“華龍一號”機組汽輪機系統(tǒng)仿真建模及邏輯驗證

何靖蕓，李 程，華志剛，單福昌

(中核武漢核電運行技術(shù)股份有限公司,湖北 武漢 430223)

核電廠使用的汽輪機控制系統(tǒng)在驗收時需要進行邏輯測試，但由于沒有實際信號接入，大部分信號只能依靠工程師站強制賦值，其余少部分包括汽輪機轉(zhuǎn)速等相關(guān)信號也是由儀表進行較為簡單的模擬，這種測試能涉及的控制部分內(nèi)容較少，且過多的強制量也降低了測試的可信度。鑒于此，通過模擬仿真的方式研究開發(fā)了一套“華龍一號”機組的汽輪機仿真系統(tǒng)，它包括了工藝系統(tǒng)模型、汽輪機控制邏輯模型、人機界面和IO通信接口。工藝系統(tǒng)模型與汽輪機控制邏輯構(gòu)成控制閉環(huán)，通過將工藝系統(tǒng)模型接入汽輪機控制邏輯，構(gòu)建的汽輪機仿真系統(tǒng)既能夠滿足儀控方面對汽輪機控制邏輯測試驗證的需求，也可以被用于操作人員培訓及故障再現(xiàn)分析等工作。

1 全模擬仿真系統(tǒng)建模

1.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

設計開發(fā)汽輪機模擬仿真系統(tǒng)的軟件均為國內(nèi)自主研發(fā)的軟件，這些軟件多次成功應用于核電廠全范圍模擬機及其他仿真項目，軟件穩(wěn)定可靠，能滿足仿真建模的需求。

全模擬的汽輪機仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示，其中汽輪機控制邏輯仿真模型與人機界面基于同一平臺開發(fā)，二者共用數(shù)據(jù)庫；系統(tǒng)工藝仿真模型采用SimES設計開發(fā)，其支撐軟件使用SimBase，是整個工藝系統(tǒng)的底層環(huán)境；教練員站所使用的軟件為SimIS，它具有復位IC、運行、暫停、回溯、插入故障等功能。工藝模型與汽機邏輯及二層界面通過接口通訊程序進行交互通訊，組成閉環(huán)的仿真汽輪機控制系統(tǒng)。

圖1 汽輪機仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of the steam turbine simulation system

1.2 工藝模型系統(tǒng)設計

工藝模型開發(fā)是在rinsim 2.0仿真平臺上，以汽輪機相關(guān)系統(tǒng)為對象，通過ESD工程師站建立仿真模型。

1)首先在ESD中建立汽機相關(guān)仿真系統(tǒng)目錄樹，根據(jù)項目統(tǒng)一仿真系統(tǒng)命名方式，在ESD資源庫目錄下建立起相關(guān)仿真系統(tǒng)目錄樹。

2)在各個仿真系統(tǒng)中增加流程圖，主要是根據(jù)核電廠系統(tǒng)設計資料流程圖進行流網(wǎng)節(jié)點圖的劃分和建立，并對流程圖中每個部件、節(jié)點、管道輸入其提供的設計參數(shù)。

3)建模完成后，通過編譯、鏈接、導入IC和調(diào)試，并與其他仿真系統(tǒng)進行聯(lián)合調(diào)試，最終生成一套完整的汽輪機仿真系統(tǒng)。

4)建立對點表，把汽輪機模型與控制系統(tǒng)連接起來，用以實現(xiàn)兩部分的實時通訊，以滿足各個工況的響應。

1.3 控制系統(tǒng)設計

對汽輪機一層控制邏輯進行仿真建模的具體仿真方法如下：

在某軟件中建立“華龍一號”機組仿真項目。在仿真項目下根據(jù)汽輪機廠控制系統(tǒng)劃分仿真系統(tǒng)，具體包括保護系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)、汽輪機輔助控制系統(tǒng)、MSR控制系統(tǒng)及發(fā)電機控制系統(tǒng)，其中保護系統(tǒng)分為故障安全和非故障安全兩部分，共6個站。

