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★北京廣利核系統(tǒng)工程有限公司李明鋼，張波

關(guān)鍵詞：核電廠；應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)；控制系統(tǒng)；應(yīng)用現(xiàn)狀

1　引言

應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組作為全廠應(yīng)急安全電源與核電廠的安全直接相關(guān)，在廠用電源和輔助電源都發(fā)生故障時(shí)，能夠自動(dòng)快速啟動(dòng)，以提供應(yīng)急照明和為保證反應(yīng)堆安全停堆所需的設(shè)備用電，使其繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，保證一回路壓力邊界的完整性，確保放射性物質(zhì)不向大氣泄漏。

核級(jí)應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組屬于安全級(jí)設(shè)備。但我國應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)發(fā)展緩慢，之前主要采用簡單硬件的模擬控制裝置，即采用繼電器和模擬儀表構(gòu)成控制系統(tǒng)。而采用簡單硬件的控制系統(tǒng)故障頻發(fā)，直接威脅柴油的安全運(yùn)行進(jìn)而直接威脅核電站的安全。近些年國內(nèi)一些廠家通過采用可編程控制器（PLC）對(duì)非安全級(jí)控制部分進(jìn)行了升級(jí)，實(shí)際上技術(shù)仍然比較落后，并且還存在可靠性差、難維護(hù)、數(shù)據(jù)記錄數(shù)量少時(shí)間短等缺點(diǎn)。所以應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組儀控系統(tǒng)全部數(shù)字化、國產(chǎn)化成了當(dāng)前迫切需求。

2　當(dāng)前儀控系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)方案

根據(jù)國內(nèi)投運(yùn)的應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)儀控系統(tǒng)進(jìn)行分析，應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)經(jīng)歷了兩個(gè)階段：早期簡單硬件的模擬控制系統(tǒng)；近些年出現(xiàn)的繼電器+PLC混合控制系統(tǒng)。

下面分別對(duì)應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)發(fā)展的兩個(gè)階段的實(shí)現(xiàn)方案和存在的問題進(jìn)行分析說明。

2.1　簡單硬件的模擬控制系統(tǒng)

采用簡單硬件的模擬控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)較為簡單，控制系統(tǒng)使用幾百個(gè)繼電器、模擬儀表通過硬接線進(jìn)行邏輯搭接實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)的控制和顯示，從而實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)啟停等自動(dòng)控制功能。這類控制系統(tǒng)的典型代表例如某核電站機(jī)組使用的是法國Wartsila公司的UD45V12型柴油機(jī)，控制系統(tǒng)使用的是TEC繼電器。

典型的簡單硬件的模擬控制系統(tǒng)機(jī)柜內(nèi)的布置圖如圖1所示。

圖1 繼電器系統(tǒng)布置圖

某核電廠應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)使用的繼電器情況匯總?cè)绫?所示。

表1 繼電器數(shù)量統(tǒng)計(jì)

該系統(tǒng)總計(jì)使用各類型繼電器368個(gè)，而每個(gè)繼電器又有1個(gè)線圈和4個(gè)輔助觸點(diǎn)。由于其使用的元器件數(shù)量很多，控制回路接點(diǎn)多，控制電路復(fù)雜，導(dǎo)致工作可靠性差，故障率較高。根據(jù)電廠對(duì)應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組故障的反饋，自2011年來柴油機(jī)系統(tǒng)由于繼電器引發(fā)的故障較多，以中廣核集團(tuán)在運(yùn)核電廠為例，導(dǎo)致應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組不可用的故障中，控制系統(tǒng)占比超過50%。某電廠將柴油機(jī)使用的繼電器送可靠性中心進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果顯示型號(hào)為雙穩(wěn)繼電器（啟停信號(hào)保持）不合格率高達(dá)90%。其他型號(hào)繼電器不合格率也高達(dá)70%以上。單個(gè)電廠發(fā)現(xiàn)的繼電器故障風(fēng)險(xiǎn)，在多電廠故障排查中，類似故障概率100%。電控系統(tǒng)中由于繼電器失效造成了應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)誤報(bào)警、勵(lì)磁不能投入和啟動(dòng)失敗等故障嚴(yán)重影響著柴油發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行和核電廠的安全。

簡單硬件的模擬控制系統(tǒng)存在的主要缺點(diǎn)如表2所示。

表2 簡單硬件的模擬控制系統(tǒng)主要缺點(diǎn)

2.2　繼電器+PLC控制系統(tǒng)

隨著可編程控制器的普及，同時(shí)由于應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)對(duì)安全級(jí)部分要求嚴(yán)格，所使用的軟件需要通過獨(dú)立的驗(yàn)證與確認(rèn)工作（V&V），所用設(shè)備需經(jīng)過核級(jí)鑒定，實(shí)現(xiàn)起來非常復(fù)雜，所以應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)的控制逐漸向繼電器+PLC系統(tǒng)這種半數(shù)字化的方式進(jìn)行轉(zhuǎn)變。

采用繼電器+PLC控制系統(tǒng)典型的代表有紅沿河二期、陽江一期、陽江二期等核電站應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)，使用的是德國MTU的MTU20V956TB33型柴油機(jī)，控制系統(tǒng)使用的是繼電器+西門子PLC進(jìn)行控制。該系統(tǒng)的架構(gòu)如圖2所示。

