各種鎧裝熱電偶的設(shè)計與研制新規(guī)則

【摘　要】

鎧裝熱電偶是用于百萬千瓦級核電站華龍一號輔助給水汽動泵轉(zhuǎn)速控制的關(guān)鍵設(shè)備，在汽動輔助給水泵正常運(yùn)行時起著關(guān)鍵作用。本文重點介紹 鎧裝熱電偶的設(shè)計方案和原理，經(jīng)此設(shè)計方案而研制成功的產(chǎn)品具有高可用性和高可靠性，可有效防范共因失效故障，并經(jīng)過了 1E 級鑒定試驗驗證。

    一、引言
    輔助給水汽動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)行時調(diào)速控制器處于熱備用狀態(tài)，緊急情況時應(yīng)在 25 秒內(nèi)快速啟動汽動泵。目前國內(nèi)尚無適用于核電廠的1E［1 ～ 2］級調(diào)速控制器設(shè)備，為進(jìn)一步提高華龍一號相關(guān)設(shè)備的國產(chǎn)化率并滿足巴基斯坦卡拉奇核電廠二號/三號機(jī)組的出口需求，自主研發(fā)核電廠用調(diào)速控制器有助于實現(xiàn)核電儀控產(chǎn)品的國產(chǎn)化，提升核電裝備的核心競爭力。

   鎧裝熱電偶用于應(yīng)急工況下輔助給水汽動泵的快速啟動和控制，其控制器參數(shù)可根據(jù)機(jī)械驅(qū)動要求進(jìn)行現(xiàn)場組態(tài)，同樣適用于各種不同小型拖動汽輪機(jī)機(jī)組的控制。具有極高的穩(wěn)定性、可靠性、實時性、可操作性、抗干擾能力。

    二、功能要求
    (一) 緊急啟動。緊急情況發(fā)生時，蒸汽頂開速關(guān)閥，輔助給水汽動泵開始沖轉(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 復(fù) 位 功 能，以保證周期試驗后執(zhí)行器處于初始閥位。

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

    (三) 遠(yuǎn)程轉(zhuǎn)速控制。通過一個外部模擬量信號( 4 ～ 20mA) ，來改變轉(zhuǎn)速設(shè)定值，以調(diào)節(jié)輔助給水汽動泵的轉(zhuǎn)速。

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

    (五) 流量限制。當(dāng)運(yùn)行過程中發(fā)生爆管，導(dǎo)致給水流量大增，超過組態(tài)限制值時，調(diào)速控制器應(yīng)能自動關(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方功能，能直接輸入流量變送器的壓差信號。

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

    (七) 超速試驗。通過人機(jī)接口( HMI) 對輔助給水汽動泵的機(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。如: 當(dāng)執(zhí)行電子超速保護(hù)試驗時，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)試驗時，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誤影響調(diào)速器正常運(yùn)行。其中，主控制模塊為安全 1 級系統(tǒng)，以 TMS570LS1227微控制器為核心進(jìn)行設(shè)計，軟件符合 IEC 60880 標(biāo)準(zhǔn)的要求; HMI 為安全 3 級系統(tǒng)，以 STM32F103 微控制器為核心進(jìn)行設(shè)計，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泵控制，核電廠正常運(yùn)行時控制器處于熱備用狀態(tài)，緊急情況時快速啟動輔助給水汽動泵，調(diào)速控制器應(yīng)具有緊急啟動、啟動過程中防超速功能、轉(zhuǎn)速控制、遠(yuǎn)程轉(zhuǎn)速控制、流量限制、超速保護(hù)和超速試驗功能，其控制系統(tǒng)圖如圖 1 所示。

    (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)兩個獨(dú)立回路，兩個回路的輸出信號和閥位限制器輸出信號經(jīng)低選器( LSS) 選擇其中較低者作為實際輸出用于控制調(diào)節(jié)汽門的開度，基本控制邏輯框圖如圖 2 所示。

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

    流量閉環(huán)回路對輸入的流量信號進(jìn)行開方處理，流量給定值由 HMI 接口組態(tài)設(shè)定，流量 PID 輸出實現(xiàn)流量限制功能。

    閥位限制器主要在啟動時防止蒸汽壓力過高導(dǎo)致超速停機(jī)。調(diào)速控制器在熱備用時閥位限制器保持在初始閥位，當(dāng)啟動時轉(zhuǎn)速 PID 開始控制轉(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，實現(xiàn)閉環(huán)控制，轉(zhuǎn)速給定可由 HMI 鍵盤、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、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/降速曲線自動計算實際的轉(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、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 4 ～ 20mA 模擬輸入實現(xiàn)遠(yuǎn)程轉(zhuǎn)速給定，此時升/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，超速試驗轉(zhuǎn)速由獨(dú)立的“超速試驗轉(zhuǎn)速上限”限定，與正常運(yùn)行轉(zhuǎn)速范圍無關(guān)。

    (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，從而可實現(xiàn)流量限制功能。獨(dú)立的流量控制功能未來系統(tǒng)進(jìn)行功能擴(kuò)展時再行實現(xiàn)。

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

    1． 主動保護(hù)?？刂破鲉舆\(yùn)行后輔助給水汽動泵處于熱備用狀態(tài)，此時隔離閥關(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。給水汽動泵調(diào)節(jié)閥開度由低選總線控制，當(dāng)隔離閥打開后給水汽動泵開始沖轉(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)閥開度，同時轉(zhuǎn)速 PID 和流量 PID 根據(jù)給定值和當(dāng)前測量值控制其輸出，三路輸出低選可避免沖轉(zhuǎn)過程中蒸汽壓力過大引起汽動泵超速。主動超速保護(hù)邏輯如圖 4 所示。

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

    (六) 超速試驗功能。1E 調(diào)速控制器超速試驗包括電超速與機(jī)械超速試驗兩類，由外部超速試驗使能觸點使能，進(jìn)入超速試驗需滿足: 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?zāi)繕?biāo)轉(zhuǎn)速，如 108% 額定轉(zhuǎn)速，此時，若超速按鈕松開，則控制器電跳動作，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 120% 額定轉(zhuǎn)速時，由控制器強(qiáng)制觸發(fā)停機(jī)。

    四、結(jié)語
    壓水堆核電站輔助給水汽動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 鎧裝熱電偶用于百萬千瓦級核電站華龍一號輔助給水汽動泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，在汽動輔助給水泵正常運(yùn)行時起著關(guān)鍵作用的主要部件。核電站關(guān)鍵儀表的研制是一項具有較高難度的系統(tǒng)工程，對鍛煉核電設(shè)備設(shè)計隊伍、提高我國生產(chǎn)制造單位的核設(shè)備設(shè)計制造能力、提升國際核電市場上的競爭力均具有重要意義。

    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，使得理論和實際能緊密聯(lián)系，并通過不斷總結(jié)積累了豐富的經(jīng)驗，為其他新產(chǎn)品的開發(fā)奠定了良好的基礎(chǔ)。