★北京廣利核系統工程有限公司李明鋼，張波

關(guān)鍵詞：核電廠(chǎng)；應急柴油發(fā)電機；控制系統；應用現狀

1　引言

應急柴油發(fā)電機組作為全廠(chǎng)應急安全電源與核電廠(chǎng)的安全直接相關(guān)，在廠(chǎng)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)，以提供應急照明和為保證反應堆安全停堆所需的設備用電，使其繼續運轉，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。

核級應急柴油發(fā)電機組屬于安全級設備。但我國應急柴油發(fā)電機組的控制系統發(fā)展緩慢，之前主要采用簡(jiǎn)單硬件的模擬控制裝置，即采用繼電器和模擬儀表構成控制系統。而采用簡(jiǎn)單硬件的控制系統故障頻發(fā)，直接威脅柴油的安全運行進(jìn)而直接威脅核電站的安全。近些年國內一些廠(chǎng)家通過(guò)采用可編程控制器（PLC）對非安全級控制部分進(jìn)行了升級，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、數據記錄數量少時(shí)間短等缺點(diǎn)。所以應急柴油發(fā)電機組儀控系統全部數字化、國產(chǎn)化成了當前迫切需求。

2　當前儀控系統主要設計方案

根據國內投運的應急柴油發(fā)電機儀控系統進(jìn)行分析，應急柴油發(fā)電機控制系統經(jīng)歷了兩個(gè)階段：早期簡(jiǎn)單硬件的模擬控制系統；近些年出現的繼電器+PLC混合控制系統。

下面分別對應急柴油發(fā)電機組控制系統發(fā)展的兩個(gè)階段的實(shí)現方案和存在的問(wèn)題進(jìn)行分析說(shuō)明。

2.1　簡(jiǎn)單硬件的模擬控制系統

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

典型的簡(jiǎn)單硬件的模擬控制系統機柜內的布置圖如圖1所示。

圖1 繼電器系統布置圖

某核電廠(chǎng)應急柴油發(fā)電機控制系統使用的繼電器情況匯總如表1所示。

表1 繼電器數量統計

該系統總計使用各類(lèi)型繼電器368個(gè)，而每個(gè)繼電器又有1個(gè)線(xiàn)圈和4個(gè)輔助觸點(diǎn)。由于其使用的元器件數量很多，控制回路接點(diǎn)多，控制電路復雜，導致工作可靠性差，故障率較高。根據電廠(chǎng)對應急柴油發(fā)電機組故障的反饋，自2011年來(lái)柴油機系統由于繼電器引發(fā)的故障較多，以中廣核集團在運核電廠(chǎng)為例，導致應急柴油發(fā)電機組不可用的故障中，控制系統占比超過(guò)50%。某電廠(chǎng)將柴油機使用的繼電器送可靠性中心進(jìn)行檢測，檢測數據結果顯示型號為雙穩繼電器（啟停信號保持）不合格率高達90%。其他型號繼電器不合格率也高達70%以上。單個(gè)電廠(chǎng)發(fā)現的繼電器故障風(fēng)險，在多電廠(chǎng)故障排查中，類(lèi)似故障概率100%。電控系統中由于繼電器失效造成了應急柴油發(fā)電機誤報警、勵磁不能投入和啟動(dòng)失敗等故障嚴重影響著(zhù)柴油發(fā)電機的穩定運行和核電廠(chǎng)的安全。

簡(jiǎn)單硬件的模擬控制系統存在的主要缺點(diǎn)如表2所示。

表2 簡(jiǎn)單硬件的模擬控制系統主要缺點(diǎn)

2.2　繼電器+PLC控制系統

隨著(zhù)可編程控制器的普及，同時(shí)由于應急柴油發(fā)電機對安全級部分要求嚴格，所使用的軟件需要通過(guò)獨立的驗證與確認工作（V&V），所用設備需經(jīng)過(guò)核級鑒定，實(shí)現起來(lái)非常復雜，所以應急柴油發(fā)電機的控制逐漸向繼電器+PLC系統這種半數字化的方式進(jìn)行轉變。

采用繼電器+PLC控制系統典型的代表有紅沿河二期、陽(yáng)江一期、陽(yáng)江二期等核電站應急柴油發(fā)電機，使用的是德國MTU的MTU20V956TB33型柴油機，控制系統使用的是繼電器+西門(mén)子PLC進(jìn)行控制。該系統的架構如圖2所示。

