秦山核電廠主蒸汽旁路排放系統(tǒng)更新設(shè)計(jì)

王峰華，古 藝，朱介文，虞曉斌，唐哲偉，姚海飛

(1.中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 海鹽 314300；2.上海寶信軟件股份有限公司海鹽分公司，浙江 海鹽 314300)

1 原旁路排放系統(tǒng)概述

主蒸汽旁路排放系統(tǒng)是一套與汽輪機(jī)并聯(lián)的蒸汽減溫減壓系統(tǒng)，主要由蒸汽管路、閥門、執(zhí)行機(jī)構(gòu)及其與之相關(guān)的控制系統(tǒng)等組成。系統(tǒng)維持電站在甩較大負(fù)荷的一回路與二回路之間的功率平衡，起緩沖調(diào)節(jié)作用，能承受70%額定排放量，共1400 t/h，每只旁排閥的排放量為350 t/h。系統(tǒng)控制母管壓力及一回路平均溫度、反應(yīng)堆停堆排熱、甩負(fù)荷，母管壓力調(diào)節(jié)壓力。

控制系統(tǒng)控制四只旁排閥及四只相應(yīng)噴淋閥的開度，旁排閥聯(lián)鎖噴淋閥開關(guān)，旁排閥動(dòng)作由兩臺(tái)油泵提供系統(tǒng)油壓,將蒸汽直接排入冷凝器。供油系統(tǒng)由兩臺(tái)液壓供油裝置、兩個(gè)油泵控制箱、旁排油、油路連接部件組成。

主蒸汽旁路排放控制系統(tǒng)是瑞士蘇爾壽公司的AV6控制系統(tǒng)，對機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全性起重要作用，其性能的好壞直接影響秦山核電廠1號機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2 改造原因

秦山核電廠1號機(jī)組主蒸汽旁路排放系統(tǒng)于1991年投運(yùn)。系統(tǒng)自投運(yùn)以來，工作穩(wěn)定，為核電站的安全可靠運(yùn)行發(fā)揮了積極作用，但是系統(tǒng)投運(yùn)至今已超過了26年，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過常規(guī)的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)壽命，原系統(tǒng)處理能力、穩(wěn)定性等性能已不滿足長時(shí)間運(yùn)行的技術(shù)要求，存在的問題如下：

1)系統(tǒng)屬于80年代產(chǎn)品，ST伺服閥、OV32液壓油站以及AV6控制系統(tǒng)年代久遠(yuǎn)，許多設(shè)備已停產(chǎn)，控制系統(tǒng)技術(shù)落后；

2)重要控制功能內(nèi)部參數(shù)只能查看并微調(diào)，軟件無法進(jìn)行大幅度修改，軟件開放性差，不利于系統(tǒng)維護(hù)；

3)伺服閥對油質(zhì)的要求非常高，對雜質(zhì)非常敏感，內(nèi)泄漏增加，導(dǎo)致油站頻繁啟動(dòng)，油站負(fù)擔(dān)大。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

旁路排放控制系統(tǒng)改造遵守以下總體設(shè)計(jì)要求：

1)整個(gè)系統(tǒng)的主要部件采用冗余配置和診斷至模塊級的自診斷功能，系統(tǒng)被任一部分發(fā)生可信故障，均不影響整個(gè)系統(tǒng)的工作，系統(tǒng)可利用率>99.9%；

2)系統(tǒng)具有功能上和實(shí)體上的模塊化設(shè)計(jì)，允許替換和更新，每個(gè)模塊可以在線維護(hù)，支持熱插拔；

3)反正形態(tài)故障引起電廠非計(jì)劃停堆，控制系統(tǒng)完全冗余配置，一旦模塊出現(xiàn)故障，自動(dòng)并無擾快讀切換到備用控制系統(tǒng)，并在觸摸屏上報(bào)警告知；

4)系統(tǒng)中的各CPU負(fù)荷：正常工況<40%，峰值工況<50%，系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信平均負(fù)荷：以太網(wǎng)正常工況<15%，峰值工況<20%；

5)系統(tǒng)具備開放式的網(wǎng)絡(luò)、通信接口機(jī)相應(yīng)的軟件，實(shí)現(xiàn)與核電廠其他計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和核電廠局域網(wǎng)的連接和通信。

