核電汽輪機儀控機柜升級的方案研究

李吉吉1 上海交通大學機械與動力學院 (200240)2 西門子(中國)有限公司 (200082)

0 前言

陽江核電站位于粵西沿海的陽江市，是國家核電中長期發展規劃項目，采用CPR1000改進型壓水堆核電技術，總投資近700億元人民幣。國家確定“積極推進核電建設”方針后，廣東核電集團繼嶺澳核電站二期、大連紅沿河核電站、福建寧德核電站之后建設的第四座核電站。作為我國一次核準開工建設容量較大的核電項目，陽江核電站工程建設6臺MW級核電機組，首臺機組于2013年建成投產，全部機組建成后，綜合國產化率可達到83%，年發電量450億kW·h。陽江核電站項目的開工建設，有利于提高我國核電自主化水平，推動核電產業升級；有利于優化能源結構，促進節能減排，保障能源安全；也有利于拉動相關產業投資，帶動制造業發展，擴大國內需求，促進經濟增長。

1 項目背景

陽江核電項目常規島使用的是上海電氣引進德國西門子技術的MW級半速汽輪機。汽輪機控制系統（TCS）選用西門子SPPA-T2000系統，控制系統共有15個機柜，其中涵蓋汽輪機控制、保護，發電機保護，汽輪機輔助系統（閥門、汽封、控制油等）控制，振動測量等汽輪機組所需的各種功能。

機柜內的所有模件均為固態電路，具有標準化，模件化和插入式的結構。模板的插拔有導軌和聯鎖，模件的編址不受機柜內插槽位置的影響。機柜內的過程通道模件能帶電插拔而不影響其他模件的正常工作。執行控制和邏輯功能的處理器模件冗余配置，一旦某個工作的處理器模件發生故障，系統能自動地以無干擾方式快速切換至其他的處理模件，并在圖像站報警。處理器模件中的隨機儲存器采用 RAM作為數據儲存的后備電源。電源更換不影響模件，并設置電池用完指示燈。冗余配置的處理器模件與系統有分別的接口，均能接受系統對它們進行組態和組態修改。處于備用狀態的處理器能跟蹤運行處理器的組態和變化。冗余處理器模件的切換時間和數據更新周期，保證系統的控制和保護功能不會因冗余切換而丟失或延遲。冗余輸入的信號處理均由不同的I/O模件來完成。在系統電源喪失時，至執行機構的輸入信號控制執行機構保持失電前的位置，以處于一種安全位置。

在陽江一號機調試的過程中，現場調試人員發現幾個機柜的柜內溫度接近操作手冊里規定的額定工作溫度的上限。同時監測機柜GME里的震動監測卡件已經發生了由于溫度過高而信號丟失的現象。長時間的超溫會導致卡件工作不穩定，縮短工作壽命，更可能使整個卡件損壞。當時電子設備間環境平均溫度為26～28°C，溫度最高的GME機柜柜內溫度為58～60°C左右，同樣的情況也出現在其他幾個電源柜。這一現象在控制系統出廠試驗的時候是沒有出現過的。

2 原因分析

2.1 環境溫度

當時電子設備間的整體溫度控制在27°C左右，由于空調需要調試等原因，無法保證24h的運行，可能導致不定期的電子設備間環境溫度升高。

2.2 發熱量

核電站的電子設備間因為屏蔽要求比較高，所以設計相對于常規電站而言比較緊湊。在項目初期，汽輪機控制系統的初始設計是需要16個機柜。但是因為現場場地所限，業主要求縮減到15個。兩個GME機柜為此合并為一個（圖1）。這無疑使得GME機柜的柜容相對于初始設計的布置密度增大，柜內卡件總發熱量增大，降低了原始設計的柜內空氣通量和降溫效果。對于電源柜，則是有些元件在現場工作比在廠內試驗時發熱量大大增加。

2.3 防護等級

所有機柜出廠設計的防護等級1為IP202（圖2），但因為核電項目的特殊性，在機柜發到現場后經與廠商協調，把所有機柜的防護等級都升級到了IP313（圖3）。防護等級的提高是通過增加門板上的防塵罩和濾網增強了機柜的密封性。但是這減少了外部空氣進入機柜內部的通風量，柜內溫度因此而升高。

2.4 電纜

現場采用的就地電纜比初始的設計屏蔽層更厚，直徑更粗，從另一方面增加了柜內部件的占用率，減少了空氣流通面積。

圖1 監測機柜（GME）

圖2 機柜防護等級20

圖3 機柜防護等級31

3 解決方案

3.1 測試熱點

為了尋找解決方案，先要找出柜內溫度最高的地方，也叫熱點。在模擬現場所有的機柜都是緊密相靠，用螺栓鎖死的狀態。在實驗中，機柜上下左右都用聚氨酯塑料板覆蓋，柜內各處共安放了20個熱電偶，用以測量各處溫度。在環境溫度為27°C時，經過1h的測量，GME機柜內最高點為61.5°C，超過卡件允許的最高工作溫度（60°C）。電源柜的情況類似，柜內各處共安放了15個熱電偶，在環境溫度為27°C時，經過1h的測量，柜內最高點溫度為61.9°C，比GME機柜還略高，超出允許溫度范圍，如圖4、圖5所示。

