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    核級調(diào)節(jié)控制在出口核電項(xiàng)目中的實(shí)現(xiàn)

    2014-11-10 05:12:48李溪韻
    科技資訊 2014年13期

    李溪韻

    摘 要:核電站控制室系統(tǒng)需要提供安全級(1E級)控制手段以維持電廠的安全運(yùn)行。在ACP1000等國產(chǎn)化三代核電的出口項(xiàng)目中,由于受到出口禁運(yùn)的限制,無法使用國外供貨商的設(shè)備來實(shí)現(xiàn)相關(guān)設(shè)計(jì)。因此,需要以國內(nèi)現(xiàn)有供貨商的產(chǎn)品為基礎(chǔ),開發(fā)對應(yīng)的核級控制功能實(shí)現(xiàn)方案。本文基于ACP1000機(jī)組的調(diào)節(jié)控制功能需求,以及國內(nèi)核級儀控產(chǎn)品的規(guī)格和性能,給出了核級調(diào)節(jié)控制功能的國產(chǎn)化實(shí)現(xiàn)方案。該方案將數(shù)字化控制手段與常規(guī)后備控制手段結(jié)合在一起,并實(shí)現(xiàn)了各種控制手段和模式之間的無擾切換。對于該方案,本文以ACP1000機(jī)組的汽機(jī)旁路系統(tǒng)大氣排放閥的控制為例,實(shí)現(xiàn)了該設(shè)備在主控制室和遠(yuǎn)程停堆站的控制功能,并結(jié)合設(shè)備規(guī)格分析了該方案的性能。通過實(shí)例及其性能分析可以看出,本文提出的設(shè)計(jì)方案滿足控制室系統(tǒng)的功能需求,并針對工藝系統(tǒng)的特殊控制要求具有良好的適用性,為國產(chǎn)化三代核電技術(shù)的出口提供了技術(shù)保障。

    關(guān)鍵詞:核級儀控 數(shù)字化儀控系統(tǒng) ACP1000 控制室系統(tǒng)

    中圖分類號:TL3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1672-3791(2014)05(a)-0206-03

    Abstract:The control room system provides safety related(class 1E)control means to maintain the safety operation of the nuclear power plant.In the export project of ACP1000 and other 3rd generation nuclear power plants,safety related equipment from foreign supplier are not available due to embargo on nuclear related equipment.Therefore related design should be based on native product.This paperproposes a design implementation of safety related modulating control function based on the function requirement of ACP1000 nuclear power plant and the specification of native equipment.It containscontrol means from digital control system and uses traditional control device as back up.The transfers between each control means and modes are bumpless in this design.This design is implemented and evaluated using the modulating control of TSA valve in ACP1000 project as example,which has multiple control means in main control room and remote control station.From the performance of this example,this design can meet the function requirement of control room system.It also provides sufficient feasibility for specific control requirement of certain system or device.This design supports the export of 3rd generation nuclear power plant from technical aspect.

    Key Words:Safety Related I&C;Digital Control System;ACP1000;Control room System

    為保障核電站的安全運(yùn)行,安全相關(guān)的儀控需要經(jīng)過嚴(yán)格的質(zhì)量鑒定,包括抗震、電磁兼容、老化、極限環(huán)境等[1]。國內(nèi)核電項(xiàng)目通常使用國外供貨商提供的安全級儀控設(shè)備來實(shí)現(xiàn)核電站安全相關(guān)的儀控功能。對于ACP1000等國產(chǎn)三代核電技術(shù)的出口項(xiàng)目,由于廠址所在國家可能受到其他國家的出口禁運(yùn)限制,安全級儀控設(shè)備及其相關(guān)的控制邏輯需要在國內(nèi)產(chǎn)品的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。對于ACP1000的國產(chǎn)化和出口,相關(guān)設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)需要克服以下難點(diǎn):第一,和二代出口核電站中的儀控系統(tǒng)相比,ACP1000引入了數(shù)字化的儀控平臺和對應(yīng)的計(jì)算機(jī)化控制手段,與安全級的常規(guī)控制手段相結(jié)合,其功能更加完善,相應(yīng)的邏輯實(shí)現(xiàn)也更加復(fù)雜;第二,國內(nèi)產(chǎn)品的可選范圍小,性能和國外產(chǎn)品存在一定的差距,設(shè)計(jì)時需要綜合考慮響應(yīng)時間、設(shè)備數(shù)量、尺寸等因素,使之滿足三代核電的儀控要求。

