核電汽輪機(jī)儀控機(jī)柜升級(jí)的方案研究

李吉吉1 上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力學(xué)院 (200240)2 西門子(中國(guó))有限公司 (200082)

0 前言

陽(yáng)江核電站位于粵西沿海的陽(yáng)江市，是國(guó)家核電中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃項(xiàng)目，采用CPR1000改進(jìn)型壓水堆核電技術(shù)，總投資近700億元人民幣。國(guó)家確定“積極推進(jìn)核電建設(shè)”方針后，廣東核電集團(tuán)繼嶺澳核電站二期、大連紅沿河核電站、福建寧德核電站之后建設(shè)的第四座核電站。作為我國(guó)一次核準(zhǔn)開工建設(shè)容量較大的核電項(xiàng)目，陽(yáng)江核電站工程建設(shè)6臺(tái)MW級(jí)核電機(jī)組，首臺(tái)機(jī)組于2013年建成投產(chǎn)，全部機(jī)組建成后，綜合國(guó)產(chǎn)化率可達(dá)到83%，年發(fā)電量450億kW·h。陽(yáng)江核電站項(xiàng)目的開工建設(shè)，有利于提高我國(guó)核電自主化水平，推動(dòng)核電產(chǎn)業(yè)升級(jí)；有利于優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，促進(jìn)節(jié)能減排，保障能源安全；也有利于拉動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)投資，帶動(dòng)制造業(yè)發(fā)展，擴(kuò)大國(guó)內(nèi)需求，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)。

1 項(xiàng)目背景

陽(yáng)江核電項(xiàng)目常規(guī)島使用的是上海電氣引進(jìn)德國(guó)西門子技術(shù)的MW級(jí)半速汽輪機(jī)。汽輪機(jī)控制系統(tǒng)（TCS）選用西門子SPPA-T2000系統(tǒng)，控制系統(tǒng)共有15個(gè)機(jī)柜，其中涵蓋汽輪機(jī)控制、保護(hù)，發(fā)電機(jī)保護(hù)，汽輪機(jī)輔助系統(tǒng)（閥門、汽封、控制油等）控制，振動(dòng)測(cè)量等汽輪機(jī)組所需的各種功能。

機(jī)柜內(nèi)的所有模件均為固態(tài)電路，具有標(biāo)準(zhǔn)化，模件化和插入式的結(jié)構(gòu)。模板的插拔有導(dǎo)軌和聯(lián)鎖，模件的編址不受機(jī)柜內(nèi)插槽位置的影響。機(jī)柜內(nèi)的過程通道模件能帶電插拔而不影響其他模件的正常工作。執(zhí)行控制和邏輯功能的處理器模件冗余配置，一旦某個(gè)工作的處理器模件發(fā)生故障，系統(tǒng)能自動(dòng)地以無干擾方式快速切換至其他的處理模件，并在圖像站報(bào)警。處理器模件中的隨機(jī)儲(chǔ)存器采用 RAM作為數(shù)據(jù)儲(chǔ)存的后備電源。電源更換不影響模件，并設(shè)置電池用完指示燈。冗余配置的處理器模件與系統(tǒng)有分別的接口，均能接受系統(tǒng)對(duì)它們進(jìn)行組態(tài)和組態(tài)修改。處于備用狀態(tài)的處理器能跟蹤運(yùn)行處理器的組態(tài)和變化。冗余處理器模件的切換時(shí)間和數(shù)據(jù)更新周期，保證系統(tǒng)的控制和保護(hù)功能不會(huì)因冗余切換而丟失或延遲。冗余輸入的信號(hào)處理均由不同的I/O模件來完成。在系統(tǒng)電源喪失時(shí)，至執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸入信號(hào)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)保持失電前的位置，以處于一種安全位置。

