核電站應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組自動(dòng)控制系統(tǒng)

劉曉宇

摘 要：為確保核電站的安全運(yùn)行，要求核電站具備非?？煽康墓╇娤到y(tǒng)。在國內(nèi)核電站中，除了500kv和220kv開關(guān)站作為核電站應(yīng)急狀態(tài)下的外部主備用電源外，應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組作為后備應(yīng)急電源得到廣泛應(yīng)用。作為核安全應(yīng)急系統(tǒng)供電的最后一道屏障，核電廠應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組發(fā)揮著巨大的作用。為實(shí)現(xiàn)核電站應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)和運(yùn)行的高可靠性，對(duì)其自動(dòng)控制系統(tǒng)提出了非常高的要求。為此文章針對(duì)核電站應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組自動(dòng)控制系統(tǒng)相關(guān)知識(shí)、特點(diǎn)和改進(jìn)方向進(jìn)行分析研究。

關(guān)鍵詞：核電站；應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組；自動(dòng)控制系統(tǒng)

引言

在核電站工作中，設(shè)置的應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組可以快速完成啟動(dòng)，對(duì)核電站的設(shè)備、工作等起到保護(hù)的作用。應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組在核電站工作中發(fā)揮著重要的作用，為核反應(yīng)堆有穩(wěn)定、可靠、安全、足夠的電源，在正常電源出現(xiàn)故障時(shí)，可以保證核反應(yīng)堆安全地關(guān)閉，不釋放放射性的物質(zhì)。針對(duì)應(yīng)用柴油發(fā)電機(jī)組自身的特點(diǎn)，在核電站使用中的要求等方面的內(nèi)容進(jìn)行分析，認(rèn)識(shí)應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組在核電站中應(yīng)用的改進(jìn)方向，為核電站的工作提供安全穩(wěn)定的電源保障。

1 核電站對(duì)應(yīng)急發(fā)電機(jī)組的技術(shù)、質(zhì)量要求

在核電站核反應(yīng)堆運(yùn)行過程中，利用核裂變產(chǎn)生的能量，將其堆芯成為一個(gè)具有強(qiáng)烈作用的放射源，當(dāng)這個(gè)反應(yīng)堆停止時(shí)，就將自動(dòng)釋放大量的熱量，產(chǎn)生堆芯余熱。此時(shí)形成的堆芯余熱，會(huì)隨著時(shí)間不斷減少，但是如果沒有對(duì)堆芯余熱進(jìn)行及時(shí)有效的冷卻，堆芯的溫度將會(huì)持續(xù)的升高，直到將堆芯熔化，自動(dòng)將核反應(yīng)堆設(shè)計(jì)中的多重實(shí)體屏蔽，將大量具有放射性的物質(zhì)釋放到環(huán)境中，造成嚴(yán)重的后果[1]。針對(duì)以上核電廠的工作需求，應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組成為廠外電源全部失效后堆芯余熱釋放的最后動(dòng)力源。

基于核電站應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組的重要性，對(duì)機(jī)組設(shè)備的技術(shù)質(zhì)量提出了較高的要求。機(jī)組設(shè)備的核安全等級(jí)一般為1E級(jí)，質(zhì)保等級(jí)為Q1。機(jī)組的持續(xù)輸出功率一般在5000kW～8000kW之間，一般要求機(jī)組可連續(xù)7天運(yùn)行。在機(jī)組設(shè)計(jì)和設(shè)備選擇上，遵循安全可靠的原則。每臺(tái)核電機(jī)組對(duì)應(yīng)兩列或更多柴油發(fā)電機(jī)組作為應(yīng)急電源，每列機(jī)組均具備安全停堆應(yīng)急電源的功能。除每臺(tái)核電機(jī)組設(shè)置了兩列應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組外，還設(shè)置了全廠附加柴油機(jī)組以及后備柴油發(fā)電機(jī)組，以應(yīng)對(duì)不同應(yīng)急情況的發(fā)生。機(jī)組的啟動(dòng)裝置有兩套，一般為兩套互相獨(dú)立的壓縮空氣啟動(dòng)系統(tǒng)，每套壓縮空氣啟動(dòng)系統(tǒng)均能單獨(dú)完成5次應(yīng)急啟動(dòng)。每臺(tái)柴油機(jī)一般配備兩套調(diào)速器，在其中一套調(diào)速器出現(xiàn)故障時(shí)另一套調(diào)速器可自動(dòng)投入。轉(zhuǎn)速控制和超速保護(hù)方面，使用三選二邏輯，且調(diào)速器和控制柜分別配備獨(dú)立的三選二信號(hào)源，進(jìn)一步降低錯(cuò)誤信號(hào)觸發(fā)停機(jī)的可能性?？傊跈C(jī)組設(shè)計(jì)方面采用了大量的冗余設(shè)計(jì)，可有效降低故障發(fā)生概率，確保機(jī)組安全可靠運(yùn)行。