    基于以上設(shè)計(jì)需求和難點(diǎn),本文提出了一種基于國產(chǎn)設(shè)備的調(diào)節(jié)控制功能的設(shè)計(jì)方案,實(shí)現(xiàn)了多種控制手段的冗余設(shè)計(jì)和無擾切換,滿足了ACP1000的儀控設(shè)計(jì)要求。本文的后續(xù)章節(jié)從功能需求、方案設(shè)計(jì)和實(shí)例分析幾個方面對該方案進(jìn)行詳細(xì)介紹。

    1 功能需求和實(shí)現(xiàn)平臺

    與常規(guī)控制系統(tǒng)相同,核電站安全級調(diào)節(jié)包括手動控制和PID設(shè)定值控制,其中PID調(diào)節(jié)的設(shè)定值包括固定設(shè)定值、自動計(jì)算出的設(shè)定值、操縱員輸入的設(shè)定值等[2],不同設(shè)定值和控制模式之間的切換可以通過操縱員手動完成或系統(tǒng)自動觸發(fā)。與常規(guī)控制系統(tǒng)不同的是,核電站中的安全級調(diào)節(jié)需要提供多種冗余的控制手段,并提供控制手段之間的無擾切換。在ACP1000的設(shè)計(jì)當(dāng)中,需要在主控制室和遠(yuǎn)程停堆站中提供安全級控制手段,根據(jù)相關(guān)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的要求,遠(yuǎn)程停堆站的控制功能不能依賴于主控制室[3],因此,在設(shè)計(jì)時應(yīng)考慮控制回路的獨(dú)立性。對于單個控制點(diǎn)(主控制室/遠(yuǎn)程停堆站),正常情況下操縱員通過非安全級計(jì)算機(jī)化工作站實(shí)現(xiàn)全部控制功能,在計(jì)算機(jī)化工作站失效時,控制權(quán)限將切換到安全級后備控制手段上,以保障電廠的安全。endprint

    對于實(shí)現(xiàn)安全級控制的平臺,由于核安全相關(guān)設(shè)備對設(shè)備的各方面性能要求較高,同時又受到出口禁運(yùn)的限制,國內(nèi)可選的設(shè)備供貨商非常有限[4]。本文所提出的設(shè)計(jì)方案將基于重慶川儀的Digitronik系列KMM控制器來實(shí)現(xiàn),該設(shè)備曾用于以往的出口核電項(xiàng)目中[5],其性能規(guī)格符合核法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的要求,但對于ACP1000的控制要求,相關(guān)的控制邏輯需要重新設(shè)計(jì)。KMM控制器內(nèi)部包含了30個運(yùn)算模塊,可根據(jù)設(shè)計(jì)者寫入的程序在一個CPU周期內(nèi)執(zhí)行30個不同類型的運(yùn)算,包括常規(guī)邏輯(與或非)、PID調(diào)節(jié)、模擬量處理、模式切換等。KMM控制器系統(tǒng)內(nèi)置以下四種控制模式。

    (1)手動模式(M):操縱員使用KMM控制器面板上的人機(jī)界面直接調(diào)整控制器的輸出值。

    (2)自動模式(A):操縱員使用KMM控制器面板上的人機(jī)界面控制PID模塊的設(shè)定值。

    (3)串級模式(C):KMM控制器的PID模塊使用外部設(shè)定值(固定值或其他模擬量計(jì)算的結(jié)果)。

    (4)跟蹤模式(F):KMM控制器的PID模塊以及輸出值跟蹤外部模擬量信號。

    以上控制模式可以通過KMM面板上的按鈕進(jìn)行切換,也可以通過外部信號進(jìn)行手動或自動切換,可以實(shí)現(xiàn)常規(guī)PID調(diào)節(jié)功能的各模式切換,但無法實(shí)現(xiàn)ACP1000的多控制手段對應(yīng)的模式切換功能,因此需要進(jìn)行二次設(shè)計(jì),以實(shí)現(xiàn)ACP1000對于安全級調(diào)節(jié)的功能需求。

