基于西門子SPPA-T3000系統(tǒng)核電DEH的改造研究

古 藝，朱介文

(中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 海鹽 314300)

隨著控制技術(shù)的不斷發(fā)展，秦山核電一期350 MWe機(jī)組提出繼續(xù)運(yùn)行20年的目標(biāo)，原有系統(tǒng)的硬件以及控制策略已不能完全適應(yīng)當(dāng)前電廠的運(yùn)行要求，存在較大偏差及運(yùn)行風(fēng)險。汽輪機(jī)控制系統(tǒng)升級應(yīng)采用方案成熟、技術(shù)先進(jìn)、運(yùn)行可靠、以微處理器為基礎(chǔ)的分散型的設(shè)備。只有不斷吸收和掌握現(xiàn)有的先進(jìn)技術(shù)，才能對先進(jìn)的設(shè)備進(jìn)行更好的掌控。

秦山核電一期350 MWe機(jī)組DEH控制系統(tǒng)采用了西門子的T3000 控制系統(tǒng)，是上海汽輪機(jī)廠引進(jìn)西門子汽輪機(jī)DEH 控制技術(shù)所采用的軟硬件支撐平臺。本文結(jié)合秦山核電一期350 MWe機(jī)組基于T3000系統(tǒng)的西門子汽輪機(jī)DEH 控制系統(tǒng)的構(gòu)成、T3000系統(tǒng)的硬件與軟件等幾個方面的應(yīng)用進(jìn)行分析，希望對國內(nèi)同類型機(jī)組的應(yīng)用提供一些借鑒。

1 系統(tǒng)概述及改造必要性

DEH是汽輪機(jī)數(shù)字式電液控制的實(shí)時控制系統(tǒng)，我廠DEH由計算機(jī)控制部分與液壓控制部分(EH)組成。DEH部分完成各種控制回路、控制邏輯的運(yùn)算，通過操作員站等人機(jī)接口設(shè)備完成運(yùn)行操作、監(jiān)控及系統(tǒng)管理。根據(jù)對汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時采集，經(jīng)過各種控制策略、控制回路的運(yùn)算，將最終的閥門控制指令輸出到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過EH系統(tǒng)由液壓執(zhí)行部件驅(qū)動閥門完成對機(jī)組的負(fù)荷、轉(zhuǎn)速等被調(diào)節(jié)變量的控制。

秦山核電一期350MWe原機(jī)組DEH采用上海新華控制工程有限公司生產(chǎn)的XDPS-400E系統(tǒng)，自2002年投運(yùn)以來已運(yùn)行十多年，該系統(tǒng)具有控制精度高、系統(tǒng)穩(wěn)定、畫面簡潔、組態(tài)維護(hù)方便等特點(diǎn)。但由于為上世紀(jì)90年代設(shè)計產(chǎn)品，存在備件采購困難和產(chǎn)品升級后與現(xiàn)場原有硬件不匹配等問題，給維修和運(yùn)行人員的日常維護(hù)帶來困難，也對維護(hù)水平提出了更高要求，原系統(tǒng)處于設(shè)備壽命末期，故障率上升,與機(jī)組繼續(xù)運(yùn)行20年的目標(biāo)存在較大偏差。故需要升級改造為更為可靠、設(shè)計更為合理，同時滿足汽輪發(fā)電機(jī)更新后的匹配要求。

目前市場上核電廠DEH系統(tǒng)大多采用西屋OVATION、阿爾斯通P320、西門子T2000等。本次汽輪機(jī)DEH改造項(xiàng)目包含在汽輪機(jī)通流改造中，由上海汽輪機(jī)廠負(fù)責(zé)實(shí)施改造，而西屋涉及核電的業(yè)務(wù)必須由美國方合作，報價較高；上汽廠無阿爾斯通P320系統(tǒng)此方面的業(yè)績，廣泛性不夠；T2000已在多個核電廠應(yīng)用，其操作基于Linux系統(tǒng)平臺，維護(hù)工作多為命令行，系統(tǒng)較為復(fù)雜，且報價較高。結(jié)合經(jīng)濟(jì)性與實(shí)用性，西門子T3000系統(tǒng)已在火電廣泛應(yīng)用，系統(tǒng)成熟；其操作基于Windows，系統(tǒng)架構(gòu)簡單便于維護(hù)；改造報價經(jīng)濟(jì)性高。因此秦山核電一期350 MWe機(jī)組DEH控制系統(tǒng)改造采用了西門子的T3000控制系統(tǒng)。