在應(yīng)急啟動(dòng)方面，要求機(jī)組在收到應(yīng)急啟動(dòng)信號(hào)后10S內(nèi)完成啟動(dòng)，建立額定頻率和電壓。

除了以上這些要求外，核電廠應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組還需要具有一定的事故承受能力，在運(yùn)行的過程中，可以承受一定程度上的故障。

2 核電站應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組自動(dòng)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)

核電站應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組的自動(dòng)控制系統(tǒng)除了一般要求外，具有其自身的特點(diǎn)，主要包括以下兩個(gè)方面：

（1）高可靠性

高可靠性主要體現(xiàn)在：可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作和無人值守；啟動(dòng)裝置冗余配置；關(guān)鍵信號(hào)冗余設(shè)計(jì)；惡劣條件下（例如地震）保持功能性。

啟動(dòng)可靠性直接影響機(jī)組整體可靠性，根據(jù)IEEE387標(biāo)準(zhǔn)要求，核電站應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組100次啟動(dòng)試驗(yàn)中啟動(dòng)成功次數(shù)不得低于99次。

另外，在自動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)用的可編程軟件方面，要求安全級(jí)設(shè)備/部件的可編程軟件必須通過嚴(yán)苛的鑒定（IEC60880）。

（2）應(yīng)急運(yùn)行時(shí)的低敏感性

核電站應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組具備試驗(yàn)和應(yīng)急兩個(gè)模式的控制系統(tǒng)。在試驗(yàn)?zāi)Ｊ较?，所有故障?bào)警信號(hào)均投入運(yùn)作。在應(yīng)急模式下，收到應(yīng)急啟動(dòng)信號(hào)后即進(jìn)入應(yīng)急啟動(dòng)和運(yùn)行模式，除了超速保護(hù)和短路保護(hù)兩個(gè)停機(jī)信號(hào)會(huì)起作用外，其他信號(hào)在遇到故障時(shí)只報(bào)警不停機(jī)（例如水溫高、油壓低、排氣溫度高等），必要時(shí)以犧牲柴油機(jī)壽命或性能為代價(jià)，確保機(jī)組在應(yīng)急狀態(tài)下能夠連續(xù)運(yùn)行。也就是說，核電站應(yīng)急模式下的柴油機(jī)組對(duì)除惡劣故障外的信號(hào)均不敏感。

3 核電廠應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組自動(dòng)控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組自動(dòng)控制系統(tǒng)在核電廠工作得到應(yīng)用，應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組自動(dòng)控制系統(tǒng)，在核電廠工作中的運(yùn)行狀態(tài)主要有：

（1）供電

應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組的供電時(shí)，在機(jī)組正常運(yùn)行下，檢測(cè)到應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組的頻率或者電壓超過設(shè)定的限制時(shí)，需要讓發(fā)電機(jī)組處于空載的狀態(tài)，如果在空載的狀態(tài)下，檢測(cè)到的發(fā)電機(jī)組的頻率或者電壓，還是超過設(shè)定的限制，此時(shí)就可以認(rèn)為柴油機(jī)發(fā)生故障，需要停機(jī)報(bào)錯(cuò)。在核電站工作中，應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組的其重要的安全保障，所以在正常電源良好的狀態(tài)下，也需要加強(qiáng)柴油機(jī)組的檢測(cè)和保護(hù)[2]。

（2）啟動(dòng)

在應(yīng)急柴油機(jī)啟動(dòng)的過程中，需要對(duì)柴油機(jī)的電壓、電流等參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)應(yīng)急柴油機(jī)的啟動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行判斷，在10s內(nèi)可以建立額定電壓和額定頻率，是當(dāng)前核電站應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組成功啟動(dòng)的判斷標(biāo)準(zhǔn)。在安全級(jí)供電喪失時(shí)，DCS會(huì)發(fā)送20s長延時(shí)啟動(dòng)信號(hào)至柴油機(jī)啟動(dòng)回路，有的核電站柴油機(jī)在1次啟動(dòng)不成功后會(huì)自動(dòng)閉鎖回路，有的核電站柴油機(jī)組會(huì)在20s內(nèi)不斷嘗試啟動(dòng)，約可嘗試3次啟動(dòng)，3次仍無法啟動(dòng)則不再嘗試啟動(dòng)，宣布此列柴油機(jī)失效；所以對(duì)應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組的電量參數(shù)等進(jìn)行測(cè)量和判斷是應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組自動(dòng)控制系統(tǒng)核心工作。