    2 方案設(shè)計(jì)

    本文提出的解決方案的結(jié)構(gòu)如圖1所示,為實(shí)現(xiàn)前文中所描述的功能,對應(yīng)的解決方案需要考慮以下幾方面的問題:(1)控制點(diǎn)之間的獨(dú)立性;(2)控制模式的匹配;(3)各模式之間的無擾切換。

    為解決控制點(diǎn)之間的獨(dú)立性問題,該方案在主控制室和遠(yuǎn)程停堆站內(nèi)各設(shè)置了一個KMM控制器,控制器從上游模擬量機(jī)柜接收設(shè)定值或手動輸出值,每個控制器具有獨(dú)立的PID運(yùn)算功能。計(jì)算機(jī)化工作站的控制命令經(jīng)過隔離后送往模擬量處理機(jī)柜,經(jīng)過邏輯處理后發(fā)給對應(yīng)的KMM控制器。兩個KMM控制器的輸出根據(jù)主控制室/遠(yuǎn)程停堆站控制權(quán)限的激活情況進(jìn)行二取一后輸出到設(shè)備進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。

    對于控制模式的匹配問題,需要根據(jù)控制需求中的各種模式,與KMM控制器的四種運(yùn)行模式建立對應(yīng)關(guān)系。由于控制需求中的模式組合數(shù)量多于設(shè)備支持的模式數(shù)量,需要通過改變信號輸入來建立子模式,以實(shí)現(xiàn)對應(yīng)的功能。表1給出了控制模式的對應(yīng)關(guān)系。由于主控制室和遠(yuǎn)程停堆站中的KMM控制器在功能上是完全對等的,因此,在表1中用當(dāng)前控制器和另一個控制器來表示。

    正常情況下,操縱員通過計(jì)算機(jī)化工作站提供控制信號,如使用PID設(shè)定值控制,則KMM控制器工作在串級模式(C)下,根據(jù)選用的設(shè)定值不同(操縱員輸入或系統(tǒng)內(nèi)置設(shè)定值)可以細(xì)分為C1和C2兩個模式;如操縱員直接進(jìn)行手動控制,則KMM控制器工作在跟蹤模式(F)下,此處定義該模式為F1,其輸出將跟蹤操縱員在計(jì)算機(jī)化工作站上設(shè)置的手動信號。

    當(dāng)計(jì)算機(jī)化工作站不可用時,操縱員將控制權(quán)限切換到KMM控制器的面板上,此時功能需求中的三種控制模式與KMM控制器的三種常規(guī)模式相對應(yīng),即手動控制對應(yīng)KMM控制器的M模式,操縱員輸入設(shè)定值控制對應(yīng)KMM控制器的A模式,系統(tǒng)內(nèi)置設(shè)定值控制對應(yīng)KMM的C2模式。

    操縱員使用另一個控制點(diǎn)的設(shè)備進(jìn)行控制時,當(dāng)前KMM的工作模式與操縱員使用計(jì)算機(jī)化工作站控制時相似,但其最終的輸出值并沒有用來控制設(shè)備,只是在數(shù)值上與另一臺KMM控制器的輸出一致,以保證切換的無擾。根據(jù)另一個控制點(diǎn)的運(yùn)行模式,當(dāng)前KMM控制器將運(yùn)行在串級(對應(yīng)另一臺KMM控制器的PID設(shè)定值調(diào)節(jié))或跟蹤模式(對應(yīng)另一臺KMM控制器的手動調(diào)節(jié))下,根據(jù)輸入信號的不同可定義為C2、C3和F2三個子模式。各子模式對應(yīng)的模擬量輸入信號詳見表2。

