西門子汽機(jī)控制系統(tǒng)在CPR1000核電機(jī)組中的應(yīng)用

吳瓊 李俊寧

摘 要：核電汽輪機(jī)控制系統(tǒng)和保護(hù)系統(tǒng)是核電站重要的控制設(shè)備之一，了解和熟悉控制系統(tǒng)對(duì)于保證機(jī)組安全平穩(wěn)運(yùn)行至關(guān)重要的。陽江核電六臺(tái)機(jī)汽輪機(jī)控制系統(tǒng)采用德國西門子公司的T2000+PCS7系統(tǒng)，該系統(tǒng)在國內(nèi)核電站半速機(jī)上屬首次應(yīng)用。文章結(jié)合陽江核電的實(shí)際應(yīng)用情況，全面介紹了系統(tǒng)的架構(gòu)，并對(duì)其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析。陽江核電1號(hào)機(jī)組的成功商運(yùn)表明，該系統(tǒng)功能強(qiáng)大，運(yùn)行穩(wěn)定，能夠滿足核電站對(duì)安全型和可靠性的要求。

關(guān)鍵詞：核電站；汽機(jī)控制系統(tǒng)；T2000；PCS7；控制器；故障安全

中圖分類號(hào)：TN914 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2016）21-0036-03

陽江核電站位于廣東省陽江核電基地，是我國目前在建的最大核電項(xiàng)目。項(xiàng)目采用中廣核集團(tuán)具有自主品牌的中國改進(jìn)型壓水堆核電技術(shù)路線CPR1000+，建設(shè)6臺(tái)百萬千瓦級(jí)別的壓水堆核電機(jī)組。1號(hào)機(jī)組已經(jīng)已于2014年3月25日成功投入商業(yè)運(yùn)行。

陽江核電常規(guī)島的汽輪機(jī)組是由上海電氣總包，并且和德國西門子公司共同生產(chǎn)和供貨，機(jī)組的額定功率為1 086 MW、轉(zhuǎn)速為1 500 r/min、反動(dòng)式、一高壓缸、兩低壓缸、單軸、一次中間再熱，兩缸四排汽的凝汽式汽輪機(jī)。汽輪機(jī)的控制系統(tǒng)采用的是西門子公司提供的T 2000+PCS7數(shù)字化汽機(jī)控制和保護(hù)系統(tǒng)。西門子系統(tǒng)經(jīng)過不斷的發(fā)展和升版，T 2000+PCS7系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念已經(jīng)非常成熟，硬件設(shè)備可靠性非常高，TEC4組態(tài)非常方便，已經(jīng)廣泛用于世界各地的機(jī)組。在國內(nèi)，同樣的設(shè)計(jì)架構(gòu)有臺(tái)山核電的DCS系統(tǒng)，但是在國內(nèi)核電的汽輪機(jī)控制方面還是首次。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

陽江核電TCS系統(tǒng)由6個(gè)控制柜、2對(duì)控制服務(wù)器柜及1對(duì)電源柜組成。

6個(gè)控制器中，GRE001AR屬于GRE汽輪機(jī)控制系統(tǒng)，主要負(fù)責(zé)汽輪機(jī)的控制及現(xiàn)場I/O信號(hào)的處理與運(yùn)算如轉(zhuǎn)速、功率信號(hào)采集，用來保護(hù)汽輪機(jī)的精確控制，比如汽機(jī)沖轉(zhuǎn)、并網(wǎng)、帶負(fù)荷等。

GSE001AR及GSE002AR為汽輪機(jī)的保護(hù)和跳機(jī)控制柜，柜內(nèi)主要是汽機(jī)保護(hù)功能的控制卡件（分為常規(guī)控制卡件和故障安全型控制卡件）、及硬回路超速保護(hù)、及部分順控邏輯信號(hào)，可完成汽機(jī)的所有保護(hù)及跳機(jī)功能。

GME001AR機(jī)柜，主要用于汽輪機(jī)的振動(dòng)、軸位移、脹差等信號(hào)的采集、及轉(zhuǎn)換，但是不參與控制，用于信號(hào)的轉(zhuǎn)換和中轉(zhuǎn)。

KCP901AR機(jī)柜為汽輪機(jī)的輔機(jī)系統(tǒng)做準(zhǔn)備，此機(jī)柜主要用于控制汽機(jī)輔機(jī)的所有系統(tǒng)，比如EH油系統(tǒng)、潤滑油系統(tǒng)、疏水閥門等系統(tǒng)，并且含承擔(dān)GRE系統(tǒng)送過來的信號(hào)轉(zhuǎn)換。