4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

旁路排放控制系統(tǒng)改造是對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行改造更換，項(xiàng)目采用IMI公司的AV6+系統(tǒng)作為系統(tǒng)平臺(tái)，包括控制系統(tǒng)和供油裝置?？刂葡到y(tǒng)改造包括AV6系統(tǒng)控制機(jī)柜升級為AV6+控制機(jī)柜、就地設(shè)備升級、電纜全部更換。而供油裝置改造將原有的OV32油站更換成HV油站，包括更換各連接油管、管件、球閥、高壓軟管。

4.1 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)的主要功能是控制現(xiàn)場4個(gè)旁排閥及4個(gè)噴淋閥，達(dá)到及時(shí)排汽的作用。四只旁排閥采用順序方式工作，即在調(diào)節(jié)開啟時(shí)，四只旁排閥依次開啟，將蒸汽直接排入冷凝器。每只旁排閥均具有快速開啟和快速關(guān)閉的功能，按照控制系統(tǒng)的指令，快速開啟或關(guān)閉。

AV6+控制機(jī)柜共1個(gè)機(jī)柜，配置雙冗余電源，是由C通道儀表電源I段和C通道儀表電源II段供電，并通過220 V AC電源轉(zhuǎn)到24 V DC冗余電源給卡件供電。系統(tǒng)配置2套冗余Modicon TSX Quantum的PLC，具備旁路排放控制系統(tǒng)的控制邏輯。每套PLC的配置如下：電源(CPS214卡)、主站適配器(CRP931卡)、CPU卡(CPU671卡)、以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)模塊(NOE771)。其他還包含AI/AO/DI/DO卡(AI040、AO130、DI353、DO353卡)、從站適配器(CRA931卡)、定位器卡(PVR10eP卡)?？刂葡到y(tǒng)機(jī)柜卡件模塊如圖1所示。

圖1 旁排控制柜卡件模塊Fig.1 The card modules in the bypass discharge control cabinet

AV6+控制系統(tǒng)PLC的主要特點(diǎn)：

1)完善的系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)：電源、通訊等均可以進(jìn)行冗余，還可以根據(jù)需要對系統(tǒng)進(jìn)行熱備，故障時(shí)自動(dòng)切換；

2)靈活的體系結(jié)構(gòu)：可以自由配置本地I/O、遠(yuǎn)程I/O、分布式I/O及現(xiàn)場總線等多種體系結(jié)構(gòu)，也可以進(jìn)行混合配置；

3)使用簡便：所有模板均支持熱插拔，可以在線更換。

此系列PLC是具有強(qiáng)大處理能力的大型控制系統(tǒng)，可以滿足大部分離散和過程控制的經(jīng)濟(jì)和靈活的硬件控制平臺(tái)，與原系統(tǒng)相比，AV6+的PLC具有如下特點(diǎn):體積小、輸出故障預(yù)制功能、先進(jìn)的模擬量控制技術(shù)、可靠的數(shù)字技術(shù)、靈活的背板、開放式軟件解決方案等特點(diǎn)。

4.2 就地設(shè)備升級

原旁路排放控制系統(tǒng)就地設(shè)備主要為4只旁排閥、4只噴淋閥以及相關(guān)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，旁排閥的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)有閉鎖裝置BL10、伺服閥ST10、快速裝置SSB10、閥位變送器SG11，噴淋閥的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)有伺服閥ST10、閥位變送器SG11。

新系統(tǒng)的就地設(shè)備升級，對所有驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行升級。升級的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)如下：

1)伺服閥升級為比例閥。閥位控制比例閥與閉鎖裝置成一體化。比例閥PV6為IMI/SULZER標(biāo)準(zhǔn)的液壓控制裝置，比例閥的功能與伺服閥的功能基本相同，但更加可靠，配置相應(yīng)的PVR智能型數(shù)字定位器，采用專用的智能化程度更高的PASO軟件，對比例閥的參數(shù)設(shè)定、調(diào)整和功能測試將更加方便。原理具體見圖2。