在各個仿真控制站中，根據(jù)汽輪機廠提供的控制邏輯圖、接線點表等文件，通過從算法庫中拖曳部件至仿真圖并進行相應部件接線，以及設置相關(guān)部件參數(shù)的方式，完成汽輪機控制邏輯的仿真建模。

建模完成后，通過編譯、生成各個控制站的任務，使整個項目能啟動運行。該仿真系統(tǒng)控制邏輯運行效果如圖2所示。

圖2 汽輪機仿真系統(tǒng)控制邏輯運行效果圖Fig.2 The operation effect of logic control of the stream turbine simulation system

1.4 仿真人機界面設計

仿真人機界面(Level 2)是以汽輪機廠實際二層畫面為仿真對象進行建模完成的。首先，需要對獲取的實際二層畫面中各個元素進行分類，包括閥門、泵、調(diào)閥、按鈕等不同的設備，頁面中的模擬量、報警、曲線等顯示元素，以及菜單欄的報警列表、前進后退等功能性元素，并將這些元素分別制作為部件模板。每張二層畫面圖對應不同的圖形文件，建模時針對畫面中不同狀態(tài)的顯示變化和部分設備點擊時彈出的控制頁面為各個元素配置動態(tài)屬性參數(shù)或操作事件參數(shù)。

人機界面仿真運行軟件通過調(diào)用二層組態(tài)圖并實時從數(shù)據(jù)庫獲取數(shù)據(jù)，能形象且實時的對二層界面進行模擬。仿真系統(tǒng)的二層人機界面運行效果如圖3所示。

圖3 汽輪機仿真系統(tǒng)人機界面運行效果圖Fig.3 The operation effect of HMI of the stream turbine simulation system

1.5 系統(tǒng)間接口

將各個系統(tǒng)進行集成，各系統(tǒng)之間接口如圖4所示。其中由于汽輪機二層人機界面與一層控制邏輯均使用同一平臺開發(fā)，二者共用一個數(shù)據(jù)庫，因此不另設接口。

圖4 汽輪機各仿真系統(tǒng)間接口Fig.4 Simulation of the steam turbine interface

汽輪機一層控制系統(tǒng)與工藝系統(tǒng)的接口主要包含工藝系統(tǒng)上行至DEH的傳感器信號和設備反饋信號，汽輪機一層控制系統(tǒng)的下行命令信號以及教控臺發(fā)出的操作指令信號。系統(tǒng)間接口通過通訊程序來實現(xiàn)，使用TCP/IP協(xié)議，由于工藝系統(tǒng)與汽輪機控制系統(tǒng)中數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的不同，在通訊中對數(shù)據(jù)類型進行了轉(zhuǎn)換。

2 汽輪機控制系統(tǒng)驗證

在汽輪機系統(tǒng)出廠前，為確保軟件方面控制功能的可行性，需進行邏輯測試。但是由于大量信號缺乏來源，依靠強制及簡單機器給值，造成測試范圍不夠全面，在現(xiàn)場仍需花費大量時間調(diào)試的情況。本文使用汽輪機仿真系統(tǒng)對汽機控制系統(tǒng)的邏輯功能進行驗證，可以提前完成大量現(xiàn)場調(diào)試工作，減輕現(xiàn)場負擔。下面將介紹控制系統(tǒng)的主要任務與邏輯驗證的過程與結(jié)果。

2.1 系統(tǒng)介紹

汽輪機組控制系統(tǒng)由汽機控制系統(tǒng)，保護系統(tǒng)，監(jiān)視系統(tǒng)，診斷系統(tǒng)及供油系統(tǒng)組成。其主要控制任務大致分為閉環(huán)控制，開環(huán)控制，監(jiān)視與保護汽機，具體內(nèi)容如下：