圖2 繼電器+PLC系統(tǒng)架構(gòu)圖

安全級(jí)功能實(shí)現(xiàn)部分仍然采用繼電器進(jìn)行邏輯的搭接，通過硬接線與非安全級(jí)控制進(jìn)行信號(hào)的交互。非安全級(jí)部分采用西門子S7-300系列PLC實(shí)現(xiàn)，通過PROFIBUSDP總線與兩個(gè)I/O站連接，用于數(shù)據(jù)的采集。通過交換機(jī)連接一臺(tái)面板式工控機(jī)，用于實(shí)現(xiàn)參數(shù)的顯示與記錄。

表3 繼電器+PLC控制系統(tǒng)缺點(diǎn)

3　全數(shù)字化解決方案

針對(duì)當(dāng)前簡單硬件方案和繼電器+PLC控制方案存在的缺點(diǎn)和不足，可應(yīng)用數(shù)字化控制系統(tǒng)DCS平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)改造。系統(tǒng)的架構(gòu)簡圖如圖3所示。

圖3 全數(shù)字化系統(tǒng)架構(gòu)簡圖

（1）針對(duì)設(shè)備數(shù)量多，觸點(diǎn)多的缺點(diǎn)，建議通過使用核級(jí)DCS控制平臺(tái)實(shí)現(xiàn)控制功能。通過數(shù)字化控制系統(tǒng)，使用少量卡件能有效減少系統(tǒng)內(nèi)的故障點(diǎn)，控制邏輯通過軟件實(shí)現(xiàn)，使系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定；

（2）針對(duì)傳統(tǒng)控制方案自診斷弱的缺點(diǎn)，通過使用全數(shù)字化控制系統(tǒng)能夠?qū)PU、RAM、ROM、時(shí)鐘、看門狗、程序順序、通道自診斷、供電電源、空開狀態(tài)、隔離模塊等實(shí)現(xiàn)自診斷全覆蓋，能及時(shí)有效地定位故障點(diǎn)；

（3）針對(duì)傳統(tǒng)控制方案易老化的問題，建議系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)通過在控制器件涂三防油漆、柜內(nèi)增加溫控除濕裝置等措施有效減少設(shè)備的老化情況，增加設(shè)備的使用壽命；

（4）針對(duì)傳統(tǒng)控制方案難維護(hù)、不易擴(kuò)展的問題，通過全數(shù)字化控制系統(tǒng)，所有控制邏輯通過數(shù)字化軟件實(shí)現(xiàn)，僅通過更改軟件邏輯和啟用備用I/O通道即可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)變更和系統(tǒng)拓展，使后期的維護(hù)和改造更加便捷；

（5）針對(duì)傳統(tǒng)控制方案可靠性差的問題，建議全數(shù)字化的方案采用冗余架構(gòu)配置的方案，增加控制系統(tǒng)的可靠性；

（6）針對(duì)信號(hào)傳遞接線復(fù)雜的問題，建議全數(shù)字化系統(tǒng)在安全級(jí)和非安全級(jí)機(jī)柜之間采取通訊的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，能有效地減少硬件接線；

（7）針對(duì)傳統(tǒng)控制方案數(shù)據(jù)顯示記錄少且時(shí)間短、存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)沒有保障的問題，建議全數(shù)字化系統(tǒng)在數(shù)據(jù)記錄存儲(chǔ)架構(gòu)中配置冗余的服務(wù)器及選用大容量硬盤，當(dāng)一臺(tái)服務(wù)器故障，另一臺(tái)仍能正常運(yùn)行，以保證數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的可靠性和超長的存儲(chǔ)周期；

（8）建議全數(shù)字化的方案和相關(guān)輔助控制設(shè)備采用具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的DCS控制平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，在備件供應(yīng)、控制邏輯黑匣子等方面能夠有效保障核電廠的運(yùn)行安全。

4　結(jié)語

通過應(yīng)急柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的介紹，不同技術(shù)路線在數(shù)據(jù)顯示采集和記錄、硬件的冗余配置、可維護(hù)性、抗干擾能力等方面存在很大的差異。

鑒于應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組的重要程度，結(jié)合現(xiàn)有控制系統(tǒng)中存在的諸多問題，在核電廠對(duì)柴油發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性、易維護(hù)等方面的要求日益增加的情況下，提出的全數(shù)字化控制系統(tǒng)解決方案，能夠有效解決目前控制系統(tǒng)中存在的問題和不足，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)的可靠性、可維護(hù)性、可擴(kuò)展性和抗干擾能力都將有質(zhì)的提升。應(yīng)急柴油機(jī)儀控系統(tǒng)數(shù)字化是未來的發(fā)展方向。

作者簡介：

李明鋼（1977-），男，漢族，河南平頂山人，高級(jí)工程師，學(xué)士，現(xiàn)任北京廣利核系統(tǒng)工程有限公司副總經(jīng)理，主要從事核電儀控系統(tǒng)設(shè)計(jì)制造生產(chǎn)管理相關(guān)工作。

張　波（1982-），男，漢族，河北保定人，工程師，本科，現(xiàn)就職于北京廣利核系統(tǒng)工程有限公司，主要從事核電站安全級(jí)專用系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉曉宇. 核電站應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組自動(dòng)控制系統(tǒng)[J]. 工業(yè)技術(shù). 2014 (13) : 84 - 85.

[2] 李濤. 基于一種安全級(jí)數(shù)字化平臺(tái)的EDG電控系統(tǒng)方案[J]. Internal Combustion Engine & Parts. 2020 (22) : 201 - 202.

摘自《自動(dòng)化博覽》2023年9月刊