棒控主電源柜關(guān)鍵技術(shù)及國產(chǎn)化進(jìn)程分析

譚　勇（湖南桃花江核電有限公司，湖南 益陽 413000）

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棒控主電源柜關(guān)鍵技術(shù)及國產(chǎn)化進(jìn)程分析

譚勇（湖南桃花江核電有限公司，湖南 益陽 413000）

從棒控裝置的歷史分析了目前國內(nèi)外大部分棒控裝置的技術(shù)特點(diǎn)，分析了AP1000棒控裝置國產(chǎn)化進(jìn)程、設(shè)備國產(chǎn)化存在的問題，并給出了設(shè)備國產(chǎn)化升級(jí)的建議，可為對(duì)后續(xù)AP1000棒控系統(tǒng)的設(shè)備選型和該設(shè)備調(diào)試維修運(yùn)行相關(guān)技術(shù)準(zhǔn)備提供一定的參考。

核電站；棒控主電源柜；關(guān)鍵技術(shù)；國產(chǎn)化；AP1000

1　目前棒控系統(tǒng)電源柜設(shè)備的技術(shù)特點(diǎn)

棒控裝置從功能上可分為邏輯柜和電源柜兩部分；邏輯柜用于實(shí)現(xiàn)棒控系統(tǒng)邏輯處理功能；電源柜用于向驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)提供滿足要求的時(shí)序電流信號(hào)。

目前國內(nèi)大部分棒控裝置的邏輯柜采用基于PLC的控制器實(shí)現(xiàn)邏輯處理功能。與最初基于模擬插件的邏輯柜相比，如改造前秦山一期棒控系統(tǒng)，核電廠已經(jīng)深深體會(huì)到了采用數(shù)字化設(shè)備的好處了。但這種數(shù)字化尚未徹底，其電源柜中線圈電流控制功能仍然采用模擬卡件實(shí)現(xiàn)。目前各電廠電源柜技術(shù)特點(diǎn)的比較見表1。

表1　國內(nèi)外棒控系統(tǒng)技術(shù)比較

2　數(shù)字化電源柜的優(yōu)點(diǎn)

根據(jù)理論分析和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)來看，采用數(shù)字化的電源柜有如下優(yōu)點(diǎn)：

2.1設(shè)備可靠性高

采用基于FPGA控制器完成控制和監(jiān)測(cè)功能，F(xiàn)PGA高集成度高、可靠性高，廣泛應(yīng)用于航天、其他軍事領(lǐng)域、工業(yè)領(lǐng)域，使用壽命約40年左右。數(shù)字化設(shè)備解決了基于模擬卡件的電源柜的可靠性差的諸多問題。

2.2適用性強(qiáng)、控制穩(wěn)定性高

（1）通過數(shù)字化控制器中控制算法的設(shè)計(jì)，只需簡(jiǎn)單設(shè)置或修改調(diào)節(jié)參數(shù)，可適用于各種功率等級(jí)核電站的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。

（2）控制參數(shù)數(shù)字化設(shè)置，取消了電位器的使用，不存在控制參數(shù)漂移的問題，控制效果穩(wěn)定。

（3）數(shù)字化設(shè)備解決了基于模擬卡件的電源柜的適用性差的問題。

2.3設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)試維護(hù)方便

（1）采用數(shù)字化方式設(shè)置時(shí)序電流大小、時(shí)間，電流調(diào)節(jié)參數(shù)、報(bào)警參數(shù)等，通過數(shù)字化的人機(jī)接口界面進(jìn)行設(shè)置，簡(jiǎn)單方便。

（2）設(shè)備數(shù)量大大較少，設(shè)備布置簡(jiǎn)潔，可達(dá)性好，維護(hù)更換方便可靠。

3　AP1000棒控裝置國產(chǎn)化進(jìn)程

3.1背景和用途

根據(jù)AP1000控制棒控制系統(tǒng)設(shè)備規(guī)范書的要求，以及AP1000控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)樣機(jī)試驗(yàn)的要求，邏輯控制部分已納入了全廠DCS的范疇，棒控裝置的國產(chǎn)化主要是針對(duì)棒控電源柜的國產(chǎn)化。