在陽(yáng)江一號(hào)機(jī)調(diào)試的過程中，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試人員發(fā)現(xiàn)幾個(gè)機(jī)柜的柜內(nèi)溫度接近操作手冊(cè)里規(guī)定的額定工作溫度的上限。同時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)柜GME里的震動(dòng)監(jiān)測(cè)卡件已經(jīng)發(fā)生了由于溫度過高而信號(hào)丟失的現(xiàn)象。長(zhǎng)時(shí)間的超溫會(huì)導(dǎo)致卡件工作不穩(wěn)定，縮短工作壽命，更可能使整個(gè)卡件損壞。當(dāng)時(shí)電子設(shè)備間環(huán)境平均溫度為26～28°C，溫度最高的GME機(jī)柜柜內(nèi)溫度為58～60°C左右，同樣的情況也出現(xiàn)在其他幾個(gè)電源柜。這一現(xiàn)象在控制系統(tǒng)出廠試驗(yàn)的時(shí)候是沒有出現(xiàn)過的。

2 原因分析

2.1 環(huán)境溫度

當(dāng)時(shí)電子設(shè)備間的整體溫度控制在27°C左右，由于空調(diào)需要調(diào)試等原因，無法保證24h的運(yùn)行，可能導(dǎo)致不定期的電子設(shè)備間環(huán)境溫度升高。

2.2 發(fā)熱量

核電站的電子設(shè)備間因?yàn)槠帘我蟊容^高，所以設(shè)計(jì)相對(duì)于常規(guī)電站而言比較緊湊。在項(xiàng)目初期，汽輪機(jī)控制系統(tǒng)的初始設(shè)計(jì)是需要16個(gè)機(jī)柜。但是因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地所限，業(yè)主要求縮減到15個(gè)。兩個(gè)GME機(jī)柜為此合并為一個(gè)（圖1）。這無疑使得GME機(jī)柜的柜容相對(duì)于初始設(shè)計(jì)的布置密度增大，柜內(nèi)卡件總發(fā)熱量增大，降低了原始設(shè)計(jì)的柜內(nèi)空氣通量和降溫效果。對(duì)于電源柜，則是有些元件在現(xiàn)場(chǎng)工作比在廠內(nèi)試驗(yàn)時(shí)發(fā)熱量大大增加。

2.3 防護(hù)等級(jí)

所有機(jī)柜出廠設(shè)計(jì)的防護(hù)等級(jí)1為IP202（圖2），但因?yàn)楹穗婍?xiàng)目的特殊性，在機(jī)柜發(fā)到現(xiàn)場(chǎng)后經(jīng)與廠商協(xié)調(diào)，把所有機(jī)柜的防護(hù)等級(jí)都升級(jí)到了IP313（圖3）。防護(hù)等級(jí)的提高是通過增加門板上的防塵罩和濾網(wǎng)增強(qiáng)了機(jī)柜的密封性。但是這減少了外部空氣進(jìn)入機(jī)柜內(nèi)部的通風(fēng)量，柜內(nèi)溫度因此而升高。

2.4 電纜

現(xiàn)場(chǎng)采用的就地電纜比初始的設(shè)計(jì)屏蔽層更厚，直徑更粗，從另一方面增加了柜內(nèi)部件的占用率，減少了空氣流通面積。

圖1 監(jiān)測(cè)機(jī)柜（GME）

圖2 機(jī)柜防護(hù)等級(jí)20

圖3 機(jī)柜防護(hù)等級(jí)31

3 解決方案

3.1 測(cè)試熱點(diǎn)

為了尋找解決方案，先要找出柜內(nèi)溫度最高的地方，也叫熱點(diǎn)。在模擬現(xiàn)場(chǎng)所有的機(jī)柜都是緊密相靠，用螺栓鎖死的狀態(tài)。在實(shí)驗(yàn)中，機(jī)柜上下左右都用聚氨酯塑料板覆蓋，柜內(nèi)各處共安放了20個(gè)熱電偶，用以測(cè)量各處溫度。在環(huán)境溫度為27°C時(shí)，經(jīng)過1h的測(cè)量，GME機(jī)柜內(nèi)最高點(diǎn)為61.5°C，超過卡件允許的最高工作溫度（60°C）。電源柜的情況類似，柜內(nèi)各處共安放了15個(gè)熱電偶，在環(huán)境溫度為27°C時(shí)，經(jīng)過1h的測(cè)量，柜內(nèi)最高點(diǎn)溫度為61.9°C，比GME機(jī)柜還略高，超出允許溫度范圍，如圖4、圖5所示。