KCP903AR機(jī)柜，用于MSR汽水分離再熱的控制，這個(gè)系統(tǒng)在核電廠的簡寫為GSS，主要是用于加熱從高壓缸出來的乏汽，并且控制其出口溫度。

KCP905AR機(jī)柜，主要用于發(fā)電機(jī)輔助系統(tǒng)的控制。

GRE002/003AR兩個(gè)服務(wù)器柜，分別是T2000系統(tǒng)的A/B兩列，每列大部分設(shè)備屬于冗余配置，主要是T2000服務(wù)器計(jì)算機(jī)、DCS通訊的網(wǎng)關(guān)、時(shí)鐘同步器、工程師站等設(shè)備。

GRE010AR，是一個(gè)由交換機(jī)、2臺(tái)操作終端、工程師站客戶端組成的操作臺(tái)，有利于操作員監(jiān)視和操作汽機(jī)設(shè)備、查看歷史趨勢，有利于現(xiàn)場調(diào)試的各種工作的配合。其結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

2 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)成及特點(diǎn)

西門子T2000+PCS7系統(tǒng)由三層網(wǎng)絡(luò)組成，即零層網(wǎng)為現(xiàn)場控制網(wǎng)、一層為Plantbus總線網(wǎng)、二層為Terminalbus總線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。

第零層網(wǎng)絡(luò)為現(xiàn)場控制網(wǎng)，主要使用的是PROFIBUS總線技術(shù)，傳輸速率為12 MB/s，采用屏蔽雙絞線（A類電纜）作為PROFIBUS傳輸介質(zhì)，它傳輸?shù)男盘?hào)是RS485信號(hào)，具有實(shí)時(shí)性、同步性、可靠性等特點(diǎn)。該層網(wǎng)絡(luò)主要用來連接控制器CPU與各個(gè)輸入輸出卡件時(shí)間的數(shù)據(jù)通信，從而實(shí)現(xiàn)控制器與各個(gè)I/O卡件之間的數(shù)據(jù)雙向交換。控制器CPU與各個(gè)控制卡件之間的通信都是冗余的回路來實(shí)現(xiàn)的，一路為主一路為從配置。其結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

西門子的T2000+PCS7系統(tǒng)一層為plantbus總線，采用是西門子公司開發(fā)的H1總線，傳輸速率為100 MB/s，一層plantbus總線網(wǎng)絡(luò)主要用于連接所有的控制器、PU/SU服務(wù)器、工程師站、主時(shí)鐘、一層通信站等設(shè)備，也稱為AS620系統(tǒng)，該層網(wǎng)絡(luò)主要實(shí)現(xiàn)汽機(jī)的就地控制、以及與DCS的通信，他們通信協(xié)議為Modbus TCP/IP。

二層網(wǎng)絡(luò)是基于工業(yè)以太網(wǎng)的TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)，連接工程師站、TEC4服務(wù)器、XU通信網(wǎng)關(guān)、PU/SU、操作員站終端等設(shè)備，二層網(wǎng)絡(luò)主要是實(shí)現(xiàn)工程組態(tài)和人機(jī)接口，主要軟件為OM650系統(tǒng)。其結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

3 主要的硬件架構(gòu)

TCS系統(tǒng)的主要硬件包括各類控制器、各種功能卡件及西門子的T2000服務(wù)器，下面以各個(gè)系統(tǒng)的特性對(duì)硬件進(jìn)行介紹。

3.1 GRE系統(tǒng)

GRE屬于汽機(jī)的控制系統(tǒng)，其中硬件包括快速采集I/O卡件AddFEM、快速閉環(huán)運(yùn)算CPU FM458、常規(guī)S7-CPU414 PG等硬件；AddFEM卡件是多功能的采集卡件：①12通道數(shù)字量輸入；②8通道模擬量輸出，4-20 mA；③12通道模擬量輸入，4-20 mA，+/-30 mA；④可任意設(shè)置3 通道脈沖量輸入；⑤16通道數(shù)字量輸入；⑥冗余的Profibus DP 接口，支持12 M/S通信速率；⑦完善的自診斷功能。其結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

3.2 GSE系統(tǒng)

GSE系統(tǒng)為汽機(jī)的保護(hù)系統(tǒng)，也包括西門子的S7-400的CPU，采集卡分為故障安全型卡和非故障安全型卡，因此它的內(nèi)部邏輯分為T2000部分和PCS7部分，并且GSE還包含硬超速回路。其結(jié)構(gòu)，如圖5所示。