    基于以上模式定義,各模式之間的切換對應(yīng)于表1中單元格相鄰的關(guān)系,即某一模式對應(yīng)表1中的一個單元格,其可能切換到的狀態(tài)為與該單元格相鄰的狀態(tài)。其中縱向模式間的切換只涉及單個KMM控制器的信息,其無擾切換可以通過控制器自身功能來實(shí)現(xiàn);橫向模式間的切換將涉及另一臺KMM控制器或計(jì)算機(jī)化工作站的當(dāng)前狀態(tài),因此需要引入其模擬量輸出值和模式狀態(tài)信號,同時將當(dāng)前KMM控制器的狀態(tài)反饋給另一臺KMM控制器,才能實(shí)現(xiàn)切換的無擾,對應(yīng)的KMM信號輸入輸出分配詳見表3。

    以上軟硬件設(shè)置實(shí)現(xiàn)了ACP1000安全級調(diào)節(jié)控制的功能需求,接下來的章節(jié)中將通過具體實(shí)例來說明其詳細(xì)控制邏輯設(shè)計(jì)。

    3 實(shí)例分析

    本節(jié)以ACP1000汽機(jī)旁路系統(tǒng)大氣排放閥為例,實(shí)現(xiàn)并驗(yàn)證了本文的設(shè)計(jì)。ACP1000汽機(jī)旁路系統(tǒng)的大氣排放閥為安全級設(shè)備,在停堆和事故工況下對維持電廠安全起著重要的作用。該設(shè)備的控制屬于ACP1000核電廠中較復(fù)雜的特例,在前文中設(shè)計(jì)的通用控制邏輯和模式的基礎(chǔ)上,還需要實(shí)現(xiàn)以下額外的功能。

    (1)事故工況下,在接收到安住信號之后,大氣排放閥的控制以自動計(jì)算出的內(nèi)部設(shè)定值進(jìn)行控制,并在30 min之內(nèi)鎖定在該模式下,30 min后允許操縱員切換到其他模式進(jìn)行人工干預(yù)。

    (2)該P(yáng)ID調(diào)節(jié)設(shè)有多個內(nèi)部設(shè)定值,分別針對正常工況、停堆工況和事故工況;

    對于第一個功能,需要通過KMM控制器和開關(guān)量處理機(jī)柜的邏輯設(shè)計(jì)來分別實(shí)現(xiàn)手動模式和操縱員設(shè)定值模式的閉鎖。對于安住信號發(fā)出后30 min內(nèi),通過開關(guān)量處理機(jī)柜將兩個KMM控制器的激活狀態(tài)信號(即表3中的DI1)置為0,以閉鎖不必要的操縱員控制功能,并通過設(shè)置DI2=0、DI3=0將兩個控制器鎖定在串級模式,接收事故工況下的內(nèi)部設(shè)定值并實(shí)現(xiàn)設(shè)備的PID控制。30 min后,開關(guān)量處理機(jī)柜將KMM控制器的前三個數(shù)字量輸入(即DI1至DI3)恢復(fù)至與運(yùn)行模式相匹配的值,并允許操縱員進(jìn)行手動或設(shè)定值調(diào)節(jié)。以上功能的邏輯對應(yīng)于KMM四個模式的激活邏輯詳見圖2。由于KMM控制器內(nèi)部F模式具有最高的優(yōu)先級,且邏輯設(shè)計(jì)中激活F模式的相關(guān)信號都是保持型信號,因此不需要在F模式觸發(fā)中使用RS觸發(fā)器,同時也不需要復(fù)位其他模式。endprint

    對于第二個功能,需要在模擬量處理機(jī)柜側(cè)實(shí)現(xiàn)多個模擬量信號的選擇功能,對應(yīng)的邏輯如圖3所示。其中三個工況下的內(nèi)部設(shè)定值、KMM控制器面板設(shè)定值和操縱員在計(jì)算機(jī)化工作站輸入的設(shè)定值根據(jù)不同工況和模式的開關(guān)量進(jìn)行選擇,最終輸出一個設(shè)定值給KMM控制器進(jìn)行PID調(diào)節(jié)控制或跟蹤,其優(yōu)先級為:事故工況設(shè)定值>停堆工況設(shè)定值>其他設(shè)定值。

