核電廠GHE真空箱液位控制系統(tǒng)的數(shù)字化改造

樓昕皓，張 巍，王希河，錢 敏

（中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 海鹽 314300）

0 引言

隨著DCS（Distributed Control System，即分布式控制系統(tǒng)）在核電廠應(yīng)用程度的不斷提升，核電廠的數(shù)字化水平持續(xù)提高，已形成建設(shè)“數(shù)字化核電廠”的趨勢(shì)。數(shù)字化核電廠將DCS 作為監(jiān)視和控制的核心，由DCS完成主要儀控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和處理、過程控制、信息顯示及操作等功能，并結(jié)合緊急操作裝置和后備盤，保證機(jī)組維持在安全狀態(tài)。

在數(shù)字化核電廠的原設(shè)計(jì)中，并非全部設(shè)備都實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化，仍然有一部分設(shè)備因各種原因未接入DCS，再加上出現(xiàn)可靠性差、設(shè)備老化等問題，主控對(duì)這類設(shè)備的監(jiān)視、控制、干預(yù)手段有限。特別是其中的關(guān)鍵重要設(shè)備，一旦故障將不利于機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)其進(jìn)行數(shù)字化改造迫在眉睫[1]。

1 GHE系統(tǒng)

方家山核電廠的發(fā)電機(jī)密封油系統(tǒng)（GHE）設(shè)計(jì)用于向發(fā)電機(jī)密封件供給潤(rùn)滑油，進(jìn)而防止轉(zhuǎn)子軸與發(fā)電機(jī)外殼之間油封處的發(fā)電機(jī)氫冷卻劑的泄漏，并通過防止大氣污染使氫冷卻劑純度得以保持。

圖1 液位調(diào)節(jié)器GHE402MNFig.1 Liquid level regulator，GHE402MN

為了防止污染發(fā)電機(jī)，軸封供應(yīng)油中不得含有溶解氣體。GHE 系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個(gè)真空箱GHE001CW，把油噴到該真空箱內(nèi)以去除油中所含的溶解氣體。真空箱GHE001CW內(nèi)的液位由液位控制閥GHE001VH 控制，來自潤(rùn)滑油箱的潤(rùn)滑油進(jìn)行過濾后，經(jīng)GHE001VH 和一組噴嘴進(jìn)入GHE001CW。若GHE001CW 液位升 高，則GHE001VH 關(guān)??；反之，若GHE001CW 液位降低，則GHE001VH 開大。

2 GHE真空箱液位控制系統(tǒng)原設(shè)計(jì)存在的問題

2.1 液位調(diào)節(jié)器無法遠(yuǎn)程控制，設(shè)備故障后主控?zé)o法手動(dòng)干預(yù)

GHE001VH 由液位調(diào)節(jié)器GHE402MN 控制，該液位調(diào)節(jié)器屬于基地式調(diào)節(jié)儀，包括氣動(dòng)控制器、氣動(dòng)傳送器、電子傳送器及機(jī)械液位開關(guān)，用于測(cè)量與控制液位、比重及液體界面，控制原理為阿基米德定律。控制儀器上使用一個(gè)置換器，置換器配掛在一個(gè)扭力管組件上，該扭力管組件可簡(jiǎn)單準(zhǔn)確地將置換器動(dòng)力傳輸?shù)綑C(jī)械裝置上[2]。

液位調(diào)節(jié)器GHE402MN 屬于就地設(shè)備，主控?zé)o法監(jiān)視GHE001VH 閥門指令和反饋等被控參數(shù)，也無法遠(yuǎn)程控制。一旦該液位調(diào)節(jié)器出現(xiàn)故障，可能導(dǎo)致GHE 真空箱液位出現(xiàn)波動(dòng)，此時(shí)主控?zé)o法手動(dòng)干預(yù)，只能通知維修人員檢修。

