□郭 林 劉 俊

一、引言

輔助給水汽動(dòng)泵是保證核電廠安全運(yùn)行的關(guān)鍵設(shè)備，核電廠正常運(yùn)行時(shí)調(diào)速控制器處于熱備用狀態(tài)，緊急情況時(shí)應(yīng)在25秒內(nèi)快速啟動(dòng)汽動(dòng)泵。目前國(guó)內(nèi)尚無(wú)適用于核電廠的1E[1～2]級(jí)調(diào)速控制器設(shè)備，為進(jìn)一步提高華龍一號(hào)相關(guān)設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化率并滿足巴基斯坦卡拉奇核電廠二號(hào)/三號(hào)機(jī)組的出口需求，自主研發(fā)核電廠用調(diào)速控制器有助于實(shí)現(xiàn)核電儀控產(chǎn)品的國(guó)產(chǎn)化，提升核電裝備的核心競(jìng)爭(zhēng)力。

1E級(jí)調(diào)速控制器用于應(yīng)急工況下輔助給水汽動(dòng)泵的快速啟動(dòng)和控制，其控制器參數(shù)可根據(jù)機(jī)械驅(qū)動(dòng)要求進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)組態(tài)，同樣適用于各種不同小型拖動(dòng)汽輪機(jī)機(jī)組的控制。具有極高的穩(wěn)定性、可靠性、實(shí)時(shí)性、可操作性、抗干擾能力。

二、功能要求

(一)緊急啟動(dòng)。緊急情況發(fā)生時(shí)，蒸汽頂開(kāi)速關(guān)閥，輔助給水汽動(dòng)泵開(kāi)始沖轉(zhuǎn)升速。調(diào)速控制器應(yīng)能控制汽泵轉(zhuǎn)速，使之在25秒內(nèi)達(dá)到并穩(wěn)定在額定轉(zhuǎn)速。調(diào)速控制器應(yīng)具有自動(dòng)復(fù)位功能，以保證周期試驗(yàn)后執(zhí)行器處于初始閥位。

(二)轉(zhuǎn)速控制。通過(guò)人機(jī)接口(HMI)，來(lái)控制輔助給水汽動(dòng)泵的轉(zhuǎn)速，以滿足試車、超速試驗(yàn)和運(yùn)行等一系列工況要求。

(三)遠(yuǎn)程轉(zhuǎn)速控制。通過(guò)一個(gè)外部模擬量信號(hào)(4～20mA)，來(lái)改變轉(zhuǎn)速設(shè)定值，以調(diào)節(jié)輔助給水汽動(dòng)泵的轉(zhuǎn)速。

(四)閥位限制。調(diào)速控制器上電啟動(dòng)后或周期測(cè)試完成后按閥位限制參數(shù)控制調(diào)節(jié)執(zhí)行器開(kāi)度，限制啟動(dòng)過(guò)程中的調(diào)節(jié)汽閥的閥位避免輔助給水汽動(dòng)泵超速。

(五)流量限制。當(dāng)運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生爆管，導(dǎo)致給水流量大增，超過(guò)組態(tài)限制值時(shí)，調(diào)速控制器應(yīng)能自動(dòng)關(guān)小調(diào)節(jié)汽閥，降低轉(zhuǎn)速，使給水流量維持在限制值以下。調(diào)速控制器具有流量開(kāi)方功能，能直接輸入流量變送器的壓差信號(hào)。

(六)超速保護(hù)。正常運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速的110%時(shí)，調(diào)速控制器應(yīng)發(fā)出停機(jī)信號(hào)并停機(jī)。進(jìn)行電子超速試驗(yàn)時(shí)，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到HMI現(xiàn)場(chǎng)額定轉(zhuǎn)速設(shè)定值，調(diào)速控制器應(yīng)發(fā)出停機(jī)信號(hào)。進(jìn)行機(jī)械超速試驗(yàn)時(shí)，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速的HMI現(xiàn)場(chǎng)設(shè)定值，調(diào)速控制器應(yīng)發(fā)出停機(jī)信號(hào)。

(七)超速試驗(yàn)。通過(guò)人機(jī)接口(HMI)對(duì)輔助給水汽動(dòng)泵的機(jī)械超速保護(hù)裝置和電子超速保護(hù)裝置進(jìn)行超速跳閘試驗(yàn)。如：當(dāng)執(zhí)行電子超速保護(hù)試驗(yàn)時(shí)，超速保護(hù)值為額定轉(zhuǎn)速110%～109%。當(dāng)執(zhí)行機(jī)械超速保護(hù)試驗(yàn)時(shí)，超速保護(hù)值設(shè)定為額定轉(zhuǎn)速120%。

