基于FPGA的核電廠電伴熱控制系統(tǒng)改進(jìn)

劉福瑞 秦虎成

摘要：壓水堆核電站以含硼水作為冷卻劑和慢化劑，隨著水中硼濃度的升高，硼水易于出現(xiàn)結(jié)晶現(xiàn)象。為了維持硼水正常循環(huán)、防止硼結(jié)晶、加強(qiáng)對(duì)工藝管道或者設(shè)備防凍保護(hù)，需要設(shè)計(jì)電伴熱系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)這一目的，本文主要從基于FPGA控制的電伴熱方案，對(duì)核電站電伴熱系統(tǒng)的控制方案持續(xù)改進(jìn)進(jìn)行介紹。

關(guān)鍵字：電伴熱、FPGA、溫度開關(guān)

1 前言

壓水堆核電站以含硼水作為冷化劑和慢化劑，核電站內(nèi)有很多系統(tǒng)管道輸送含硼水，各管道內(nèi)的硼酸溶液濃度有所不同，隨著硼水中含硼的濃度升高，硼水出現(xiàn)結(jié)晶的溫度也相應(yīng)升高，為了防止硼酸溶液的結(jié)晶，給硼酸溶液管道進(jìn)行伴熱至關(guān)重要。

核電站電伴熱系統(tǒng)簡(jiǎn)稱為RHT（Special Process Electrical Heat Tracing System）用來為硼溶液流過的部分管道、閥門和泵進(jìn)行伴熱，防止硼水結(jié)晶，同時(shí)還為部分工藝管道或設(shè)備提供防凍保護(hù)。

2 RHT系統(tǒng)控制原理

RHT系統(tǒng)由兩個(gè)獨(dú)立的伴熱回路組成，正?；芈泛蛡溆没芈贰Ｕ；芈泛蛡溆没芈贩謩e通過敷設(shè)在管道兩端的雙支鉑熱電阻檢測(cè)管道表面及設(shè)備的溫度信號(hào)，一路送給正?；芈房刂破鳎硪宦匪徒o備用回路控制器，由主備控制器發(fā)出控制信號(hào)，控制加熱斷路器的通斷，來控制電加熱元件電壓，達(dá)到對(duì)管道進(jìn)行伴熱的目的，并顯示溫度。系統(tǒng)工作時(shí)，向正常和備用回路通電，每個(gè)管段的伴熱回路將投入運(yùn)行。正?；芈罚ˋ）與備用回路（B）溫度控制整定值之間的關(guān)系為：TBmin<TBmax=TAmin<TAmax。

正常運(yùn)行工況下，熱電阻測(cè)溫并通過控制機(jī)柜控制伴熱回路進(jìn)行伴熱。當(dāng)管道表面溫度達(dá)到高整定值（TAmax）時(shí)，控制機(jī)柜切斷電源，管道溫度降低到低整定值（TAmin）時(shí)，再給伴熱元件通電。若系統(tǒng)發(fā)生故障，正?；芈凡荒馨匆筮\(yùn)行，則當(dāng)管道溫度下降到TBmin時(shí)，接通備用回路。當(dāng)溫度超過 TAmin 時(shí)，相應(yīng)的控制機(jī)柜關(guān)掉備用回路，備用回路的伴熱元件停止通電。在TAmin 和TAmax 值之間，正?；芈纷阋蕴峁┧蟮臒崃俊?/p>

3 RHT系統(tǒng)控制方案

3.1溫度開關(guān)控制方案

溫度開關(guān)是機(jī)械式的自動(dòng)控制溫度的設(shè)備，當(dāng)某個(gè)伴熱回路的溫度低于溫度開關(guān)的低溫度設(shè)定值時(shí)，該回路的溫度開關(guān)閉合，送出控制信號(hào)至加熱電路盤，加熱電路盤內(nèi)斷路器閉合，該路對(duì)應(yīng)的伴熱元件開始通電加熱。當(dāng)溫度高于溫度開關(guān)高設(shè)定值時(shí)，溫度開關(guān)斷開，加熱電路盤內(nèi)斷路器斷開，伴熱元件停止加熱。溫度開關(guān)控制方案詳見圖1。