（3）操作

在應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組自動(dòng)控制系統(tǒng)中，設(shè)置有試驗(yàn)、參數(shù)顯示、錯(cuò)誤顯示等按鈕，在應(yīng)急柴油機(jī)沒有進(jìn)入應(yīng)急工作時(shí)，可以對(duì)應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組的正常運(yùn)行進(jìn)行試驗(yàn)，按下試驗(yàn)按鈕，應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組就會(huì)立即啟動(dòng)，對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組的正常工作進(jìn)行自動(dòng)的檢測(cè)，在柴油發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)后，柴油發(fā)電機(jī)組的相關(guān)參數(shù)就會(huì)顯示出來，此時(shí)按下參數(shù)顯示按鈕，可以清楚的對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行查看，將錯(cuò)誤顯示按鈕按下，可以對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組在近期的工作狀態(tài)、故障狀況等進(jìn)行顯示[3]。如果在柴油發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)后，長時(shí)間沒有按下相關(guān)的按鈕，柴油發(fā)電機(jī)組就會(huì)自動(dòng)的切換顯示狀態(tài)，依次顯示發(fā)電機(jī)組的相關(guān)參數(shù)。

4 核電廠應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組自動(dòng)控制系統(tǒng)的工作

在核電廠工作中，應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組具有一定的功能和特殊性，是核電廠的故障發(fā)電機(jī)，所以在應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組中有非常多的控制和保護(hù)設(shè)置。應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組自動(dòng)控制系統(tǒng)的工作有兩種模式，一種是應(yīng)急模式，一種是試驗(yàn)?zāi)Ｊ?。?yīng)急模式是對(duì)核電廠工作電源和輔助電源發(fā)生故障時(shí)的核反應(yīng)堆進(jìn)行保護(hù)，保護(hù)、安全壓力、應(yīng)急母線壓力等信號(hào)的產(chǎn)生，觸動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)，進(jìn)入工作狀態(tài)，對(duì)反應(yīng)堆進(jìn)行連續(xù)的冷卻，并保證工作質(zhì)量，不發(fā)生錯(cuò)誤的啟動(dòng)，這個(gè)過程中對(duì)應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組的安全性、穩(wěn)定性、可靠性要求非常高，除了嚴(yán)重故障，其他任何工作狀態(tài)都不能發(fā)生跳閘。試驗(yàn)?zāi)Ｊ绞菍?duì)應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)、靈敏性等進(jìn)行檢測(cè)。

核電廠正常電源和輔助電源發(fā)生故障之后，應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組進(jìn)入應(yīng)急工作狀態(tài)，自動(dòng)控制系統(tǒng)開始工作。在應(yīng)急狀態(tài)下，對(duì)柴油發(fā)電自己的自動(dòng)控制系統(tǒng)工作的要求非常高，對(duì)繼電保護(hù)的可靠性也有較高的要求。

應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組工作狀態(tài)的判斷，并不是是否發(fā)生了故障，而是將應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生的電能質(zhì)量作為判斷的標(biāo)準(zhǔn)，其產(chǎn)生的電能質(zhì)量是否滿足要求。因?yàn)樵趹?yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)的過程中頻率較低，輸出電壓也相對(duì)的較低，因此不會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤啟動(dòng)。在應(yīng)急工作狀態(tài)下，柴油發(fā)電機(jī)組會(huì)進(jìn)行跳閘保護(hù)，也就是在核電廠工作的過程中，發(fā)生緊急事故時(shí)，柴油發(fā)電機(jī)組會(huì)通過相關(guān)的動(dòng)作，將其運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性提升[4]。在檢測(cè)完相關(guān)的參數(shù)以后，柴油發(fā)電機(jī)組進(jìn)入應(yīng)急工作狀態(tài)，并對(duì)自身的工作狀態(tài)進(jìn)行保護(hù)。核電廠應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組自動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)急啟動(dòng)程序流程圖如下：

5 核電站應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組自動(dòng)控制系統(tǒng)的幾個(gè)改進(jìn)方向

5.1 自動(dòng)控制系統(tǒng)控制柜由傳統(tǒng)的繼電保護(hù)裝置向可編程控制器（PLC）控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)變

目前國內(nèi)核電站應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組控制柜部分采用傳統(tǒng)的繼電保護(hù)裝置，部分采用PLC控制系統(tǒng)；傳統(tǒng)的繼電保護(hù)裝置采用繼電器和接觸器構(gòu)成自動(dòng)控制系統(tǒng)，由于其所需元器件數(shù)量很多，控制電路復(fù)雜，導(dǎo)致工作可靠性較差，故障率較高，且后期維護(hù)非常不便；控制系統(tǒng)采用PLC時(shí)，柴油發(fā)電機(jī)組的工作由軟件控制，可大大簡(jiǎn)化控制電路，控制系統(tǒng)的可靠性較高；1E級(jí)控制系統(tǒng)采用可編程控制器時(shí)要求通過IEC 60880標(biāo)準(zhǔn)的鑒定，其軟件的高可靠性也可以得到確保。