2.2 GHE真空箱液位無遠(yuǎn)傳信號(hào)，主控?zé)o法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)液位

GHE 真空箱旁安裝了一個(gè)磁翻板液位計(jì)GHE302LN，可以就地監(jiān)測(cè)液位，但未設(shè)計(jì)遠(yuǎn)傳信號(hào)，主控?zé)o法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。如果出現(xiàn)某些故障需要確認(rèn)GHE 真空箱液位情況，只能安排人員前往現(xiàn)場(chǎng)讀數(shù)，既耗費(fèi)人力，又使響應(yīng)滯后。

2.3 GHE真空箱液位開關(guān)可靠性較差，無冗余功能

磁翻板液位計(jì)GHE302LN 本體上安裝了兩個(gè)液位開關(guān)構(gòu)成了相關(guān)泵的保護(hù)停運(yùn)邏輯，一個(gè)是真空箱液位高開關(guān)GHE505SN，用于自動(dòng)停運(yùn)真空泵GHE401PO/GHE402PO中的運(yùn)行泵（真空泵正常為一用一備）；另一個(gè)是真空箱液位低開關(guān)GHE605SN，用于自動(dòng)停運(yùn)主油泵GHE101PO。這些液位開關(guān)屬于磁性開關(guān)，可靠性較差，多次發(fā)生因開關(guān)故障問題導(dǎo)致誤跳真空泵/主油泵的缺陷。因液位開關(guān)無冗余功能，真空泵、主油泵的保護(hù)停運(yùn)功能過于依賴單個(gè)液位開關(guān)的可靠性，一旦液位開關(guān)故障，再疊加GHE 真空箱液位主控?zé)o法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，容易造成主控操作員對(duì)GHE真空箱液位情況產(chǎn)生誤判。

2.4 GHE真空箱液位控制性能不佳

GHE 真空箱液位控制主要存在兩方面的問題：

一方面，GHE 真空箱液位波動(dòng)范圍超標(biāo)。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，GHE 真空箱液位應(yīng)控制在中心線±100 mm，即可接受的液位波動(dòng)正常范圍是不超過200 mm。但根據(jù)設(shè)備實(shí)際允許情況看，實(shí)際液位波動(dòng)范圍約為300 mm，已經(jīng)超出了正常范圍的50%。維修人員曾嘗試通過提升基地式調(diào)節(jié)儀的響應(yīng)速度來改善液位控制器控制性能，但效果不明顯。

另一方面，GHE 真空箱液位控制系統(tǒng)抗擾動(dòng)能力差。當(dāng)機(jī)組存在大的工況變化（如啟停機(jī)），會(huì)對(duì)GHE 真空箱液位造成擾動(dòng)，此時(shí)實(shí)際液位波動(dòng)呈發(fā)散振蕩趨勢(shì)，容易觸發(fā)GHE 真空箱液位高/低保護(hù)停泵邏輯，不利于控制系統(tǒng)的穩(wěn)定。

進(jìn)一步分析，上述問題的根本原因?yàn)橐何徽{(diào)節(jié)器GHE402MN 設(shè)備可靠性差、響應(yīng)遲滯，維修人員調(diào)整GHE402MN 調(diào)節(jié)參數(shù)后，問題有所緩解，但未能徹底解決。

可見，雖然GHE 真空箱液位控制系統(tǒng)原設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)液位自動(dòng)控制的功能，但存在多種問題。當(dāng)機(jī)組處于穩(wěn)定運(yùn)行工況時(shí)，GHE 真空箱液位相對(duì)平穩(wěn)，但如果出現(xiàn)工況變化、設(shè)備故障等情況，容易出現(xiàn)GHE 真空箱液位過高或過低的情況，增加了非停的風(fēng)險(xiǎn)，不利于機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3 數(shù)字化改造的技術(shù)方案

3.1 技術(shù)方案的可行性分析

為解決GHE 真空箱液位控制系統(tǒng)原設(shè)計(jì)存在的各類問題，可以通過應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)開展數(shù)字化改造，將GHE 真空箱液位控制功能通過DCS 實(shí)現(xiàn)[3]。包括以下內(nèi)容：