國內(nèi)某廠家在設(shè)計(jì)院的指導(dǎo)下，進(jìn)行了AP1000棒控電源柜的國產(chǎn)化研究，目前已完成了棒控和棒位測(cè)量裝置，完成樣機(jī)設(shè)計(jì)、制造和實(shí)驗(yàn)等系列工作。棒控電源柜符合AP1000在棒控性能和可靠性方面的要求，并且實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化，其用途可適用于AP1000/EPR/及其它PWR堆型。同時(shí)，其部分技術(shù)成果應(yīng)用于C3/C4項(xiàng)目的棒控電源柜的設(shè)備（已供貨）。

3.2AP1000棒控系統(tǒng)的時(shí)序邏輯

AP1000棒控系統(tǒng)采用雙保持設(shè)計(jì)，時(shí)序邏輯見圖1。

3.3AP1000機(jī)型棒控電源裝置的組成

AP1000機(jī)型棒控電源裝置的機(jī)柜配置如下：

1臺(tái)邏輯柜：

顯示屏：用于操作員輸入控制命令，向操作員提供運(yùn)行狀態(tài)；

工控機(jī)：用于編程、下載和調(diào)試等；

控制器：用于實(shí)現(xiàn)邏輯處理功能，向電源柜發(fā)送移動(dòng)啟動(dòng)信號(hào)。

11臺(tái)電源柜：

2臺(tái)提升柜，最多為2×2×5×4個(gè)提升線圈提供電流；

9臺(tái)移動(dòng)柜，最多為9×2×4固定鉤爪和移動(dòng)鉤爪線圈提供電流；

每臺(tái)電源柜包括：晶閘管三相半波整流橋及其保護(hù)電路，電流調(diào)節(jié)控制器。

圖1　AP1000 CRDM線圈電流在提升和下降過程中的時(shí)序

3.4電源柜的結(jié)構(gòu)

3.4.1電源柜組成

（1）提升柜

①每柜分為前后兩部分；

②每部分包括一套整流電路和相關(guān)的電流調(diào)節(jié)控制器板件。

（2）移動(dòng)柜

①每柜分為前后兩部分；

②每部分包括兩套整流電路和相關(guān)的電流調(diào)節(jié)控制器板件。

（3）通信單元

3.4.2功率控制和監(jiān)測(cè)單元

功率控制和監(jiān)測(cè)單元EU板主要由DSP芯片和FPGA芯片組成，充分利用DSP（Digital Signal Process數(shù)字信號(hào)處理器）控制器的高速性能。由于采用了特殊的軟硬件結(jié)構(gòu)，是一種特別適合于進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算的微處理器，其主要應(yīng)用是實(shí)時(shí)快速地實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理算法，用于對(duì)可控硅導(dǎo)通角的控制，從而控制線圈電流的大小。其芯片原理及構(gòu)成如圖2所示。

圖2　DSP芯片信號(hào)處理框圖

3.4.3電源柜軟件

電源柜軟件按執(zhí)行任務(wù)的緊迫程度進(jìn)行了分層設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。分層軟件的任務(wù)如下：

慢速任務(wù)用C++來編程，主要用于人機(jī)界面，如進(jìn)行控制參數(shù)的修寫操作；

快速任務(wù)用CCS（Code Composer Studio）軟件來開發(fā)，相當(dāng)于匯編語言，用于傳遞指令；

最快速任務(wù)采用VHDL（Very-High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language）來編程，屬于機(jī)器級(jí)指令代碼，用于控制可控硅的導(dǎo)通角和用于電流反饋信號(hào)的采樣。

圖3　電源柜軟件層次結(jié)構(gòu)圖

3.4.4電源柜的特點(diǎn)

有關(guān)電源柜特點(diǎn)，小結(jié)如下：

（1）核心控制器板件數(shù)字化：FPGA+DSP，提高系統(tǒng)的可靠性。

①將可控硅觸發(fā)脈沖的形成以及控制時(shí)序集中于FPGA一個(gè)器件內(nèi)，簡(jiǎn)化電路，提高抗干擾能力。

②無可調(diào)整元件，提高板件的一致性，消除由分立元器件帶來的分散性和不確定因素。

③精度高，響應(yīng)速度快，電流上升/下降時(shí)間短，20～50ms范圍內(nèi)可調(diào)，有利于減少掉棒、滑棒的幾率。

④通過通信線路，修改控制、定標(biāo)參數(shù)方便。

⑤適應(yīng)性強(qiáng)，動(dòng)態(tài)范圍大，更能滿足用戶對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)、靜態(tài)的要求