    基于以上的邏輯實(shí)現(xiàn),對應(yīng)的系統(tǒng)性能參數(shù)如表4所示。其中一個運(yùn)算周期所用404 ms的運(yùn)算時間中,PID調(diào)節(jié)運(yùn)算占用371 ms,其他邏輯處理占用33 ms,可以看出復(fù)雜的模式切換邏輯并沒有影響系統(tǒng)的處理速度。本設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)了工藝系統(tǒng)的控制需求以及控制手段冗余度的需求,其運(yùn)算時間和運(yùn)算模塊占用量也在設(shè)備的性能范圍之內(nèi),成功的解決了出口核電項(xiàng)目安全級調(diào)節(jié)控制的國產(chǎn)化實(shí)現(xiàn)問題。

    4 結(jié)論

    本文提出的設(shè)計(jì)方案在國產(chǎn)化設(shè)備的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)了ACP1000對安全級調(diào)節(jié)控制的通用功能需求,并針對具有特殊控制邏輯的設(shè)備預(yù)留了自定義功能的接口,使設(shè)計(jì)方案具有一定的靈活性。通過具體實(shí)例的控制邏輯實(shí)現(xiàn)可以看出,該方案有效地解決了三代核電安全級調(diào)節(jié)控制國產(chǎn)化的問題,為三代核電的出口提供了技術(shù)支持。

    現(xiàn)有設(shè)計(jì)方案的瓶頸在于國內(nèi)供貨商的安全級設(shè)備制造能力,隨著未來國產(chǎn)化設(shè)備制造能力的提高(如設(shè)備的尺寸、處理速度、邏輯復(fù)雜度、輸入輸出等),相應(yīng)的設(shè)計(jì)方案也會有進(jìn)一步提升的空間,屆時將會根據(jù)具體的設(shè)備規(guī)格對現(xiàn)有設(shè)計(jì)方案進(jìn)行改良,以提高其處理性能和安全性。

    參考文獻(xiàn):

    [1] 韋智康,李相建,朱毅明.安全級數(shù)字化儀控系統(tǒng)鑒定試驗(yàn)研究[J].自動化博覽,2011(S2):278-282

    [2] Kiam Heong Ang,Chong G.,Yun L.,PID control system analysis,design,and technology[J].Control Systems Technology,IEEE Transactions on,2005,1(4):559-576.

    [3] International Electrotechnical Commission.IEC60965 Nuclear power plant-Control rooms-Supplementary control points for reactor shutdown without access to the main control room,2009.

    [4] 周海翔,徐瑋瑛.三代核電機(jī)組數(shù)字化儀控系統(tǒng)及其國產(chǎn)化分析[J].自動化儀表,2010(8):61-66.

    [5] 王濤,廖忠岳.可編程序調(diào)節(jié)器的計(jì)算機(jī)監(jiān)控[J].核動力工程,1997(6):547-550.endprint

    對于第二個功能,需要在模擬量處理機(jī)柜側(cè)實(shí)現(xiàn)多個模擬量信號的選擇功能,對應(yīng)的邏輯如圖3所示。其中三個工況下的內(nèi)部設(shè)定值、KMM控制器面板設(shè)定值和操縱員在計(jì)算機(jī)化工作站輸入的設(shè)定值根據(jù)不同工況和模式的開關(guān)量進(jìn)行選擇,最終輸出一個設(shè)定值給KMM控制器進(jìn)行PID調(diào)節(jié)控制或跟蹤,其優(yōu)先級為:事故工況設(shè)定值>停堆工況設(shè)定值>其他設(shè)定值。

    基于以上的邏輯實(shí)現(xiàn),對應(yīng)的系統(tǒng)性能參數(shù)如表4所示。其中一個運(yùn)算周期所用404 ms的運(yùn)算時間中,PID調(diào)節(jié)運(yùn)算占用371 ms,其他邏輯處理占用33 ms,可以看出復(fù)雜的模式切換邏輯并沒有影響系統(tǒng)的處理速度。本設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)了工藝系統(tǒng)的控制需求以及控制手段冗余度的需求,其運(yùn)算時間和運(yùn)算模塊占用量也在設(shè)備的性能范圍之內(nèi),成功的解決了出口核電項(xiàng)目安全級調(diào)節(jié)控制的國產(chǎn)化實(shí)現(xiàn)問題。