1）維持原有的液位控制閥GHE001VH 閥體不變，用智能閥門定位器取代基地式調(diào)節(jié)儀，指令和反饋信號(hào)接入DCS，采用PID 控制，通過DCS 實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方手自動(dòng)控制功能。

2）用雷達(dá)液位計(jì)取代磁翻板液位計(jì)和磁性液位開關(guān)，液位信號(hào)接入DCS 參與控制，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)視功能，通過液位信號(hào)的模擬量定值實(shí)現(xiàn)保護(hù)跳泵邏輯。

圖2 液位計(jì)改造示意圖Fig.2 Schematic diagram of level gauge transformation

經(jīng)過詳細(xì)的調(diào)研，方家山核電廠的多個(gè)液位控制系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)了DCS 控制，包括高壓給水加熱器系統(tǒng)、凝結(jié)水抽取系統(tǒng)、汽水分離再熱器系統(tǒng)等重要系統(tǒng)，雷達(dá)液位計(jì)、智能閥門定位器廣泛應(yīng)用于這些系統(tǒng)的液位控制中，屬于非常成熟的DCS 工程應(yīng)用案例[4]。和原基地式調(diào)節(jié)儀的設(shè)計(jì)方案相比，這些實(shí)現(xiàn)了DCS 控制的液位控制系統(tǒng)的可靠性、冗余性存在明顯優(yōu)勢(shì)，且設(shè)備故障率更低、后備人為干預(yù)手段更多。

因此，GHE 真空箱液位控制系統(tǒng)的數(shù)字化改造在技術(shù)上是可行的。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備改造技術(shù)方案

對(duì)于液位調(diào)節(jié)器，將原基地式調(diào)節(jié)儀及相關(guān)附件拆除，替換為智能閥門定位器，并重新安裝減壓閥與供氣管線。新增的智能閥門定位器和液位控制閥GHE001VH 閥體相匹配，執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制輸入和閥位反饋輸出信號(hào)均為4 mA DC～20 mA DC。

對(duì)于液位計(jì)，將原磁翻板液位計(jì)和磁性液位開關(guān)拆除，并從GHE 真空箱原液位管道一次隔離閥后加裝新管道、三通、彎頭、二次隔離閥、測(cè)量筒、儀表支架等附件，最后水平并排安裝3 個(gè)雷達(dá)液位計(jì)GHE403MN、404MN、405MN，其中一個(gè)雷達(dá)液位計(jì)配置了磁翻板液位計(jì)，便于就地讀數(shù)。

新增現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備后，需要將5 個(gè)信號(hào)接入DCS 控制機(jī)柜，包括密封油箱液位GHE403MN、404MN、405MN 與液位控制閥GHE001VH 的指令、反饋信號(hào)。由于DCS 機(jī)柜在設(shè)計(jì)時(shí)已預(yù)留了一定的裕量，上述5 個(gè)信號(hào)送至GHE 系統(tǒng)所在的KCP562AR 機(jī)柜，并分布至柜內(nèi)3 塊I/O 卡件的空通道中，無需新增I/O 卡件，機(jī)柜側(cè)實(shí)施成本極低。

3.3 DCS控制邏輯改造技術(shù)方案

密封油箱液位GHE403MN、404MN、405MN 選用的雷達(dá)液位計(jì)量程為0～1100 mm，零點(diǎn)與原設(shè)計(jì)一致。每一個(gè)密封油箱液位GHE403MN、404MN、405MN 都設(shè)計(jì)了HH（高高）、H（高）、LL（低低）、L（低）定值，并據(jù)此設(shè)計(jì)了以下定值控制邏輯：

1）真空油箱GHE001CW 液位高高

該邏輯取代了真空箱液位高開關(guān)GHE505SN 的原設(shè)計(jì)功能，通過3 取2 邏輯塊，當(dāng)GHE403MN、404MN、405MN 中至少兩個(gè)液位達(dá)到了HH 定值（1010 mm）時(shí)，會(huì)觸發(fā)報(bào)警GHE007KA“真空油箱GHE001CW 液位高高”，同時(shí)自動(dòng)停運(yùn)真空泵GHE401PO/GHE402PO 中的運(yùn)行泵。