1)開環(huán)控制：供油控制，疏水控制，抽氣控制，盤車控制，MSR疏水系統(tǒng)，再熱器疏水系統(tǒng)；

2)閉環(huán)控制：轉(zhuǎn)速、負荷控制，閥門自動實驗，甩負荷控制，MSR暖機控制，軸封蒸汽控制；

3)監(jiān)視：熱應力，振動位移，轉(zhuǎn)速負荷，溫度的監(jiān)視；

4)保護：超速保護，電子保護以及汽機遮斷系統(tǒng)。

汽輪機需要在安全，合適的時間啟動，以滿足核電廠可能的最短啟動時間與高可用性的經(jīng)濟要求。汽輪機控制系統(tǒng)的任務就是使汽輪機和所有需要啟動的輔助系統(tǒng)安全、可靠地完成停機狀態(tài)與發(fā)電運行狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，即汽輪機的啟動與停止。

整體汽輪機控制涉及13個系統(tǒng)，300多臺設備，由于需要監(jiān)視的測點過多、啟停步驟復雜，為了提高機組的啟停機速率、規(guī)避人因失誤風險，“華龍一號”機組的汽輪機控制系統(tǒng)引入了順控邏輯。在滿足一步的狀態(tài)后自動觸發(fā)下一步相應動作指令，檢測是否獲得合適的反饋并判定何時進行下一步操作，其中僅需要操作員進行部分確認操作，大大簡化了操作的步驟流程。順控邏輯包含汽輪機啟動停止，閥門實驗，油泵實驗，MSR疏水系統(tǒng)啟停等十多個自動控制邏輯。

2.2 邏輯驗證

控制系統(tǒng)的邏輯驗證是從單系統(tǒng)到多系統(tǒng)，從閥門、按鈕的可操作性到整體系統(tǒng)功能，從小規(guī)模順控到汽輪機啟停的大順控依次進行的，其流程如圖5所示。

圖5 控制系統(tǒng)邏輯驗證流程Fig.5 Logic verification process of control system

首先利用開發(fā)的通訊程序?qū)⒎抡婀に囅到y(tǒng)的模型信號接入控制系統(tǒng)，其中包含部分汽機外系統(tǒng)的參數(shù)。在進行單系統(tǒng)測試時會將待測系統(tǒng)以外的工藝系統(tǒng)凍結(jié)，僅測試單系統(tǒng)中設備及控制邏輯；測試完成后進行多系統(tǒng)測試，驗證中系統(tǒng)功能的測試根據(jù)汽輪機相關(guān)測試需求完成。由于順控需要整體系統(tǒng)有比較完備的狀態(tài)，所以在系統(tǒng)控制部分測試完成后，會使用汽機甩負荷等特殊工況驗證當前的汽輪機仿真模型狀態(tài)與真實汽輪機系統(tǒng)相符合程度，確認模型能滿足核電廠調(diào)試與邏輯驗證的需求，最后再進行順控測試。在后續(xù)的順控測試中，以汽輪機廠提供的相關(guān)順控資料為依據(jù)進行測試。

在多系統(tǒng)的功能測試中，以操作員測試規(guī)程為依據(jù)，分系統(tǒng)進行。對系統(tǒng)中進行操作后未獲得應有反應、反應時間異常、出現(xiàn)報警過多或報警出現(xiàn)未有對應反應等異常情況，從二層界面向下查找對應邏輯，在具體定位問題后進行調(diào)整。

下面以汽輪機啟動的大順控為例，介紹對順控邏輯的驗證過程。該邏輯首先進行各個閥門狀態(tài)、氫冷、油泵、汽輪機輔助系統(tǒng)等各系統(tǒng)檢查，檢查無誤后由操作員確認蒸汽品質(zhì)，汽機開始從盤車狀態(tài)進行沖轉(zhuǎn)，至390 r/min時需經(jīng)操作員進行機組摩擦檢查，隨后繼續(xù)沖轉(zhuǎn)到額定轉(zhuǎn)速1515 r/min，此后經(jīng)過并網(wǎng)操作，汽輪機帶上50 MW初負荷，啟動順控結(jié)束。驗證中關(guān)注汽輪機能否利用順控一鍵啟機，中途是否有文件中未列出但需操作員操作的步驟，邏輯的搭建與銜接能否完成所需功能等。