    4 結(jié)論

    本文提出的設(shè)計(jì)方案在國產(chǎn)化設(shè)備的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)了ACP1000對安全級調(diào)節(jié)控制的通用功能需求,并針對具有特殊控制邏輯的設(shè)備預(yù)留了自定義功能的接口,使設(shè)計(jì)方案具有一定的靈活性。通過具體實(shí)例的控制邏輯實(shí)現(xiàn)可以看出,該方案有效地解決了三代核電安全級調(diào)節(jié)控制國產(chǎn)化的問題,為三代核電的出口提供了技術(shù)支持。

    現(xiàn)有設(shè)計(jì)方案的瓶頸在于國內(nèi)供貨商的安全級設(shè)備制造能力,隨著未來國產(chǎn)化設(shè)備制造能力的提高(如設(shè)備的尺寸、處理速度、邏輯復(fù)雜度、輸入輸出等),相應(yīng)的設(shè)計(jì)方案也會有進(jìn)一步提升的空間,屆時將會根據(jù)具體的設(shè)備規(guī)格對現(xiàn)有設(shè)計(jì)方案進(jìn)行改良,以提高其處理性能和安全性。

    參考文獻(xiàn):

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    [5] 王濤,廖忠岳.可編程序調(diào)節(jié)器的計(jì)算機(jī)監(jiān)控[J].核動力工程,1997(6):547-550.endprint

    對于第二個功能,需要在模擬量處理機(jī)柜側(cè)實(shí)現(xiàn)多個模擬量信號的選擇功能,對應(yīng)的邏輯如圖3所示。其中三個工況下的內(nèi)部設(shè)定值、KMM控制器面板設(shè)定值和操縱員在計(jì)算機(jī)化工作站輸入的設(shè)定值根據(jù)不同工況和模式的開關(guān)量進(jìn)行選擇,最終輸出一個設(shè)定值給KMM控制器進(jìn)行PID調(diào)節(jié)控制或跟蹤,其優(yōu)先級為:事故工況設(shè)定值>停堆工況設(shè)定值>其他設(shè)定值。

    基于以上的邏輯實(shí)現(xiàn),對應(yīng)的系統(tǒng)性能參數(shù)如表4所示。其中一個運(yùn)算周期所用404 ms的運(yùn)算時間中,PID調(diào)節(jié)運(yùn)算占用371 ms,其他邏輯處理占用33 ms,可以看出復(fù)雜的模式切換邏輯并沒有影響系統(tǒng)的處理速度。本設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)了工藝系統(tǒng)的控制需求以及控制手段冗余度的需求,其運(yùn)算時間和運(yùn)算模塊占用量也在設(shè)備的性能范圍之內(nèi),成功的解決了出口核電項(xiàng)目安全級調(diào)節(jié)控制的國產(chǎn)化實(shí)現(xiàn)問題。

    4 結(jié)論

    本文提出的設(shè)計(jì)方案在國產(chǎn)化設(shè)備的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)了ACP1000對安全級調(diào)節(jié)控制的通用功能需求,并針對具有特殊控制邏輯的設(shè)備預(yù)留了自定義功能的接口,使設(shè)計(jì)方案具有一定的靈活性。通過具體實(shí)例的控制邏輯實(shí)現(xiàn)可以看出,該方案有效地解決了三代核電安全級調(diào)節(jié)控制國產(chǎn)化的問題,為三代核電的出口提供了技術(shù)支持。

    現(xiàn)有設(shè)計(jì)方案的瓶頸在于國內(nèi)供貨商的安全級設(shè)備制造能力,隨著未來國產(chǎn)化設(shè)備制造能力的提高(如設(shè)備的尺寸、處理速度、邏輯復(fù)雜度、輸入輸出等),相應(yīng)的設(shè)計(jì)方案也會有進(jìn)一步提升的空間,屆時將會根據(jù)具體的設(shè)備規(guī)格對現(xiàn)有設(shè)計(jì)方案進(jìn)行改良,以提高其處理性能和安全性。

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