⑥自檢功能豐富，故障定位快速。

（2）功率拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

①每套整流電路驅(qū)動(dòng)4個(gè)對(duì)應(yīng)類型的線圈，減小系統(tǒng)的復(fù)雜性，降低故障發(fā)生概率。

②設(shè)置保安母線，如果某棒控制、功率回路故障，可由其它棒回路通過保安母線向此棒的固定鉤爪線圈供電，降低由故障引起的掉棒幾率。

③每套整流電路及其控制單元為一個(gè)獨(dú)立部分，便于維護(hù)。

3.5數(shù)字化電源柜的聯(lián)調(diào)實(shí)驗(yàn)

新研制出的數(shù)字化棒控裝置經(jīng)過與C2的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、AP1000的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了聯(lián)調(diào)試驗(yàn)，同時(shí)還協(xié)助完成了依托項(xiàng)目的抗震試驗(yàn)，從實(shí)驗(yàn)波形來看，電流三相開通均勻平穩(wěn)、CRDM動(dòng)作點(diǎn)清晰。

到目前為止，該裝置除了完成以上三項(xiàng)試驗(yàn)之外，還曾與60萬驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)線圈進(jìn)行了調(diào)試試驗(yàn)，協(xié)助完成了60萬驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)線圈備件的測(cè)試工作；也已應(yīng)用于C3/C4驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的考核試驗(yàn)，其正式產(chǎn)品已于2013年10月完成了出廠驗(yàn)收。

其綜合應(yīng)用結(jié)果表明，該電源柜的設(shè)備設(shè)計(jì)能很好地完成了棒控系統(tǒng)的各項(xiàng)功能，適用于目前所有壓水堆核電機(jī)組（包括30萬/60萬/100萬/AP1000/EPR）的棒控電源柜的供貨要求。

4　問題討論

目前國內(nèi)三大核電集團(tuán)均培育了各自的核電專用設(shè)備供應(yīng)商，棒控系統(tǒng)是其中的供貨范圍之一。就目前來看，對(duì)于核心技術(shù)，三家均未完全掌握。國內(nèi)生產(chǎn)的棒控系統(tǒng)，技術(shù)相對(duì)落后，老企業(yè)由于歷史原因，自身技術(shù)進(jìn)步緩慢；對(duì)于新成立的企業(yè)，由于需從頭開始，經(jīng)驗(yàn)欠缺，需補(bǔ)好幾年的課，加上本身市場(chǎng)總量不大，能否有穩(wěn)定回報(bào)影響著企業(yè)是否愿意進(jìn)行大的前期投入。這些因素均影響著設(shè)備的真正國產(chǎn)化進(jìn)程。在目前國內(nèi)業(yè)內(nèi)重復(fù)建設(shè)，核心競(jìng)爭(zhēng)力不強(qiáng)的情況下，需要國家行業(yè)管理部門進(jìn)行力量整合，集中優(yōu)勢(shì)做強(qiáng)做大，除了滿足國內(nèi)核電市場(chǎng)，還要實(shí)現(xiàn)真正“走出去”的能力。

對(duì)于其他正在進(jìn)行研發(fā)的相關(guān)單位，有關(guān)棒控系統(tǒng)設(shè)備國產(chǎn)化的建議：①加強(qiáng)與CRDM廠家及線圈繞制專業(yè)廠家之間的合作，盡快自主研制AP1000棒位探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)AP1000棒控棒位系統(tǒng)的一體化供貨；②加強(qiáng)電源觸發(fā)技術(shù)的應(yīng)用研究，提升棒控電源柜的制造水平，實(shí)現(xiàn)核工程專用儀控系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)升級(jí)，力爭(zhēng)成為核工程數(shù)字化儀控設(shè)備及服務(wù)整體解決方案的優(yōu)質(zhì)供應(yīng)商。

［1］運(yùn)行核電廠棒控棒位系統(tǒng)調(diào)研資料.

［2］AP1000棒控棒位系列資料.

［3］與設(shè)備制造廠進(jìn)行棒控系統(tǒng)調(diào)研交流的資料.

［4］盧才華.秦山核電站棒控系統(tǒng)的改進(jìn).核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù)，2004 （02）.

譚 勇（1976-），男，中級(jí)，碩士，主要從事核電儀控系統(tǒng)采購及相關(guān)技術(shù)的工作。

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2095-2066（2016）16-0057-03

2016-5-23