2 硬件系統(tǒng)改進(jìn)

秦山一期DEH原采用新華XDPS-400，改造后為西門子SPPA-T3000系統(tǒng)，具有統(tǒng)一的硬件平臺。DEH系統(tǒng)配置圖如圖1所示。改造后DEH 采用雙處理器來實(shí)現(xiàn)冗余控制，保證系統(tǒng)在單一故障情況下仍能安全穩(wěn)定運(yùn)行，并使用CS3000第三方冗余通訊模塊將數(shù)據(jù)傳輸至電站計算機(jī)進(jìn)行保存和顯示。該模塊從下層網(wǎng)獨(dú)立讀取數(shù)據(jù)同時將數(shù)據(jù)發(fā)送至第三方平臺，具有采樣頻率高、數(shù)據(jù)傳輸量大等特點(diǎn)。DEH 的上述特征使它比早期產(chǎn)品更容易維護(hù)且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對簡單并且功能齊全。自診斷特性不僅用在從一個控制方式轉(zhuǎn)到另一個控制方式，而且可以用來確定故障的位置。系統(tǒng)中所有的I/O 卡都可以在線替換，由于無子系統(tǒng)邊界，維護(hù)工作較其他系統(tǒng)相對簡單，可擴(kuò)展性也較好。

圖1 DEH系統(tǒng)配置圖Fig.1 DEH system configuration

2.1 DEH控制系統(tǒng)改進(jìn)

1)改造后控制系統(tǒng)采用西門子SPPA-T3000系統(tǒng)較改造前新華XDPS-400系統(tǒng)具有系統(tǒng)應(yīng)用更廣泛、控制速度更快(最快掃描周期達(dá)到4 ms)、歷史數(shù)據(jù)存儲周期更短且具有動態(tài)存儲功能、系統(tǒng)穩(wěn)定較高、具有第三方通信功能等優(yōu)點(diǎn)。

2)改造后常規(guī)控制邏輯存放在CPU410內(nèi)，CPU 410具有極其靈活的可擴(kuò)展性，只需一款硬件就能涵蓋標(biāo)準(zhǔn)、容錯和故障安全，應(yīng)用中控制器的整個性能范圍；重要保護(hù)邏輯如甩負(fù)荷、OPC、閥位控制等邏輯則放在FM458高速控制組件內(nèi)，功能強(qiáng)大的FM458處理器用于高速的汽輪機(jī)控制，具有高性能閉環(huán)控制和運(yùn)算處理，在FM458中進(jìn)行邏輯判斷運(yùn)算以達(dá)到快速響應(yīng)的目的。當(dāng)CPU410、FM458發(fā)生故障時，輸出跳機(jī)信號達(dá)到保護(hù)汽輪機(jī)目的。

3)“掛閘”“并網(wǎng)”“轉(zhuǎn)速”“功率”“沖動級壓力”“閥位”等參與DEH重要邏輯控制參數(shù)及“閥門控制指令”分別送入三塊三重冗余卡件DEH專用控制接口模塊ADDFEM卡(注：ADDFEM卡實(shí)現(xiàn)數(shù)字量、模擬量輸入輸出)。三選二邏輯對三個輸入信號中有一個發(fā)生故障時實(shí)行保護(hù)，三個輸入信號是在分開的I/O 卡上讀入或采用冗余卡件的方式輸入，以防止I/O硬件中的單點(diǎn)故障造成誤跳機(jī)。只有當(dāng)兩塊卡件同時故障時才輸出跳機(jī)信號，以達(dá)到保護(hù)汽輪機(jī)目的的。關(guān)鍵輸入信號的三選二方式改進(jìn)了系統(tǒng)可靠性。