2.3 驗證結(jié)果

在前期的功能性測試中發(fā)現(xiàn)了以下幾類問題：

1)邏輯取反錯誤。因為汽輪機廠的邏輯測試中大部分信號由對應頁面中工程師站強制賦值得到，存在一些開關(guān)輸入量因頁面跳轉(zhuǎn)中多次取反，最終獲得錯誤狀態(tài)的問題。

2)閥門或泵設備的反饋與行程時間問題。由于沒有實際或模擬設備的接入，汽輪機廠為測試方便直接將控制模塊的開關(guān)命令接入設備的反饋，導致設備行程時間的缺失，狀態(tài)改變時出現(xiàn)開關(guān)反饋同時存在的報警。

3)邏輯連線錯誤。部分控制邏輯連線缺失或與頁面說明不符合，致使無法出現(xiàn)預期響應。

4)參數(shù)有誤?？刂茍D中給定參數(shù)與定制手冊中不符合或參數(shù)設置不合理，如邏輯圖中限值與設備資料不匹配的情況。

功能性測試完成后，進行典型工況測試。圖6是汽輪機甩負荷至廠用電的工況，該工況顯示控制系統(tǒng)對功率與轉(zhuǎn)速的控制與設計數(shù)據(jù)相符合，說明該汽輪機仿真系統(tǒng)，能滿足核電廠調(diào)試與邏輯驗證的需求，有比較好的狀態(tài)，可以進行后續(xù)順控邏輯的驗證。

圖6 汽輪機甩負荷工況Fig.6 Load rejection condition of the steam turbine

在順控功能的測試中主要發(fā)現(xiàn)了以下幾類問題：

1)缺乏小型順控資料。在汽輪機廠給出的資料中，缺乏一些小規(guī)模順控的具體說明，當這部分順控出現(xiàn)問題時操作員無法進行合適的響應。

2)部分需要操作員手動進行的操作未寫入資料。對比資料與邏輯圖發(fā)現(xiàn)一些邏輯圖中顯示需要手動進行的操作未寫入資料中，致使順控無法進行。

3)邏輯錯誤。在查找順控中出現(xiàn)的異常問題中，發(fā)現(xiàn)部分過程邏輯前后存在矛盾，或連接有誤，或錯用了“與”和“或”等部件，造成順控結(jié)束后未達到需求效果或順控卡在后續(xù)對結(jié)果的檢查步驟。

利用汽輪機仿真模擬系統(tǒng)，對驗證過程中發(fā)現(xiàn)的問題進行了及時的反饋與修正，完成了整體汽輪機功能與順控功能的調(diào)試，這說明了該系統(tǒng)具備對汽輪機邏輯功能驗證的能力，體現(xiàn)了驗證工作的必要性。

3 總結(jié)

本文采用全模擬方式建立了“華龍一號”機組汽輪機的仿真系統(tǒng)并利用該系統(tǒng)對汽輪機廠的控制邏輯進行了驗證，汽輪機控制模型依據(jù)汽機設計資料建模，在仿真系統(tǒng)中完成了所有分系統(tǒng)功能與順控的調(diào)試，調(diào)試后的系統(tǒng)已經(jīng)可以完成全部順控功能。通過邏輯驗證，將發(fā)現(xiàn)的問題反饋給汽輪機廠，使其可以提前進行控制邏輯的調(diào)整與修改，減輕現(xiàn)場調(diào)試的負擔。

本文對整體仿真系統(tǒng)的設計開發(fā)方法與驗證流程做了簡要闡述，該方法可以在實際設備未到位時提前對控制邏輯進行驗證，大大減少了現(xiàn)場調(diào)試的時間及困難，尤其適合有復雜控制邏輯的系統(tǒng)。不僅如此，該仿真系統(tǒng)還可以用于人員運行、維護的培訓，以及工程分析及驗證等方面，有推廣應用的價值。