三、技術(shù)方案及原理

1E調(diào)速控制器由主控制模塊和HMI組成，主控制模塊和HMI之間采用安全鎖進(jìn)行隔離以防止人因錯(cuò)誤影響調(diào)速器正常運(yùn)行。其中，主控制模塊為安全1級(jí)系統(tǒng)，以TMS570LS1227微控制器為核心進(jìn)行設(shè)計(jì)，軟件符合IEC 60880標(biāo)準(zhǔn)的要求；HMI為安全3級(jí)系統(tǒng)，以STM32F103微控制器為核心進(jìn)行設(shè)計(jì)，軟件符合IEC 62138標(biāo)準(zhǔn)的要求。

(一)技術(shù)方案。1E調(diào)速控制器用于輔助給水汽動(dòng)泵控制，核電廠正常運(yùn)行時(shí)控制器處于熱備用狀態(tài)，緊急情況時(shí)快速啟動(dòng)輔助給水汽動(dòng)泵，調(diào)速控制器應(yīng)具有緊急啟動(dòng)、啟動(dòng)過(guò)程中防超速功能、轉(zhuǎn)速控制、遠(yuǎn)程轉(zhuǎn)速控制、流量限制、超速保護(hù)和超速試驗(yàn)功能，其控制系統(tǒng)圖如圖1所示。

圖1 輔助給水汽動(dòng)泵控制系統(tǒng)圖

(二)控制邏輯。1E調(diào)速控制器具有轉(zhuǎn)速閉環(huán)和流量閉環(huán)兩個(gè)獨(dú)立回路，兩個(gè)回路的輸出信號(hào)和閥位限制器輸出信號(hào)經(jīng)低選器(LSS)選擇其中較低者作為實(shí)際輸出用于控制調(diào)節(jié)汽門(mén)的開(kāi)度，基本控制邏輯框圖如圖2所示。

圖2 基本控制功能框圖

轉(zhuǎn)速閉環(huán)回路的給定值可通過(guò)就地人機(jī)接口(HMI)或者遠(yuǎn)程4～20mA信號(hào)給定。為了提高控制器的可靠性，轉(zhuǎn)速信號(hào)具有雙傳感器輸入能力，雙傳感器輸入信號(hào)經(jīng)高選器(HSS)選擇其中較高輸入者作為實(shí)際輸入用于調(diào)速控制。

流量閉環(huán)回路對(duì)輸入的流量信號(hào)進(jìn)行開(kāi)方處理，流量給定值由HMI接口組態(tài)設(shè)定，流量PID輸出實(shí)現(xiàn)流量限制功能。

閥位限制器主要在啟動(dòng)時(shí)防止蒸汽壓力過(guò)高導(dǎo)致超速停機(jī)。調(diào)速控制器在熱備用時(shí)閥位限制器保持在初始閥位，當(dāng)啟動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)速PID開(kāi)始控制轉(zhuǎn)速后閥位限制器按組態(tài)升速率上升至最大閥位。

(三)轉(zhuǎn)速控制。1E調(diào)速控制器轉(zhuǎn)速控制功能框圖如圖3所示，控制回路接受兩個(gè)轉(zhuǎn)速輸入經(jīng)HSS后輸出的轉(zhuǎn)速值作為給水泵當(dāng)前轉(zhuǎn)速，并與轉(zhuǎn)速給定值進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，轉(zhuǎn)速給定可由HMI鍵盤(pán)、MODBUS指令或4～20mA模擬輸入設(shè)置，轉(zhuǎn)速設(shè)定方式包括以下幾種。

1.目標(biāo)轉(zhuǎn)速設(shè)定。由HMI鍵盤(pán)、MODBUS指令設(shè)定目標(biāo)轉(zhuǎn)速，控制器根據(jù)升/降速邏輯按照組態(tài)指定的升/降速曲線自動(dòng)計(jì)算實(shí)際的轉(zhuǎn)速給定值，直至調(diào)速至目標(biāo)轉(zhuǎn)速。

2.給定值直接設(shè)定。由HMI鍵盤(pán)、MODBUS指令直接控制給定值，或者在遠(yuǎn)程給定使能條件下，通過(guò)4～20mA模擬輸入實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程轉(zhuǎn)速給定，此時(shí)升/降速速率由給定裝置控制。

轉(zhuǎn)速給定值有效范圍由組態(tài)編程確定，正常運(yùn)行轉(zhuǎn)速范圍由“控制器下限轉(zhuǎn)速設(shè)定值”和“控制器上限轉(zhuǎn)速設(shè)定值”配置，超速試驗(yàn)轉(zhuǎn)速由獨(dú)立的“超速試驗(yàn)轉(zhuǎn)速上限”限定，與正常運(yùn)行轉(zhuǎn)速范圍無(wú)關(guān)。