2.2 汽門LVDT配置調(diào)試改進(jìn)

LVDT是DEH調(diào)門自動控制的反饋環(huán)節(jié)，LVDT主要用于汽輪機(jī)各進(jìn)汽調(diào)門的閥位控制和閥位顯示，將油動機(jī)活塞的位移(閥門開度)信號轉(zhuǎn)換成電壓信號反饋到DEH 系統(tǒng)。反饋信號與DEH 系統(tǒng)送來的閥門開度指令信號相比，差值經(jīng)過伺服放大器放大并轉(zhuǎn)換成電流值后，驅(qū)動液壓伺服閥控制油動機(jī)和汽閥開關(guān)。秦一廠機(jī)組調(diào)門傳感器采用六線制LVDT，屬于直線位移傳感器，它是由鐵芯、初級線圈、次級線圈組成，初級線圈、次級線圈分布在線圈骨架上，線圈內(nèi)部有一個可自由移動的桿狀鐵芯。兩線圈輸出的電壓差值大小隨鐵芯位移而呈線性變化。

改造前現(xiàn)場高壓調(diào)門的兩支LVDT的輸出采用高選策略，在一支故障的情況下切到另一支控制時，存在調(diào)門閥位波動的風(fēng)險，改造后調(diào)門LVDT的輸出值未采用高選的邏輯而采用兩個反饋值與指令值相比較，取更貼近指令值的其中一個反饋值輸出的方式，更準(zhǔn)確地控制調(diào)門開度。改造后的邏輯圖如圖2所示。機(jī)組正常選擇2號LVDT反饋值，當(dāng)1號LVDT反饋值與指令偏差的絕對值小于2號LVDT反饋值與指令偏差的絕對值時，邏輯判斷后會自動選擇1號LVDT反饋值作為機(jī)組閥門反饋值，反之當(dāng)1號LVDT反饋值與指令偏差的絕對值大于2號LVDT反饋值與指令偏差的絕對值時，會切回2號LVDT反饋值。雙支LVDT冗余配置的改變，使得在其中一支LVDT故障時，也能無擾切換到另一支LVDT運(yùn)行，更加安全可靠。同時取消伺服卡，邏輯直接寫在系統(tǒng)里。能實(shí)時在線查看，可操作性高，調(diào)試簡單，參數(shù)修改方便。

圖2 調(diào)門控制邏輯圖Fig.2 The control logic of the regulating valve

LVDT工作過程中，鐵心的運(yùn)動不能超出線圈的線性范圍，否則將產(chǎn)生非線性值，因此所有的LVDT均有一個線性范圍。所用LVDT工作線性長度為250 mm，在LVDT的調(diào)試前期采用調(diào)整電位器的方法，并將汽門開度的零位與滿位調(diào)整在0及250刻度上。這種調(diào)試方法不僅容易造成電位器螺絲滑絲，導(dǎo)致其整個電位器失去調(diào)節(jié)作用，而且在運(yùn)行期間容易出現(xiàn)閥門超出LVDT線性范圍而出現(xiàn)超限報警，給日常運(yùn)行帶來不便。而現(xiàn)場汽門實(shí)際運(yùn)行長度大多在210～230 mm之間，只要將其工作范圍放入LVDT工作線性長度250 mm內(nèi)，將不會出現(xiàn)超限的情況。通過在邏輯卡件內(nèi)寫值的方法，將其實(shí)際工作零位、滿位、電氣零點(diǎn)與顯示開度對應(yīng)，其上行程開度與下行程開度均為線性。

通過寫值的調(diào)試方法，不用對電位器進(jìn)行反復(fù)旋轉(zhuǎn)，減少電位器滑絲情況，降低了備件的損耗。同時將起機(jī)前的LVDT熱態(tài)調(diào)試試驗(yàn)時間從以前的2 h縮短至1 h左右，大大節(jié)省了大修期間的主線時間。

2.3 其他改進(jìn)