溫度開關(guān)控制方案采用熱電偶作為測(cè)量元件，每個(gè)控制回路裝有雙支熱電偶，一支傳送至DCS用于溫度值顯示和報(bào)警，另一只用于現(xiàn)場(chǎng)就地顯示箱顯示。

在福清3/4號(hào)機(jī)組、方家山1/2號(hào)機(jī)組及嶺澳二期以前核電項(xiàng)目硼伴熱系統(tǒng)均采用溫度開關(guān)控制方案。

優(yōu)點(diǎn)：每個(gè)回路單獨(dú)控制，避免回路之間相互影響;溫度開關(guān)采用機(jī)械式，耐輻照性能較好，安裝布置更靈活;控制方式簡(jiǎn)單，且不需要供電

缺點(diǎn)：采用分散控制，維護(hù)比較麻煩，使用的盤箱柜及電纜較多，溫度開關(guān)普遍采用進(jìn)口產(chǎn)品，成本高（1400萬），供貨周期長(zhǎng);溫度開關(guān)的可靠性較差;調(diào)試比較麻煩，溫度開關(guān)溫度設(shè)定值易漂移;熱電偶測(cè)溫范圍內(nèi)測(cè)量精度較低;與DCS通訊都是靠硬接線完成，故障點(diǎn)較多。

為了實(shí)現(xiàn)公司“開源節(jié)流，降低成本，降本增效”的目標(biāo)，在保證設(shè)計(jì)質(zhì)量的前提下，基于冗余FPGA的控制方案勢(shì)應(yīng)運(yùn)而生。

3.2 FPGA控制方案

為了解決溫度開關(guān)控制方式的分散性及盤箱柜和電纜用量較大的弊端，現(xiàn)提出一種單體集中控制，分組分散控制的控制方案，該采用FPGA芯片作為核心，輔以溫度控制模塊，通訊模塊、溫度顯示模塊，數(shù)據(jù)分析模塊、數(shù)據(jù)緩存模塊等組成FPGA控制器。

FPGA，即現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列，它是作為專用集成電路領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點(diǎn)。

3.3.1方案設(shè)計(jì)

該方案采用兩個(gè)相同的冗余伴熱回路，既正常回路和備用回路，兩個(gè)回路間是實(shí)體隔離的。RHT系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)，分為現(xiàn)場(chǎng)控制層和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層。

溫度控制采用可編程邏輯門陣列（FPGA）技術(shù)，F(xiàn)PGA是通過硬件語言描述實(shí)現(xiàn)并行計(jì)算機(jī)功能的硬件電路。應(yīng)用FPGA實(shí)現(xiàn)伴熱回路的溫度控制可以提高反應(yīng)速度，降低延遲性等問題，同時(shí)FPGA可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要進(jìn)行修改，提高系統(tǒng)的靈活性。

溫度控制系統(tǒng)通過管道上的PT100（RTD）采集實(shí)時(shí)溫度，將采集到的溫度信號(hào)通過A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號(hào)并傳送給FPGA芯片， FPGA芯片對(duì)傳送到的數(shù)字量信號(hào)進(jìn)行邏輯處理，同時(shí)將采集到的溫度信號(hào)與預(yù)設(shè)溫度進(jìn)行比較得出正確的比較結(jié)果，最后通過I/O口輸出控制繼電器的通斷以控制伴熱纜的啟停。

3.3.2現(xiàn)場(chǎng)控制層

現(xiàn)場(chǎng)控制層由7個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制箱和1個(gè)交換機(jī)柜組成，每個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制箱備有14個(gè)回路，現(xiàn)場(chǎng)控制箱用于接收現(xiàn)場(chǎng)鉑電阻溫度信號(hào)，通過FPGA控制器對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)伴熱元件供電的邏輯控制并通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送溫度信息到交換機(jī)柜。組合來自配電盤和現(xiàn)場(chǎng)控制箱的故障報(bào)警信號(hào)與指示信號(hào)后，經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)上傳到全廠DCS系統(tǒng)中?，F(xiàn)場(chǎng)控制箱配有用于顯示溫度值、報(bào)警信息、故障信息的顯示屏。

