 Mbit/s自適應(yīng)功能的以太網(wǎng)端口(RJ-45)，支持SRT、EGD、Modbus TCP協(xié)議。2組控制器通過硬接線連接(1運1備制)，每個控制器都從F8000接收數(shù)據(jù)，僅主控制器向F8000網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)主控制器發(fā)生故障時，系統(tǒng)能迅速切換至備用控制器。

3.4 MPM123 跳閘模塊

MPM123跳閘模塊的安全等級為SIL3級，每套汽機控制系統(tǒng)含有3個MPM123模塊，分別安裝在3個安全通道的背板上。每一通道的MPM123模塊可以接收4路模擬信號輸入(4～20 mA)。當(dāng)輸入數(shù)值超過設(shè)定值時，內(nèi)置繼電器輸出“TRIP”動作，該通道跳機，同時將獲取的數(shù)值傳送到控制器中。

3.5 歷史站、就地HMI和工程師站

與其他廠家的汽機控制系統(tǒng)相比，ALSTOM P320 TGC控制柜內(nèi)含有歷史站和就地HMI，可獨立完成對汽機的控制和保護功能［8－10］。每套TGC系統(tǒng)共配制2臺歷史站，共用1臺就地HMI操作員站。歷史站是控制系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)，負責(zé)與DCS通信。歷史站內(nèi)安裝有數(shù)據(jù)庫軟件ORACLE和專業(yè)軟件CENTROLOG，具有監(jiān)視機組所有過程參數(shù)和設(shè)備狀態(tài)、報警管理、打印記錄、計算、控制、歷史數(shù)據(jù)歸檔和故障診斷等功能。工程師站內(nèi)安裝有專業(yè)組態(tài)軟件CONTROLCAD，其主要功能為控制流程圖(包括邏輯圖和模擬圖)的繪制、編譯、生產(chǎn)和傳送。此外，CONTROLCAD還兼有與CENTRALOG進行數(shù)據(jù)交換的功能。

4 P320 TGC主要控制和保護功能

4.1 轉(zhuǎn)速控制功能

轉(zhuǎn)速控制包含轉(zhuǎn)速給定、升速率選擇、臨界轉(zhuǎn)速識別與控制和超速試驗等。P320控制系統(tǒng)有基本控制(BC)和自動控制(AC)兩種速度控制模式。

4.2 加速度限制功能

當(dāng)汽輪機轉(zhuǎn)速大于98%額定轉(zhuǎn)速，且計算所得加速度在1 s內(nèi)大于66 r/min時，超速限制保護動作，調(diào)門位置指令置0，待動作信號消失后再恢復(fù)到正常值。

4.3 一次調(diào)頻功能

汽輪發(fā)電機組在并網(wǎng)運行時，為保證電網(wǎng)的穩(wěn)定和供電品質(zhì)，通常投入一次調(diào)頻功能。當(dāng)機組轉(zhuǎn)速在死區(qū)范圍內(nèi)時，頻率調(diào)整給定為0，一次調(diào)頻不動作;當(dāng)轉(zhuǎn)速在死區(qū)范圍以外時，一次調(diào)頻動作，頻率調(diào)整給定按不等率K隨轉(zhuǎn)速變化而變化［11］。在嶺澳二期項目中，升速過程中的K值為10%，帶負荷后的K值為4%。

4.4 負荷控制功能

負荷控制包含汽機并網(wǎng)帶初始負荷、負荷給定、升負荷速率選擇及負荷的正常調(diào)節(jié)。P320 TGC的負荷控制有手動(BC)和自動控制(AC)兩種模式。在自動模式下，負荷實測值與負荷設(shè)定值比較產(chǎn)生的負荷偏差用于計算蒸汽需求增量，加入頻率貢獻信號后即產(chǎn)生總蒸汽需求量?？傉羝枨罅渴艿秸羝髁亢椭髌麎毫ο拗?，形成有效蒸汽需求量。有效蒸汽需求量用于計算閥位、開啟閥門，直至負荷升至目標負荷。

4.5 蒸汽流量和蒸汽壓力限制

當(dāng)機組轉(zhuǎn)入負荷模式時，蒸汽流量限制值自動設(shè)定為102%，操作員可以根據(jù)機組運行情況在主控室改變蒸汽流量限制值。該限值限制了機組最大蒸汽流量。將蒸汽流量限制值與蒸汽壓力限制值相比，較小者便為自動負荷控制回路中的負荷上限值。

壓力控制的目的是用限制汽機進汽壓力的方法來限制蒸汽需求，以限制汽機負荷。壓力控制也可由反應(yīng)堆發(fā)出的一個邏輯信號啟動，以防反應(yīng)堆功率超調(diào)。

4.6 汽機保護功能

汽機保護模塊由3組C8035控制器、安全級跳閘模塊MPM123卡、超速保護模塊FT3124、安全級跳閘繼電器、危機遮斷模塊等組成，其冗余結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 三重冗余結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Configuration of triple redundant structure

外部跳機信號通過內(nèi)部總線送到每個保護通道，通道內(nèi)所有跳機信號串行連接，任意一個跳機信號動作都會導(dǎo)致跳閘電磁閥電源回路斷開，本通道內(nèi)跳閘電磁閥失電打開動作。如果3個跳閘電磁閥中有2個打開動作，則機組安全油將被卸掉，從而實現(xiàn)機組跳機。嶺澳二期的跳機信號和超速保護信號有:DCS跳機、高壓缸排汽壓力高跳機、低壓缸排汽壓力高跳機、潤滑油壓低跳機、反應(yīng)堆跳機、TSI跳機、打閘按鈕跳機、潤滑油箱油液位計低跳機等。其中高壓缸排汽壓力高、低壓缸排汽壓力高、潤滑油箱油液位計低等跳機信號直接送到MPM123模塊。

5 結(jié)束語

本文詳細介紹了ALSTOM汽機控制系統(tǒng)P320的硬件配置和主要控制功能。該系統(tǒng)硬件設(shè)計緊湊、安全可靠，獨特的三重冗余設(shè)計提高了機組保護系統(tǒng)的可靠性;軟件方面功能強大、操作方便，在機組帶負荷后的重要試驗中(如超速保護試驗、閥門快關(guān)試驗、快速甩負荷試驗)均表現(xiàn)優(yōu)良，滿足核電對安全性和可靠性的要求。本文提及的一些先進的設(shè)計思想，如人性化的設(shè)計思路、硬件冗余配置的原則、完善的系統(tǒng)功能等，對同類型機組的設(shè)計、制造及運行都有很強的借鑒意義。

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