3.3 TCS與DCS之間的通訊網(wǎng)關(guān)CM104及XU

西門子控制系統(tǒng)T2000與非安全級(jí)DCS通訊采用的是兩塊互為冗余的兩塊CM104通訊網(wǎng)關(guān)及兩臺(tái)XU計(jì)算機(jī)，DCS與TCS之間的通訊分為Level1及Level2，CM104用于Level1的通訊，主要用于傳送控制信號(hào)及畫面的顯示，使用的Modbus TCP/IP協(xié)議，由于使用這種協(xié)議，因此它們之間的通訊不帶時(shí)間標(biāo)簽，時(shí)間由各自的網(wǎng)關(guān)進(jìn)行標(biāo)定，因此這些信號(hào)的時(shí)間標(biāo)簽是有誤差的；Level2的通訊采用西門子公司的生產(chǎn)的兩臺(tái)XU計(jì)算機(jī)來進(jìn)行DCS與TCS系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換，采用的TCP/IP協(xié)議，主要是TCS送給DCS系統(tǒng)的實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)，用于DCS系統(tǒng)歷史趨勢及日志查詢。LEVEL1采用兩對(duì)冗余CM104通訊網(wǎng)關(guān)進(jìn)行實(shí)時(shí)傳送數(shù)據(jù)，達(dá)6000多個(gè)信號(hào)；Level2采用的是一對(duì)并行的XU計(jì)算機(jī)通訊網(wǎng)關(guān)進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸，多達(dá)2500多個(gè)信號(hào)。

3.4 西門子T2000系統(tǒng)S7-400 CPU

陽江核電站汽機(jī)的控制系統(tǒng)的CPU使用的是西門子S7-400 PG型號(hào)CPU，總共5對(duì)CPU，每對(duì)CPU都是冗余配置，該類控制器廣泛的用于電廠的汽機(jī)控制系統(tǒng)，如上海外高橋等電廠，CPU通過Profibus總線與下面的控制卡件相連接，又通過CP443-1與西門子的工廠總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。其結(jié)構(gòu)，如圖6所示。

3.5 西門子T2000的校時(shí)系統(tǒng)

西門子汽機(jī)T2000控制系統(tǒng)設(shè)置了一套對(duì)時(shí)裝置：一臺(tái)DTS4801主時(shí)鐘，兩臺(tái)DTS4130時(shí)間服務(wù)器，DTS4801以NTP的方式獲取DTV（全廠主時(shí)鐘系統(tǒng)）送過來的時(shí)間報(bào)文，然后又以NTP的形式往T2000系統(tǒng)發(fā)送時(shí)間報(bào)文。其結(jié)構(gòu)，如圖7所示。

在正常情況下，DTS4801主時(shí)鐘獲取DTV的時(shí)鐘報(bào)文，然后發(fā)送給DTS4130時(shí)間服務(wù)器，再發(fā)送給T2000控制系統(tǒng)。間服務(wù)器DTS4130接收主時(shí)鐘DTS4801的時(shí)間報(bào)文，然后DTS4130時(shí)間服務(wù)器是以廣播的形式往T2000發(fā)送時(shí)鐘報(bào)文，如果DTS4801主時(shí)鐘出現(xiàn)跳變的話，DTS4130主時(shí)鐘有兩種響應(yīng)方式，一種是立刻響應(yīng)；一種慢慢靠近，而不跳變，慢慢同步。這兩種方式通過DTS4130時(shí)間服務(wù)器里進(jìn)行設(shè)置。

3.6 西門子T2000系統(tǒng)的服務(wù)器

與其他廠家的控制系統(tǒng)相比，西門子的汽機(jī)控制系統(tǒng)具有自己的優(yōu)勢。TCS的控制柜里包含了工程師站ES680、組態(tài)服務(wù)器TEC4 SERVER、過程處理及歷史服務(wù)器PU/SU，及GRE的服務(wù)器PG。整個(gè)TCS控制系統(tǒng)，還包含兩臺(tái)操作員站OT。TEC4 SERVER 計(jì)算機(jī)主要用于汽機(jī)所有邏輯的組態(tài)，安裝有專門的組態(tài)軟件；ES680屬于工程師站，用于汽機(jī)邏輯的編譯和下裝，并且對(duì)TCS整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行管理，使用的是Saloris系統(tǒng)。兩臺(tái)操作員站，在平時(shí)由于汽機(jī)接受DCS系統(tǒng)控制，因此操作員站僅僅作為監(jiān)視，當(dāng)DCS與TCS通訊網(wǎng)關(guān)出現(xiàn)問題時(shí)，OT操作員站可以接管汽機(jī)的控制。