圖2 比例閥原理圖Fig.2 Theschematic of the proportional valve

2)快開和快關(guān)的液壓裝置SSB10升級新的型號SSB16。安全控制系統(tǒng)主要由安全控制單元(SSB)、蓄能器連接塊(SB)、備用蓄能器(ZS)三部分組成。安全控制單元的核心主要由兩個(gè)可控式止回閥構(gòu)成，在正常情況下蓄能器到執(zhí)行機(jī)構(gòu)和回到油缸的油路處于關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)該系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，觸發(fā)2位3通電磁閥打開那兩個(gè)可控式止回閥，油路被打開以實(shí)現(xiàn)閥門的快速動(dòng)作。即使在供壓系統(tǒng)失效的情況下，安全控制單元SSB仍然可以保證執(zhí)行裝置運(yùn)行到預(yù)定的終端位置。備用蓄能器可以根據(jù)需要為安全控制單元提供一次或者多次行程的動(dòng)力。動(dòng)作原理見圖3。

圖3 SSB動(dòng)作原理圖Fig.3 Theschematic of SSB action

3)閥位反饋裝置RSG11+4K升級為SG16+4K。新型的閥位反饋配有4～20 mA模擬量輸出單元和4副SPDT開關(guān)量觸點(diǎn)輸出單元，可以實(shí)現(xiàn)4～20 mA反饋和限位開關(guān)的輸出到控制系統(tǒng)。新閥位反饋裝置的優(yōu)點(diǎn)：調(diào)試簡單，通過零點(diǎn)和量程2個(gè)按鈕輕輕按2次即可實(shí)現(xiàn)0%和100%閥位反饋調(diào)整，輸出精度<0.5%，而且無需設(shè)置閥位偏置，消除了老式的電位計(jì)反饋輸出的拐點(diǎn)現(xiàn)象。

因此升級后的旁排閥及相關(guān)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)比原先更加可靠。

4.3 油站控制

油站控制分為就地供油裝置及油泵控制系統(tǒng)。

旁排控制系統(tǒng)由供油裝置提供閥門動(dòng)作油壓，使旁排閥和噴淋閥能正常動(dòng)作，保證旁排控制系統(tǒng)正常運(yùn)作。

供油裝置的油泵正常啟停主要是靠油泵控制系統(tǒng)控制，而油泵控制系統(tǒng)通過壓力傳感器、溫度傳感器和液位傳感器對液壓動(dòng)力單元予以監(jiān)控，也可用于啟動(dòng)控制設(shè)備以及蓄能器充油閥、主泵電機(jī)、過濾泵電機(jī)和冷卻風(fēng)機(jī)電機(jī)以及加熱器。

供油裝置的主要功能是提供控制系統(tǒng)所需要的液壓油及壓力，同時(shí)保持液壓油的正常理化特性和運(yùn)行特性。它由油箱、油泵、控制塊、濾油器、磁性過濾器、溢流閥、蓄能器、冷油器、EH端子箱和一些對油壓、油溫、油位的報(bào)警、指示和控制的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備以及一套自循環(huán)濾油冷卻系統(tǒng)所組成。

新型的HV油站代替原OV32B油站，與原油站相比，新油站具備以下優(yōu)點(diǎn)：

1)自成獨(dú)立的供油系統(tǒng)，控制可以在就地控制箱內(nèi)的PLC實(shí)現(xiàn)，也可以選擇在DCS內(nèi)實(shí)現(xiàn)；

2)系統(tǒng)配置2臺(tái)冗余油站，每臺(tái)油站上配有兩臺(tái)主泵和馬達(dá),一套工作和一套備用，自動(dòng)定時(shí)切換兩臺(tái)油泵，以保證油泵壽命，油壓太低,兩臺(tái)泵同時(shí)起動(dòng),直至建立正常壓力；

3)配置獨(dú)立的油過濾器、空氣式冷卻器。

5 系統(tǒng)軟件

旁路排放控制AV6+系統(tǒng)采用Concept 軟件進(jìn)行編程。Concept 提供了模擬量處理、標(biāo)準(zhǔn)及串級 PID 調(diào)節(jié)、PID 整定、函數(shù)發(fā)生器等多種回路調(diào)節(jié)功能，可使用功能塊圖編程，還可選擇高級語言進(jìn)行數(shù)學(xué)復(fù)雜算法。針對特定應(yīng)用自定義功能塊并反復(fù)使用，支持功能塊嵌套，可與梯形圖、順序功能圖、指令列表和結(jié)構(gòu)化文本組合使用。此外，Modbus Plus及32位TCP/IP 仿真器支持用戶程序及監(jiān)控軟件的離線開發(fā)及調(diào)試。