2）真空油箱GHE001CW 液位高

該邏輯為新增邏輯，通過3 取2 邏輯塊，當(dāng)GHE403MN、404MN、405MN 中至少兩個(gè)液位達(dá)到了H定值（950 mm）時(shí)，會(huì)觸發(fā)報(bào)警GHE107KA“真空油箱GHE001CW 液位高高”，提醒主控真空箱液位存在異常，需要進(jìn)行檢查和干預(yù)。

3）真空油箱GHE001CW 液位低低

該邏輯取代了真空箱液位低開關(guān)GHE605SN 的原設(shè)計(jì)功能，通過3 取2 邏輯塊，當(dāng)GHE403MN、404MN、405MN 中至少兩個(gè)液位達(dá)到了LL 定值（700mm）時(shí)，會(huì)觸發(fā)報(bào)警GHE006KA“真空油箱GHE001CW 液位低低”，同時(shí)自動(dòng)停運(yùn)主油泵GHE101PO。

4）真空油箱GHE001CW 液位低

該邏輯為新增邏輯，通過3 取2 邏輯塊，當(dāng)GHE403MN、404MN、405MN 中至少兩個(gè)液位達(dá)到了L定值（800 mm）時(shí)，會(huì)觸發(fā)報(bào)警GHE106KA“真空油箱GHE001CW 液位低”，提醒主控真空箱液位存在異常，需要進(jìn)行檢查和干預(yù)。

同時(shí)，每一個(gè)密封油箱液位GHE403MN、404MN、405MN 都啟用了質(zhì)量位功能，設(shè)計(jì)了質(zhì)量位自動(dòng)退防與報(bào)警邏輯：當(dāng)GHE403MN、404MN、405MN 其中1 個(gè)信號(hào)觸發(fā)了質(zhì)量位后，該信號(hào)自動(dòng)剔除，真空油箱GHE001CW液位高/ 低3 取2 跳泵邏輯自動(dòng)退防為2 取2；當(dāng)GHE403MN、404MN、405MN 其中2 個(gè)信號(hào)觸發(fā)了質(zhì)量位后，這2 個(gè)信號(hào)自動(dòng)剔除，真空油箱GHE001CW 液位高/低3 取2 跳泵邏輯自動(dòng)退防為1 取1；當(dāng)GHE403MN、404MN、405MN 其中3 個(gè)信號(hào)都觸發(fā)了質(zhì)量位后，真空油箱GHE001CW 液位高/低3 取2 跳泵邏輯自動(dòng)退防為不動(dòng)作。另外，當(dāng)GHE403MN、404MN、405MN 任意1 個(gè)信號(hào)觸發(fā)了質(zhì)量位后，都會(huì)觸發(fā)GHE102KA“密封油箱油位傳感器故障”，提醒主控真空箱液位計(jì)存在故障，需要進(jìn)行檢查和維修。

對(duì)于GHE 真空箱液位控制，分手動(dòng)控制和自動(dòng)控制兩種模式。

自動(dòng)控制模式是機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)的主要控制模式，設(shè)計(jì)了單回路PID 控制邏輯，其基本原理是先在DCS 中通過1 個(gè)中選邏輯塊將GHE403MN、404MN、405MN 三者中的次高值作為實(shí)際液位值輸出，再通過PID 邏輯塊和主控操作員輸入的設(shè)定值進(jìn)行比較，計(jì)算后輸出液位控制閥GHE001VH 的開度指令。當(dāng)實(shí)際液位高于設(shè)定值時(shí)，將GHE001VH 關(guān)?。划?dāng)實(shí)際液位低于設(shè)定值時(shí)，將GHE001VH 開大，保持實(shí)際液位在可控范圍之內(nèi)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)GHE 真空箱液位自動(dòng)控制的功能。

圖3 GHE真空箱液位控制邏輯示意圖Fig.3 GHE,Schematic diagam of level control logic of empty tank

