各種鎧裝熱電偶的設(shè)計(jì)與研制新規(guī)則

【摘　要】

鎧裝熱電偶是用于百萬(wàn)千瓦級(jí)核電站華龍一號(hào)輔助給水汽動(dòng)泵轉(zhuǎn)速控制的關(guān)鍵設(shè)備，在汽動(dòng)輔助給水泵正常運(yùn)行時(shí)起著關(guān)鍵作用。本文重點(diǎn)介紹 鎧裝熱電偶的設(shè)計(jì)方案和原理，經(jīng)此設(shè)計(jì)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(guò)了 1E 級(jí)鑒定試驗(yàn)驗(yàn)證。

    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。

   鎧裝熱電偶用于應(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。

    (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)汽門的開(kāi)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(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、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(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、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)。

    (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。

    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 鎧裝熱電偶用于百萬(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)。