專業(yè)筆記本電腦可通過Concept軟件，可以進(jìn)行PLC控制器的內(nèi)核程序的更改，I/O Map的配置，組態(tài)和上傳與下載程序。還可以在程序運(yùn)行時(shí)，對程序和過程變量進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)控。不同的連接級別，可以保證即使在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，也可以選擇較低權(quán)限連接保證程序和參數(shù)不會(huì)被修改。

6 設(shè)計(jì)特點(diǎn)

設(shè)計(jì)改進(jìn)是旁路排放控制系統(tǒng)的的一個(gè)重大特色，其中包含了許多硬件性能特點(diǎn)及軟件性能特點(diǎn)，為系統(tǒng)設(shè)備的安全可靠提供有力的保障，具有代表性的特點(diǎn)如下：

1)觸摸屏代替按鈕：LCD觸摸屏作為人機(jī)接口，直接安裝在主控室操作盤上,采用了閃存內(nèi)存(CF卡)，不需要后備電池保存數(shù)據(jù)，與AV6+系統(tǒng)的通信采用二線制的MODBUS(RTU聯(lián)結(jié))。主要功能是為主控操作員提供旁排閥、噴淋閥的狀態(tài)顯示、各種重要參數(shù)的數(shù)顯功能、系統(tǒng)報(bào)警信息，還可以設(shè)置控制系統(tǒng)參數(shù)，并對系統(tǒng)進(jìn)行手自動(dòng)切換、壓力模式/溫度模式切換等。

2)PLC冗余設(shè)計(jì):系統(tǒng)配置2套冗余PLC,進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性，避免主PLC相關(guān)模塊出現(xiàn)故障導(dǎo)致系統(tǒng)不可用，同時(shí)可以幫助維修人員實(shí)現(xiàn)在線維護(hù)，及時(shí)更換故障模塊。

3)修改參數(shù)方式：PLC冗余設(shè)計(jì)是在原有控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性，避免主PLC相關(guān)模塊出現(xiàn)故障導(dǎo)致系統(tǒng)不可用，同時(shí)可以幫助維修人員實(shí)現(xiàn)在線維護(hù)，及時(shí)更換故障模塊A6+采用PLC系列，通過專業(yè)筆記本電腦連接CPU，對內(nèi)部組態(tài)進(jìn)行查看并修改，還可以設(shè)置旁排系統(tǒng)的重要參數(shù)。同時(shí)還可以通過專業(yè)筆記本電腦連接PVR10eP卡，對4個(gè)旁排閥、4個(gè)噴淋閥進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，并對反饋信號進(jìn)行對比設(shè)置。

4)比例閥替換伺服閥：原系統(tǒng)伺服閥對油質(zhì)的要求非常高，對雜質(zhì)非常敏感，內(nèi)部泄漏，造成系統(tǒng)油壓下降快，旁排油泵頻繁啟停，油站的使用壽命下降。而比例閥對油質(zhì)的要求不高，不會(huì)對系統(tǒng)油壓造成很大的影響，因此由比例閥替換伺服閥。

5)信號外送：為了提高系統(tǒng)參數(shù)的直觀性，為了提高系統(tǒng)的故障判定準(zhǔn)確性,旁排系統(tǒng)及油站信號外送至電站計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，可在電站計(jì)算機(jī)系統(tǒng)以及生產(chǎn)管理系統(tǒng)中查詢旁排控制系統(tǒng)相關(guān)信號信息。方便了主控室操作員監(jiān)視旁排信號，同時(shí)也為后續(xù)問題分析提供有力的證據(jù)。

7 結(jié) 論

主蒸汽旁路排放控制系統(tǒng)于2018年秦山核電廠1號機(jī)組第18次大修期間完成了更新改造，并處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。改造突破了原系統(tǒng)的技術(shù)限制條件，解決了技術(shù)落后、設(shè)備老化、備件不足等問題，并利用最新計(jì)算機(jī)和自動(dòng)化技術(shù)對系統(tǒng)進(jìn)行升級開發(fā)，對原系統(tǒng)功能實(shí)施升級，特別是觸摸屏顯示、PLC冗余配置、參數(shù)修改方式簡單化、比例閥替換伺服閥、信號外送計(jì)算機(jī)等新功能引入使得整個(gè)系統(tǒng)在穩(wěn)定性、可擴(kuò)展性以及人機(jī)交互性等方面均得到全面改善，滿足改造的預(yù)期目標(biāo)。