3.2 制約因素

為了有效地降低機(jī)柜內(nèi)部溫度，可在機(jī)柜上增加風(fēng)扇來進(jìn)行主動(dòng)式降溫，但必須解決幾個(gè)制約因素。

由于核電安全規(guī)范限制，外部220V電源不允許使用，只能使用柜內(nèi)24V電壓作為風(fēng)扇電源。這使得風(fēng)扇輸出功率受限于電源輸出功率。

機(jī)柜有嚴(yán)格的防護(hù)等級(jí)要求，在柜門或者柜壁上開口加風(fēng)扇絕對(duì)不可能，而現(xiàn)場(chǎng)機(jī)柜底部已全部固定在支架上，要加很有難度。所以只能考慮從頂部著手。

機(jī)柜的就地電纜都是從柜頂進(jìn)入，現(xiàn)場(chǎng)大部分的就地電纜已經(jīng)連接完畢，柜頂所加的風(fēng)扇不能影響到這些電纜。

風(fēng)扇的安裝、運(yùn)行必須相對(duì)易行、獨(dú)立，不影響現(xiàn)有的控制系統(tǒng)。

圖4 GME機(jī)柜溫度及熱點(diǎn) (改造前)

圖5 電源機(jī)柜溫度及熱點(diǎn) (改造前)

3.3 優(yōu)化選擇

對(duì)于風(fēng)扇的選擇應(yīng)該是在允許的條件下，選擇通流面積和功率盡可能大的風(fēng)扇。機(jī)柜頂部的面積有限，最大可使用面積為625cm2。而這個(gè)大小的風(fēng)扇輸入電壓都超過24V，在機(jī)柜允許電壓之外。兩個(gè)風(fēng)扇的布置則無法充分使用柜頂面積。于是選擇了4個(gè)面積為144cm2的風(fēng)扇。其功率和通流符合所需條件。

每一個(gè)的功率為：

總的通流為：

3.4 設(shè)計(jì)新蓋板

風(fēng)扇是安裝在機(jī)柜頂部的蓋板上，為了不影響已經(jīng)連接的就地電纜，蓋板也必須重新設(shè)計(jì)。新的蓋板（圖6）分成左右兩部分，右半部分包含了安裝風(fēng)扇的孔，以及一個(gè)用來遮擋滴水的頂蓋。頂蓋是用來保證水滴無法進(jìn)入機(jī)柜，這是IP31防護(hù)等級(jí)的要求，同時(shí)頂蓋的通風(fēng)設(shè)計(jì)也保證了空氣能夠及時(shí)從柜內(nèi)流出。左邊部分包含了電纜孔。這樣，現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)只需要將左右兩部分從機(jī)柜兩側(cè)插入并用螺母固定鏈結(jié)，不影響現(xiàn)場(chǎng)任何工作。

圖6 帶風(fēng)扇的頂部蓋板

3.5 第二次測(cè)試熱點(diǎn)

在安裝完新的機(jī)柜頂部蓋板和加入風(fēng)扇后，再一次測(cè)試了GME機(jī)柜和電源柜的溫度。經(jīng)過50min的測(cè)試，其柜內(nèi)溫度和熱點(diǎn)溫度如圖7、8、9、10所示。電源柜的熱點(diǎn)溫度經(jīng)改造后穩(wěn)定在53.3°C?？紤]到環(huán)境溫度28.2°C略高于正常室溫，同時(shí)電源柜對(duì)于溫度敏感性較低，該溫度可以接受。而對(duì)于GME機(jī)柜，熱點(diǎn)仍然存在于汽輪機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上方，其溫度為55.1°C，還是高于期望值。為了保證VM6004的正常運(yùn)作，要求周圍溫度能夠穩(wěn)定在50°C左右。于是又對(duì)GME機(jī)柜進(jìn)行了第二次改造。