現(xiàn)場(chǎng)控制箱為伴熱元件提供電源，現(xiàn)場(chǎng)控制箱接收來自配電盤的電源，并通過斷路器控制分別向14個(gè)加熱回路供電， FPGA輸出控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)中間繼電器實(shí)現(xiàn)伴熱纜供電電源斷通進(jìn)行伴熱控制，該中間繼電器的動(dòng)作閉合直接控制現(xiàn)場(chǎng)控制箱中的接觸器控制線圈的通斷，由此控制管道上伴熱電纜供電系統(tǒng)的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)將加熱回路的溫度控制在一定范圍內(nèi)。

現(xiàn)場(chǎng)控制箱的網(wǎng)絡(luò)通訊功能，由FPGA的通訊模塊實(shí)現(xiàn)，采用以太網(wǎng)通訊方式與交換機(jī)柜進(jìn)行通訊。

交換機(jī)柜內(nèi)配有PLC及相應(yīng)IO、通訊模塊、HMI，每個(gè)交換機(jī)柜通過多模光纖與現(xiàn)場(chǎng)控制箱相連，交換機(jī)柜通過1根多模光纖輸出信號(hào)至DCS系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了RHT系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)信息到DCS系統(tǒng)的連通。人機(jī)交互界面（HMI）可顯示7個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制箱98個(gè)通道的實(shí)時(shí)管道溫度信息和所有報(bào)警信息。

交換機(jī)柜內(nèi)PLC通過以太網(wǎng)通信接收來自現(xiàn)場(chǎng)控制箱的各回路溫度數(shù)據(jù)和報(bào)警信息。交換機(jī)柜通過現(xiàn)場(chǎng)總線分別從各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制箱搜集數(shù)據(jù)信息，然后通過光纖通信將各回路溫度信號(hào)和報(bào)警信號(hào)送往DCS做系統(tǒng)畫面顯示。

3.3.3現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層

現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層包括配電盤、測(cè)溫鉑電阻和電伴熱元件。配電盤給現(xiàn)場(chǎng)控制箱和交換機(jī)柜提供電源。鉑電阻用于對(duì)被伴熱管道表面溫度測(cè)量。

電伴熱元件用于給硼管道進(jìn)行加熱，此方案優(yōu)化了電伴熱元件供電電壓等級(jí)。由PLC方案的7種電壓等級(jí)，調(diào)整為2種電壓等級(jí)，大大減少了伴熱設(shè)計(jì)的計(jì)算工作量。

4 RHT系統(tǒng)控制方案的持續(xù)改進(jìn)

RHT系統(tǒng)經(jīng)歷了溫度開關(guān)、基于PLC、基于FPGA控制方案的歷程，在優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，解決了各種成本、質(zhì)量、施工的問題，但是在不同的項(xiàng)目應(yīng)用中也依然存在一些問題。根據(jù)伴熱技術(shù)的發(fā)展和系統(tǒng)工藝要求，在后期可以改進(jìn)以下幾個(gè)方面：

1）由于現(xiàn)在使用的伴熱纜采用氧化鎂絕緣，在施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行伴熱纜連接時(shí)，容易使氧化鎂受潮，降低伴熱和絕緣效果，可以改進(jìn)伴熱纜絕緣物質(zhì)，使伴熱纜可以現(xiàn)場(chǎng)裁剪，而不影響伴熱效果;

2）其次根據(jù)伴熱系統(tǒng)伴熱模式，控制器應(yīng)能具有自動(dòng)診斷功能;

3）優(yōu)化伴熱纜型號(hào)，爭(zhēng)取將伴熱纜型號(hào)由4個(gè)變?yōu)?個(gè)，統(tǒng)一電壓等級(jí)，降低施工難度，減少業(yè)主備品備件數(shù)量。

5 結(jié)論

本文簡(jiǎn)要介紹了核電站中電伴熱系統(tǒng)的特點(diǎn)，并詳細(xì)分析了二代加、三代核電站中普遍采用的各種電伴熱系統(tǒng)控制方案，通過分析總結(jié)出各控制方案的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合當(dāng)下控制、通訊、半導(dǎo)體新技術(shù)，提出一種用于核電站特殊工藝管線電伴熱系統(tǒng)的控制方案，提出了未來電伴熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)的改進(jìn)目標(biāo)。希望對(duì)未來的電伴熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)能有一定的借鑒意義。

參考文獻(xiàn)

湯吉星.基于PLC的核電廠硼伴熱控制系統(tǒng)改造[J].電工技術(shù)，2020.