CPR1000核電廠邏輯圖與模擬圖設計研究

陳衛華　呂愛國　黃偉軍

(深圳中廣核工程設計有限公司，廣東 深圳　518172)

CPR1000核電廠邏輯圖與模擬圖設計研究

陳衛華呂愛國黃偉軍

(深圳中廣核工程設計有限公司，廣東 深圳518172)

摘要：針對CPR1000核電機組沒有成熟的邏輯圖與模擬圖設計規則這一問題，在研究SAMA圖與梯形圖的基礎上，結合系統設計，提出了一套適用于CPR1000機組的儀控設計制圖規則。以閉路冷卻水系統為例，通過分析工藝需求、設計原則，確定了相關設備的控制邏輯；結合設計流程，最終形成了工藝系統的邏輯圖與模擬圖。整個制圖過程驗證了該設計規則的可行性，對今后同類機組的儀控設計具有一定的指導意義。

關鍵詞：CPR1000儀控系統閉路冷卻水系統DCS邏輯圖模擬圖工程組態圖梯形圖

0引言

目前，國內外設計院對于儀控系統的設計，已有成熟的SAMA圖[1-2]或者梯形圖[3]，其中最典型的有時序圖[4]、梯形圖[5]、功能圖等設計[6]，國內各大設計院現在仍然使用這些方法。由于CPR1000核電機組在國內設計起步較晚，對于儀控系統設計在邏輯、順控等方面的制圖方法尚沒有成熟的規則可以遵循。本文在研究SAMA圖與梯形圖的基礎上，結合工作中的閉式冷卻水系統(systéme d'eau de refroidissement fermé,SRI)設計，形成了一套適用于CPR1000機組的儀控設計制圖規則。

本文以閉路冷卻水系統為例，通過分析工藝需求、設計原則，確定了相關設備的控制邏輯；結合設計流程，最終形成了工藝系統的邏輯圖。整個制圖過程驗證了該設計規則的可行性，對今后同類機組的儀控設計具有一定的指導意義。

1 LD/AD的內容與用途

①邏輯圖(logic diagram,LD)是一種用符號形式表示某一系統或者設備的儀表控制邏輯示意圖，是設計者邏輯思維的一種書面表達形式。它主要用于控制器、傳感器、執行機構之間的邏輯功能和對有關系統數據的邏輯處理(報警、指示器、通斷數據、計算機等)，以及與其他系統交換的邏輯信號。

②模擬圖(analogic diagram,AD)是一種用符號形式表示一個系統的測量和控制通道的示意圖，是設計者模擬思維的一種書面表達形式。它主要用于系統控制和測量通道的過程，包括通道的所有能動部件(傳感器、繼電器、開關、轉換器、模塊、加法器、調節器等)，同時還顯示初始模擬信號的處理過程以及這些信號在監視系統運行和控制過程中的應用。

1.1 LD/AD的主要內容

LD以邏輯命令的形式，即用通/斷信號(狀態1/0)來描述運行過程。邏輯圖中需提供通/斷信號的傳感器和操作員使用的控制器(開關、按鈕、操作鍵、手動操作器等)。由傳感器、執行機構、控制器等發出的通/斷信號以及這些裝置共同發出的信號組成控制邏輯。這些邏輯主要包括：許可功能、閉鎖功能、保護功能、控制開關功能、記憶功能、受控制的執行機構、操作員使用的通/斷信息(報警、指示、計算機輸入等)、與其他系統的接口邏輯數據。

AD以模擬量的形式描述通道中的所有部件。模擬圖中需提供模擬傳感器(熱電偶、熱電阻、流量/液位傳感器、壓力表等)、接口卡(用于數據轉換)、計算和控制模塊(PID調節器、開方器、加法器、動態模塊、記憶模塊等)、控制裝置/自動/手動操作站/定值站、指示器/記錄議、計算機輸入、電動氣動轉換器和執行機構、與其他系統的接口模擬數據等。

1.2 LD/AD的主要用途

LD主要用于描述系統內執行機構在控制、監測、保護方面的邏輯動作，以及所產生的數據(這些數據構成系統控制的邏輯部分)。其詳細描述不同系統之間的信息交換(用于確定接口)，繪制電氣示意圖，制定運行程序，并在發生故障時確定故障原因。