圖3 轉(zhuǎn)速控制功能框圖

(四)流量限制功能。1E調(diào)速控制器流量限制功能框圖與圖2類似，僅被控制物理量不同。流量控制輸出引入LSS參與轉(zhuǎn)速控制，從而可實(shí)現(xiàn)流量限制功能。獨(dú)立的流量控制功能未來(lái)系統(tǒng)進(jìn)行功能擴(kuò)展時(shí)再行實(shí)現(xiàn)。

(五)超速保護(hù)功能。1E調(diào)速控制器超速保護(hù)包括主動(dòng)保護(hù)和被動(dòng)保護(hù)兩種情形。

1.主動(dòng)保護(hù)?？刂破鲉?dòng)運(yùn)行后輔助給水汽動(dòng)泵處于熱備用狀態(tài)，此時(shí)隔離閥關(guān)閉轉(zhuǎn)速為零，轉(zhuǎn)速PID和流量PID輸出為100%，閥位限制輸出為初始閥位。給水汽動(dòng)泵調(diào)節(jié)閥開(kāi)度由低選總線控制，當(dāng)隔離閥打開(kāi)后給水汽動(dòng)泵開(kāi)始沖轉(zhuǎn)升速，轉(zhuǎn)速上升至最低控制轉(zhuǎn)速后閥位限制器按限制曲線如圖5所示控制調(diào)節(jié)閥開(kāi)度，同時(shí)轉(zhuǎn)速PID和流量PID根據(jù)給定值和當(dāng)前測(cè)量值控制其輸出，三路輸出低選可避免沖轉(zhuǎn)過(guò)程中蒸汽壓力過(guò)大引起汽動(dòng)泵超速。主動(dòng)超速保護(hù)邏輯如圖4所示。

圖4 1E級(jí)控制器主動(dòng)超速保護(hù)邏輯功能框圖

圖5 閥位限制曲線

2.被動(dòng)保護(hù)。非超速試驗(yàn)狀態(tài)下，轉(zhuǎn)速超過(guò)額定轉(zhuǎn)速110%，觸發(fā)停機(jī)；超速試驗(yàn)條件下，轉(zhuǎn)速超過(guò)額定轉(zhuǎn)速120%，觸發(fā)停機(jī)。

(六)超速試驗(yàn)功能。1E調(diào)速控制器超速試驗(yàn)包括電超速與機(jī)械超速試驗(yàn)兩類，由外部超速試驗(yàn)使能觸點(diǎn)使能，進(jìn)入超速試驗(yàn)需滿足：一是轉(zhuǎn)速閉環(huán)PID處于控制狀態(tài)；二是退出流量限制、禁用MODBUS給定以及遠(yuǎn)程轉(zhuǎn)速給定功能；三是給水泵工作于額定轉(zhuǎn)速。

超速試驗(yàn)狀態(tài)下，按住“超速”按鈕后再按“升速”按鈕升速，直至達(dá)到超速試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)轉(zhuǎn)速，如108%額定轉(zhuǎn)速，此時(shí)，若超速按鈕松開(kāi)，則控制器電跳動(dòng)作，觸發(fā)停機(jī)，若超速按鈕保持，則可繼續(xù)升速至機(jī)械超速保護(hù)跳閘(110%額定轉(zhuǎn)速)，為避免電超速與機(jī)械超速保護(hù)失靈導(dǎo)致超速事故，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過(guò)120%額定轉(zhuǎn)速時(shí)，由控制器強(qiáng)制觸發(fā)停機(jī)。

四、結(jié)語(yǔ)

壓水堆核電站輔助給水汽動(dòng)泵是電站核輔助系統(tǒng)的“心臟”，是專設(shè)安全系統(tǒng)的重要部件之一，而核1E級(jí)調(diào)速控制器用于百萬(wàn)千瓦級(jí)核電站華龍一號(hào)輔助給水汽動(dòng)泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，在汽動(dòng)輔助給水泵正常運(yùn)行時(shí)起著關(guān)鍵作用的主要部件。核電站關(guān)鍵儀表的研制是一項(xiàng)具有較高難度的系統(tǒng)工程，對(duì)鍛煉核電設(shè)備設(shè)計(jì)隊(duì)伍、提高我國(guó)生產(chǎn)制造單位的核設(shè)備設(shè)計(jì)制造能力、提升國(guó)際核電市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力均具有重要意義。

1E調(diào)速控制器的成功研制培養(yǎng)出了一批優(yōu)秀的管理、研發(fā)、生產(chǎn)人才，研發(fā)組在資料收集、方案論證等多方面做了大量基礎(chǔ)工作，并在實(shí)踐中得到應(yīng)用和證明，大大提高了專業(yè)技術(shù)人員和管理人員的理論水平，使得理論和實(shí)際能緊密聯(lián)系，并通過(guò)不斷總結(jié)積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，為其他新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)奠定了良好的基礎(chǔ)。