圖2 繼電器+PLC系統架構圖

安全級功能實(shí)現部分仍然采用繼電器進(jìn)行邏輯的搭接，通過(guò)硬接線(xiàn)與非安全級控制進(jìn)行信號的交互。非安全級部分采用西門(mén)子S7-300系列PLC實(shí)現，通過(guò)PROFIBUSDP總線(xiàn)與兩個(gè)I/O站連接，用于數據的采集。通過(guò)交換機連接一臺面板式工控機，用于實(shí)現參數的顯示與記錄。

表3 繼電器+PLC控制系統缺點(diǎn)

3　全數字化解決方案

針對當前簡(jiǎn)單硬件方案和繼電器+PLC控制方案存在的缺點(diǎn)和不足，可應用數字化控制系統DCS平臺進(jìn)行設計改造。系統的架構簡(jiǎn)圖如圖3所示。

圖3 全數字化系統架構簡(jiǎn)圖

（1）針對設備數量多，觸點(diǎn)多的缺點(diǎn)，建議通過(guò)使用核級DCS控制平臺實(shí)現控制功能。通過(guò)數字化控制系統，使用少量卡件能有效減少系統內的故障點(diǎn)，控制邏輯通過(guò)軟件實(shí)現，使系統運行穩定；

（2）針對傳統控制方案自診斷弱的缺點(diǎn)，通過(guò)使用全數字化控制系統能夠對CPU、RAM、ROM、時(shí)鐘、看門(mén)狗、程序順序、通道自診斷、供電電源、空開(kāi)狀態(tài)、隔離模塊等實(shí)現自診斷全覆蓋，能及時(shí)有效地定位故障點(diǎn)；

（3）針對傳統控制方案易老化的問(wèn)題，建議系統設計時(shí)通過(guò)在控制器件涂三防油漆、柜內增加溫控除濕裝置等措施有效減少設備的老化情況，增加設備的使用壽命；

（4）針對傳統控制方案難維護、不易擴展的問(wèn)題，通過(guò)全數字化控制系統，所有控制邏輯通過(guò)數字化軟件實(shí)現，僅通過(guò)更改軟件邏輯和啟用備用I/O通道即可實(shí)現設計變更和系統拓展，使后期的維護和改造更加便捷；

（5）針對傳統控制方案可靠性差的問(wèn)題，建議全數字化的方案采用冗余架構配置的方案，增加控制系統的可靠性；

（6）針對信號傳遞接線(xiàn)復雜的問(wèn)題，建議全數字化系統在安全級和非安全級機柜之間采取通訊的方式進(jìn)行數據傳輸，能有效地減少硬件接線(xiàn)；

（7）針對傳統控制方案數據顯示記錄少且時(shí)間短、存儲的數據沒(méi)有保障的問(wèn)題，建議全數字化系統在數據記錄存儲架構中配置冗余的服務(wù)器及選用大容量硬盤(pán)，當一臺服務(wù)器故障，另一臺仍能正常運行，以保證數據存儲的可靠性和超長(cháng)的存儲周期；

（8）建議全數字化的方案和相關(guān)輔助控制設備采用具有完全自主知識產(chǎn)權的DCS控制平臺實(shí)現，在備件供應、控制邏輯黑匣子等方面能夠有效保障核電廠(chǎng)的運行安全。

4　結語(yǔ)

通過(guò)應急柴油機發(fā)電機組控制系統的介紹，不同技術(shù)路線(xiàn)在數據顯示采集和記錄、硬件的冗余配置、可維護性、抗干擾能力等方面存在很大的差異。

鑒于應急柴油發(fā)電機組的重要程度，結合現有控制系統中存在的諸多問(wèn)題，在核電廠(chǎng)對柴油發(fā)電機控制系統的可靠性、穩定性、易維護等方面的要求日益增加的情況下，提出的全數字化控制系統解決方案，能夠有效解決目前控制系統中存在的問(wèn)題和不足，同時(shí)對系統的可靠性、可維護性、可擴展性和抗干擾能力都將有質(zhì)的提升。應急柴油機儀控系統數字化是未來(lái)的發(fā)展方向。

作者簡(jiǎn)介：

李明鋼（1977-），男，漢族，河南平頂山人，高級工程師，學(xué)士，現任北京廣利核系統工程有限公司副總經(jīng)理，主要從事核電儀控系統設計制造生產(chǎn)管理相關(guān)工作。

張　波（1982-），男，漢族，河北保定人，工程師，本科，現就職于北京廣利核系統工程有限公司，主要從事核電站安全級專(zhuān)用系統設計工作。

參考文獻：

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

[2] 李濤. 基于一種安全級數字化平臺的EDG電控系統方案[J]. Internal Combustion Engine & Parts. 2020 (22) : 201 - 202.

摘自《自動(dòng)化博覽》2023年9月刊