5.2 由提高單一系統(tǒng)或設(shè)備的可靠性向提高系統(tǒng)整體可靠性方向發(fā)展

應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組自動(dòng)控制系統(tǒng)由信號(hào)搜集裝置、信號(hào)傳輸線路、信號(hào)處理裝置以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。目前，在國內(nèi)核電站應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組的建設(shè)和運(yùn)行中，關(guān)注的重點(diǎn)是在信號(hào)處理裝置上，在信號(hào)處理裝置上的設(shè)備制造、安裝、調(diào)試管理都非常嚴(yán)格，然而對(duì)于傳感器安裝調(diào)試、線路敷設(shè)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)驗(yàn)證等方面做得還不夠。事實(shí)上，上述自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成部分無論哪一部分出問題都會(huì)導(dǎo)致自動(dòng)控制失效，從而降低系統(tǒng)的整體可靠性。例如：某核電站應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)閃報(bào)警或誤報(bào)警，后經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，直接原因是由于信號(hào)線路施工不規(guī)范導(dǎo)致線路受到干擾；某核電站調(diào)試和運(yùn)行期間某溫控開關(guān)故障，直接導(dǎo)致應(yīng)急柴油機(jī)組不可用；某核電站因勵(lì)磁線路接線錯(cuò)誤導(dǎo)致機(jī)組輸出電壓始終無法達(dá)到額定值；等等。在柴油機(jī)組控制系統(tǒng)調(diào)試問題統(tǒng)計(jì)中，尤其在應(yīng)用了PLC的柴油機(jī)組控制系統(tǒng)上，控制系統(tǒng)其他方面的故障大大超出信號(hào)處理裝置本身的故障。所以，為提高核電站應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組自動(dòng)控制系統(tǒng)的整體可靠性，需要提高控制系統(tǒng)各組成部分的技術(shù)和管理要求。

5.3 柴油機(jī)調(diào)速器向電子調(diào)速器和機(jī)械調(diào)速器互為備用發(fā)展

為確保核電站應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組的可靠運(yùn)行，機(jī)組基本配備了兩套調(diào)速器互為備用。目前國內(nèi)有部分核電站應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組調(diào)速器采用了雙電子調(diào)速器互為備用模式，盡管電子調(diào)速器具有靈敏度高、響應(yīng)快的特點(diǎn)，但其可靠性不如機(jī)械調(diào)速器，國內(nèi)某核電站曾經(jīng)因電子調(diào)速器存儲(chǔ)器寫滿而產(chǎn)生故障的問題、某固定功率段頻率抖動(dòng)問題等等，且由于電子調(diào)速器故障成因復(fù)雜，故障排查困難，進(jìn)一步影響了機(jī)組的可用時(shí)間。而機(jī)械調(diào)速器可靠性較高，將機(jī)械調(diào)速器作為電子調(diào)速器的備用，可有效避免使用兩套電子調(diào)速器時(shí)的共模故障問題，以進(jìn)一步提高機(jī)組運(yùn)行的可靠性。

5.4 自動(dòng)控制系統(tǒng)中增加冷卻水自動(dòng)補(bǔ)充功能

在國內(nèi)核電站應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組調(diào)試和試運(yùn)行期間曾發(fā)生過多次冷卻水系統(tǒng)滲漏水問題，例如某核電站在調(diào)試試驗(yàn)期間冷卻水彎管裂紋漏水、風(fēng)冷器故障漏水、正常運(yùn)行時(shí)安全閥打開導(dǎo)致漏水、橡膠件老化導(dǎo)致冷卻水滲漏水問題等等，由此可見冷卻水系統(tǒng)某部位因故障而漏水問題比較普遍，問題發(fā)生的原因也多種多樣，而目前國內(nèi)核電站應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組不具備冷卻水自動(dòng)補(bǔ)充的功能，僅在維護(hù)時(shí)可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)補(bǔ)水，而機(jī)組運(yùn)行時(shí)由于冷卻水溫度較高，手動(dòng)補(bǔ)水的危險(xiǎn)性也較大，為機(jī)組安全可靠運(yùn)行帶來隱患。為提高機(jī)組的可靠性，確保在情況下機(jī)組也可以連續(xù)7天運(yùn)行，具備冷卻水自動(dòng)補(bǔ)充很有必要。

6 結(jié)束語

應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組在核電站工作中的應(yīng)用，可以說是核反應(yīng)堆安全的保障，在正常電源失常的狀態(tài)下，可以發(fā)揮其作用。在核電站工作中應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組的安全性、穩(wěn)定性、可靠性等非常高的要求，隨著核電站的發(fā)展，和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組在核電站中的應(yīng)用，在性能、結(jié)構(gòu)等方面將不斷的完善和改進(jìn)，提高自身的穩(wěn)定性，同時(shí)將自身的功能完善，適用核電站的發(fā)展需求。

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