4 汽機(jī)GRE主要的控制

4.1 汽機(jī)的轉(zhuǎn)速控制功能

西門子汽機(jī)的轉(zhuǎn)速控制功能包含兩部分：轉(zhuǎn)速控制來控制汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速升降，其中包括：轉(zhuǎn)速給定、轉(zhuǎn)速的升速率限制、臨界轉(zhuǎn)速識(shí)別、超速試驗(yàn)等；轉(zhuǎn)速控制來控制汽輪機(jī)的功率，轉(zhuǎn)速控制來控制功率是通過不等率來實(shí)現(xiàn)，陽江核電的轉(zhuǎn)速不等率為5%，通過轉(zhuǎn)速與實(shí)際功率的轉(zhuǎn)換從而來實(shí)現(xiàn)功率的控制，如在廠用電的情況下，陽江核電的汽機(jī)是通過轉(zhuǎn)速來控制汽輪機(jī)功率，轉(zhuǎn)速控制和負(fù)荷控制可以無擾的切換。

4.2 汽機(jī)的負(fù)荷控制功能

汽機(jī)負(fù)荷控制包含汽機(jī)并網(wǎng)并帶上最小負(fù)荷、負(fù)荷設(shè)定值、最大負(fù)荷計(jì)算、升負(fù)荷速率及負(fù)荷的正常調(diào)節(jié)。西門子汽機(jī)的控制系統(tǒng)對(duì)負(fù)荷的控制只有自動(dòng)控制模式而沒有手動(dòng)控制一說。

在此模式下，汽機(jī)的功率設(shè)定值減去功率實(shí)際值、加入一次調(diào)頻分量，經(jīng)過PID計(jì)算后用于計(jì)算總蒸汽需求量，總蒸汽需求量受到蒸汽流量限制、主汽壓力限制，形成有效的蒸汽流量需求。有效蒸汽需求用于計(jì)算閥位、閥門開啟速度等，直至負(fù)荷升到目標(biāo)負(fù)荷。

4.3 蒸汽流量限制及主蒸汽壓力限制

當(dāng)汽機(jī)在負(fù)荷控制模式時(shí)，蒸汽流量自動(dòng)設(shè)定在最大值105%，操作員可以根據(jù)機(jī)組的運(yùn)行情況在主控室修改蒸汽流量的限值，該限制限值了最大的蒸汽流量。蒸汽流量限制與主汽壓力限制值較小者，便為負(fù)荷控制回路的功率上限值。

壓力控制模式目的是用來限制汽機(jī)進(jìn)氣壓力的方式來限制蒸汽流量，從而達(dá)到汽機(jī)功率的限制。壓力控制模式也可以由反應(yīng)堆發(fā)出的一個(gè)邏輯信號(hào)啟動(dòng)，以防止反應(yīng)堆超功率。

4.4 一鍵啟機(jī)控制邏輯的實(shí)現(xiàn)

在自啟動(dòng)系統(tǒng)的作用下，汽輪機(jī)能夠安全的，在一個(gè)合適的時(shí)間啟動(dòng)。這符合電廠可能的最短啟動(dòng)時(shí)間和高可用性的經(jīng)濟(jì)要求。汽輪機(jī)控制系統(tǒng)的任務(wù)就是使汽輪機(jī)和所有需要啟動(dòng)的輔助系統(tǒng)達(dá)到安全，可靠地從停機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)換到發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)。

為了使汽輪機(jī)在最短的時(shí)間內(nèi)并且經(jīng)濟(jì)效益最高的情況下盡快啟動(dòng)，西門子設(shè)計(jì)了一鍵啟機(jī)的邏輯，整個(gè)汽機(jī)啟機(jī)使用西門子的順控邏輯，從盤車狀態(tài)沖轉(zhuǎn)、暖機(jī)、過共振區(qū)、同期轉(zhuǎn)速，并網(wǎng)、帶上最小負(fù)荷都是在這個(gè)順控里一步一步走完，啟機(jī)順控總共35步。

5 結(jié) 語

本文詳細(xì)地介紹了西門子汽機(jī)控制系統(tǒng)T2000+PCS7的硬件配置及控制功能，該系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)緊湊、安全可靠、獨(dú)特的冗余模式提高了機(jī)組的保護(hù)系統(tǒng)的可靠性。軟件組態(tài)方面功能強(qiáng)大，操作簡單，在機(jī)組正常帶負(fù)荷試驗(yàn)中（超速試驗(yàn)、ATT閥門試驗(yàn)、甩負(fù)荷、跳機(jī)試驗(yàn)等）均表現(xiàn)優(yōu)良，滿足核電安全性和可靠性。本文充分介紹了西門子汽機(jī)在核電中使用的一些先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念，如一鍵啟機(jī)等，對(duì)同類型的機(jī)組設(shè)計(jì)、運(yùn)行等具有廣泛的借鑒意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] 趙先國，張敏.ALSTOM汽機(jī)控制系統(tǒng)在嶺澳二期核電站的應(yīng)用[J].自 動(dòng)化儀表，2013，（2）.