3.2 制約因素

為了有效地降低機柜內部溫度，可在機柜上增加風扇來進行主動式降溫，但必須解決幾個制約因素。

由于核電安全規范限制，外部220V電源不允許使用，只能使用柜內24V電壓作為風扇電源。這使得風扇輸出功率受限于電源輸出功率。

機柜有嚴格的防護等級要求，在柜門或者柜壁上開口加風扇絕對不可能，而現場機柜底部已全部固定在支架上，要加很有難度。所以只能考慮從頂部著手。

機柜的就地電纜都是從柜頂進入，現場大部分的就地電纜已經連接完畢，柜頂所加的風扇不能影響到這些電纜。

風扇的安裝、運行必須相對易行、獨立，不影響現有的控制系統。

圖4 GME機柜溫度及熱點 (改造前)

圖5 電源機柜溫度及熱點 (改造前)

3.3 優化選擇

對于風扇的選擇應該是在允許的條件下，選擇通流面積和功率盡可能大的風扇。機柜頂部的面積有限，最大可使用面積為625cm2。而這個大小的風扇輸入電壓都超過24V，在機柜允許電壓之外。兩個風扇的布置則無法充分使用柜頂面積。于是選擇了4個面積為144cm2的風扇。其功率和通流符合所需條件。

每一個的功率為：

總的通流為：

3.4 設計新蓋板

風扇是安裝在機柜頂部的蓋板上，為了不影響已經連接的就地電纜，蓋板也必須重新設計。新的蓋板（圖6）分成左右兩部分，右半部分包含了安裝風扇的孔，以及一個用來遮擋滴水的頂蓋。頂蓋是用來保證水滴無法進入機柜，這是IP31防護等級的要求，同時頂蓋的通風設計也保證了空氣能夠及時從柜內流出。左邊部分包含了電纜孔。這樣，現場安裝時只需要將左右兩部分從機柜兩側插入并用螺母固定鏈結，不影響現場任何工作。

圖6 帶風扇的頂部蓋板

3.5 第二次測試熱點

在安裝完新的機柜頂部蓋板和加入風扇后，再一次測試了GME機柜和電源柜的溫度。經過50min的測試，其柜內溫度和熱點溫度如圖7、8、9、10所示。電源柜的熱點溫度經改造后穩定在53.3°C。考慮到環境溫度28.2°C略高于正常室溫，同時電源柜對于溫度敏感性較低，該溫度可以接受。而對于GME機柜，熱點仍然存在于汽輪機監測系統上方，其溫度為55.1°C，還是高于期望值。為了保證VM6004的正常運作，要求周圍溫度能夠穩定在50°C左右。于是又對GME機柜進行了第二次改造。

圖7 GME機柜熱點溫度（一次改造后）

圖8 GME機柜溫度（一次改造后）

圖9 電源柜熱點溫度（改造后）

圖10 電源柜溫度（改造后）

3.6 調整機柜內部結構

GME監測機柜如圖1所示，兩個VM600監測系統上下放置。下方發電機監測系統的熱量從框架頂部散發出去，這導致上方汽輪機監測系統的溫度更高，即使用了風扇也無法進一步降低熱點溫度。當然這也是汽輪機監測系統發生丟失信號之類故障的原因。為了更好地解決GME機柜超溫問題，把汽輪機監測系統里的 MPC45卡件數量作了調整，減少了3塊，騰出了空間，增加了VM600周圍空間的流通效率（圖11）。

圖11 針對VM600的修改

3.7 第三次測試熱點

經過二次改造，再一次測試了GME機柜內的溫度，發現原本位于VM600支架頂部中側的熱點已經消失，其溫度降到了37.3°C，效果顯著。原本的位于支架左側的次熱點也降低到了50.0°C成為了新的熱點，已經在允許的范圍以內（圖12、圖13）。

圖12 GME機柜熱點溫度（二次改造后）

圖13 GME機柜溫度（二次改造后）

4 結 論

該機柜改造方案有如下幾個優點：

(1)機柜內的危險熱點被控制，柜內所有的元件都能在允許的溫度范圍內工作，可延長柜內元件使用壽命。

(2)改造方案實施過程不影響機柜的正常運作。

(3)此方法適宜于同種類型的各種機柜。

①防護等級：來源是國際電工委員會的標準IEC60529，這個標準在2004年也被采用為美國國家標準。在這個標準中，針對電氣設備外殼對異物的防護，IP等級的格式為IPXX，其中XX為兩個阿拉伯數字，第一標記數字表示接觸保護和外來物保護等級，第二標記數字表示防水保護等級，

②IP20：防止大于12mm之物體侵入 防止手指碰到燈具內部零件。對水滴無防護 。

③IP31: 防止大于2.5mm之物全侵入防止直徑大于2.5mm的工具，電線或物體侵入。防止垂直滴下之水滴。

④VM600：在建CPR1000核電站GME系統均采用瑞士Vibro-Meter的VM600監視系統，以監測卡件MPC4及AMC8實現GME系統中參數的監測和保護。

⑤MPC4卡件：主要用于動態參數的監測和保護，如振動、軸向位移、鍵相、脹差、偏心等。

[1]國際電工委員會標準IEC 529 – 598.

[2]國標GB 700 – 86.

[3]EJ 574-91 核電廠安全級控制儀表盤（屏）和機架的設計與鑒定.

[4]GB/T 13629-2008.核電站安全系統中數字計算機的適用準則.

[5]伍廣儉，卓文標.嶺澳核電站常規島控制系統的技術特點[J].廣東電力，2003，16（1）：23-26,45.