圖7 GME機(jī)柜熱點(diǎn)溫度（一次改造后）

圖8 GME機(jī)柜溫度（一次改造后）

圖9 電源柜熱點(diǎn)溫度（改造后）

圖10 電源柜溫度（改造后）

3.6 調(diào)整機(jī)柜內(nèi)部結(jié)構(gòu)

GME監(jiān)測(cè)機(jī)柜如圖1所示，兩個(gè)VM600監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上下放置。下方發(fā)電機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的熱量從框架頂部散發(fā)出去，這導(dǎo)致上方汽輪機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的溫度更高，即使用了風(fēng)扇也無法進(jìn)一步降低熱點(diǎn)溫度。當(dāng)然這也是汽輪機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)生丟失信號(hào)之類故障的原因。為了更好地解決GME機(jī)柜超溫問題，把汽輪機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)里的 MPC45卡件數(shù)量作了調(diào)整，減少了3塊，騰出了空間，增加了VM600周圍空間的流通效率（圖11）。

圖11 針對(duì)VM600的修改

3.7 第三次測(cè)試熱點(diǎn)

經(jīng)過二次改造，再一次測(cè)試了GME機(jī)柜內(nèi)的溫度，發(fā)現(xiàn)原本位于VM600支架頂部中側(cè)的熱點(diǎn)已經(jīng)消失，其溫度降到了37.3°C，效果顯著。原本的位于支架左側(cè)的次熱點(diǎn)也降低到了50.0°C成為了新的熱點(diǎn)，已經(jīng)在允許的范圍以內(nèi)（圖12、圖13）。

圖12 GME機(jī)柜熱點(diǎn)溫度（二次改造后）

圖13 GME機(jī)柜溫度（二次改造后）

4 結(jié) 論

該機(jī)柜改造方案有如下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

(1)機(jī)柜內(nèi)的危險(xiǎn)熱點(diǎn)被控制，柜內(nèi)所有的元件都能在允許的溫度范圍內(nèi)工作，可延長(zhǎng)柜內(nèi)元件使用壽命。

(2)改造方案實(shí)施過程不影響機(jī)柜的正常運(yùn)作。

(3)此方法適宜于同種類型的各種機(jī)柜。

①防護(hù)等級(jí)：來源是國(guó)際電工委員會(huì)的標(biāo)準(zhǔn)IEC60529，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)在2004年也被采用為美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。在這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中，針對(duì)電氣設(shè)備外殼對(duì)異物的防護(hù)，IP等級(jí)的格式為IPXX，其中XX為兩個(gè)阿拉伯?dāng)?shù)字，第一標(biāo)記數(shù)字表示接觸保護(hù)和外來物保護(hù)等級(jí)，第二標(biāo)記數(shù)字表示防水保護(hù)等級(jí)，

②IP20：防止大于12mm之物體侵入 防止手指碰到燈具內(nèi)部零件。對(duì)水滴無防護(hù) 。

③IP31: 防止大于2.5mm之物全侵入防止直徑大于2.5mm的工具，電線或物體侵入。防止垂直滴下之水滴。

④VM600：在建CPR1000核電站GME系統(tǒng)均采用瑞士Vibro-Meter的VM600監(jiān)視系統(tǒng)，以監(jiān)測(cè)卡件MPC4及AMC8實(shí)現(xiàn)GME系統(tǒng)中參數(shù)的監(jiān)測(cè)和保護(hù)。

⑤MPC4卡件：主要用于動(dòng)態(tài)參數(shù)的監(jiān)測(cè)和保護(hù)，如振動(dòng)、軸向位移、鍵相、脹差、偏心等。

[1]國(guó)際電工委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)IEC 529 – 598.

[2]國(guó)標(biāo)GB 700 – 86.

[3]EJ 574-91 核電廠安全級(jí)控制儀表盤（屏）和機(jī)架的設(shè)計(jì)與鑒定.

[4]GB/T 13629-2008.核電站安全系統(tǒng)中數(shù)字計(jì)算機(jī)的適用準(zhǔn)則.

[5]伍廣儉，卓文標(biāo).嶺澳核電站常規(guī)島控制系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)[J].廣東電力，2003，16（1）：23-26,45.