1)電超速保護(hù)由原來一套增加為兩套，增加設(shè)備可靠性，兩套電超速保護(hù)模塊均采用BRAUN公司E16電超速保護(hù)模塊，第一套BRAUN卡除了超速保護(hù)用途外，還有三路信號通過ADDFEM的DI通道送到FM458。相比于之前復(fù)雜的機(jī)械超速裝置，對硬件設(shè)施要求很高，而且每次實(shí)驗(yàn)過程都很繁雜。如果漏油很容易誤動作，影響機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。涉及機(jī)組的暖機(jī)，節(jié)省機(jī)械超速試驗(yàn)的時間，提高系統(tǒng)可靠性，可提高經(jīng)濟(jì)效益。新系統(tǒng)采用E16布朗卡后，通過轉(zhuǎn)速探頭采集回來的轉(zhuǎn)速信號送入卡件中進(jìn)行處理，更為簡單，數(shù)據(jù)由軟件處理也更為可靠，準(zhǔn)確度更高。

2)取消薄膜閥后打閘手柄，在汽輪機(jī)機(jī)頭位置處增加一套“就地手動停機(jī)按鈕”便于應(yīng)急停機(jī)。

3)“EH油”“LBO油”“真空”將原來壓力開關(guān)改造為羅斯蒙特3051系列變送器，基于三取二的邏輯。具有可靠性高、維護(hù)方便等特點(diǎn)。

4)取消“ETS試驗(yàn)盤”，改造將相關(guān)操作畫面集成至DEH操作員站，具有參數(shù)在線監(jiān)視和歷史數(shù)據(jù)查看的功能，同時設(shè)置重要功能參數(shù)光子牌及畫面報警功能。

3 軟件系統(tǒng)差異

3.1 系統(tǒng)特點(diǎn)

SPPA-T3000具有以下特點(diǎn)：1)工程數(shù)據(jù)、項(xiàng)目數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)等均從統(tǒng)一的中心數(shù)據(jù)站讀取；2)所有功能均嵌入統(tǒng)一的平臺，無子系統(tǒng)；3)來自任何站點(diǎn)的任務(wù)都是基于網(wǎng)絡(luò)功能實(shí)現(xiàn)的；4)系統(tǒng)可擴(kuò)展性強(qiáng)等。T3000根據(jù)需求將數(shù)據(jù)工作流程最優(yōu)化，無中間數(shù)據(jù)庫。同時其強(qiáng)大的報警及歷史存儲功能能夠有效幫助維護(hù)及運(yùn)行人員進(jìn)行事故分析和穩(wěn)定運(yùn)行工作。

3.2 DEH系統(tǒng)邏輯差異

為了減少操作員后期的運(yùn)行壓力，改造理念盡量與原來系統(tǒng)設(shè)計一致，即操作方式、操作畫面、內(nèi)部邏輯均參考了原來的理念及風(fēng)格，并在原來的控制策略上為了提升設(shè)備可靠性進(jìn)行了一定優(yōu)化。

沖動級壓力信號由改造前的一路變更為三路，前端增加三路沖動機(jī)壓力變送器分別送至三塊ADDFEM卡，邏輯中使用三選中邏輯，當(dāng)三個沖動級壓力信號都正常工作時，選擇中間值沖動級壓力信號作為實(shí)際壓力信號在邏輯中使用，并設(shè)置故障報警和偏差報警，在兩路以上變送器故障時候切除沖動級壓力調(diào)節(jié)回路。

并網(wǎng)信號由改造前一路增加為兩路，發(fā)電機(jī)并網(wǎng)信號以一常開一常閉形式送入DEH專門卡件，只有在兩路同時翻轉(zhuǎn)時才會切換并網(wǎng)模式，當(dāng)任何一路翻轉(zhuǎn)時不會導(dǎo)致模式的切換同時增加異常報警信息。

4 總 結(jié)

通過硬件和軟件兩個方面詳細(xì)介紹了改造后的DEH系統(tǒng)的特點(diǎn)。改造實(shí)施完成后，經(jīng)過三年的運(yùn)行，設(shè)備狀況良好。通過此次基于西門子SPPA-T3000改造后的DEH系統(tǒng)，提高了汽輪機(jī)組運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性，可有效地減少系統(tǒng)故障率，對整個核電機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行有積極的意義。