手動(dòng)控制模式需要人為干預(yù)，該模式主要用于應(yīng)對(duì)重大故障或異常工況，主控操作員可以隨時(shí)通過DCS 畫面將液位控制閥GHE001VH 切至手動(dòng)控制模式，并輸入閥門目標(biāo)開度指令直接控制GHE001VH 的開度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)GHE 真空箱液位手動(dòng)控制的功能。

4 數(shù)字化改造后GHE真空箱液位控制系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

GHE 真空箱液位控制系統(tǒng)完成數(shù)字化改造后，和原設(shè)計(jì)相比優(yōu)勢(shì)明顯，主要包括以下幾點(diǎn)：

4.1 GHE真空箱液位具備DCS手/自動(dòng)控制功能

新增的智能閥門定位器有遠(yuǎn)傳功能，主控可以監(jiān)視GHE001VH 的指令、反饋信號(hào)，接入DCS 后，能夠?qū)崿F(xiàn)DCS 手/自動(dòng)控制功能。機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，GHE 真空箱液位由DCS 自動(dòng)控制；故障或異常工況下，主控可以直接干預(yù)，切至手動(dòng)控制。

4.2 GHE真空箱液位具備遠(yuǎn)傳功能，且提升了可靠性和冗余性

新增的3 個(gè)雷達(dá)液位計(jì)GHE403MN、404MN、405MN有遠(yuǎn)傳功能，讀數(shù)可精確至0.1 mm，主控可以實(shí)時(shí)監(jiān)視密封油箱液位。雷達(dá)液位計(jì)取代了原液位開關(guān)GHE505SN、605SN 后，通過3 取2 控制邏輯、質(zhì)量位邏輯參與跳泵，單個(gè)設(shè)備故障對(duì)控制系統(tǒng)不會(huì)造成明顯擾動(dòng)，可靠性和冗余性大幅提升。

圖4 GHE真空箱液位階躍試驗(yàn)歷史趨勢(shì)圖Fig.4 GHE,Historical trend chart of liquid level step test of empty tank

4.3 GHE真空箱液位控制性能提升

GHE 真空箱液位控制系統(tǒng)通過DCS 實(shí)現(xiàn)PID 控制后，實(shí)際液位波動(dòng)范圍不超過10 mm，遠(yuǎn)低于改造前的300 mm；同時(shí)，抗擾動(dòng)能力明顯增強(qiáng)，當(dāng)GHE 真空箱液位存在大幅波動(dòng)時(shí)，實(shí)際液位波動(dòng)呈衰減振蕩趨勢(shì)，可在兩個(gè)振蕩周期內(nèi)將液位重新控制到穩(wěn)定范圍內(nèi)。

5 結(jié)語

在核電行業(yè)數(shù)字化發(fā)展的大趨勢(shì)下，運(yùn)用數(shù)字化技術(shù)提升系統(tǒng)設(shè)備的可靠性已經(jīng)成為一種有效的解決方案。方家山核電廠GHE 真空箱液位控制系統(tǒng)的數(shù)字化改造項(xiàng)目中，在維持工藝系統(tǒng)功能不變的前提下，通過數(shù)字化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制和監(jiān)視、手自動(dòng)控制，及控制性能提升的目標(biāo)，且未影響真空箱、閥門、油泵、真空泵等本體設(shè)備。該項(xiàng)目已在方家山核電廠1、2 號(hào)機(jī)組完成工程應(yīng)用，系統(tǒng)運(yùn)行業(yè)績(jī)良好，控制系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性、冗余性明顯提升，并增強(qiáng)了控制系統(tǒng)抵御單個(gè)設(shè)備故障的能力，為存在同類問題的設(shè)備開展數(shù)字化改造工作提供了經(jīng)驗(yàn)。

從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，數(shù)字化核電廠的設(shè)備可靠性還有進(jìn)一步提升的空間，推動(dòng)數(shù)字化技術(shù)更深層次的應(yīng)用是創(chuàng)造數(shù)字化核電廠一流運(yùn)行業(yè)績(jī)的必經(jīng)之路。