AD主要用于描述與系統控制和保護有關的模擬動作及產生的信息(該信息構成系統控制中的模擬部分)。其詳細描述不同系統之間的信息交換(用于確定接口)，制定運行程序，并在發生故障時確定故障原因。

2 LD/AD設計中關注的問題和原則

2.1設計中關注的問題

2.1.1設計中關注的基本問題

設計是將許多部件通過一定的邏輯關系有機地組合在一起，從而形成一個系統；該系統可大可小，與系統的具體功能有關。在進行設計之前，須明確系統設計的功能以及希望達到的目的、系統的工藝流程、系統中各執行機構的作用、各執行機構如何協調運行以實現整個系統的功能、本系統與其他系統的接口等。

根據LD/AD的主要內容，系統設計過程基本應考慮以下幾個方面。

①設計基準：主要描述系統設計的初始條件，即系統初始狀態的參數，如功率、壓力、流量、液位、溫度、系列、標高等。

②設備設計：確定系統中的設備組成，系統的基本工藝流程等。

③材料選擇：確定系統中構筑物和主要設備(泵、容器、閥門、管道、熱交換器)材料等。

④設備說明：包括工藝流程圖，與其他系統的接口，主要設備在系統中的功能與特性，相關儀表、管系、閥門以及系統布置等。

⑤運行參數：包括正常運行(運行中相關參數、報警監視等)、特殊穩態運行、特殊瞬態運行、啟動和正常停運，控制原則(儀控系統如何實現控制功能)等。

⑥運行控制原則：對運行參數中的控制原則進行詳細的區劃。

2.2.2設計中的核安全考慮

對于核電站的設計，除了常規考慮外，還需要考慮核安全。在系統設計與執行機構的設計中，當涉及到核島部分時，要特別考慮是否會影響到核安全。因此，須主要考慮以下幾個方面：①監測反應堆運行的特征參數是否達到限值；②識別保護參數的狀態，決定是否須采用保護動作、采用何種保護動作；③按照順序要求，發出所有需要的安全動作(停止控制棒動作、停堆、工程安全設施動作)。

2.2須遵循的設計原則

根據CPR1000核電站的設計理念，設計必須遵循以下原則。

①系統保護原則。系統保護原則是指整個設計中以系統保護為目的所進行的總保護。如當汽輪機疏水箱水位高時，保護的不是水箱，而是整個汽輪機系統；這時候須發出停機保護信號。

②設備保護原則。相對于系統保護，設備保護原則的層次要低一些。它起到的保護作用是局部的。如對于SRI101PO，當高位水箱水位低時，禁止泵啟動。該保護可以防止泵空轉，對于泵而言是一種設備保護。

③過程保護原則。過程保護原則是系統在運行過程中所進行的一種保護。如在機組運行過程中，當某參數逐漸接近其設定值時，便會發出保護信號。該保護可以作為前兩種保護的結合。

④順序保護原則。順序保護原則是在系統設計中所進行的綜合考慮。如對于泵的啟動控制，只有泵的上下游隔離閥都開啟，然后管道內充水，才允許泵啟動；又如汽輪機沖轉前預檢，只有相關信號都通過時，才允許沖轉。所有這些具有前后邏輯關系的保護，屬于順序保護。對于順序控制，可以自動啟動或由操作人員啟動。當順序控制設備完好時，被控制的單體設備不能手動操作；反之，可以單體操作(切換方式是由監視裝置自動實現的，而不是操作人員通過手動/自動切換開關實現)。

以上原則是獨立的，適用于任何時間。如果出現故障，設計上應使保護系統處于安全位置，且排在前面的保護優先進行。

對于設計的原則，如果針對某一具體設計，有時候并不能完全分清屬于哪一種保護，各種保護會結合到一起，共同參與系統保護。

3設計過程

確定設計原則后，根據既定的流程，便可以進行相應的設計。

3.1設計準備

(1) 制訂統一的設計標準(已有通用標準規范除外)。①優先權的劃分及實施方法；②不同安全級之間的隔離措施，同一安全級中不同級設備之間的隔離要求；③冗余回路的配置原則是除去TRAIN A/B的冗余要求，明確每一列的冗余配置要求；④控制室操作及顯示方式要求；⑤去BUP的信號如何表示；⑥設計制圖規定，包括LD/AD圖框、線型、文字描述、功能圖塊、圖符定義等。

(2)確定與工藝系統的設計接口。①在大件設備上的儀控設備測點要求；②執行部件的可控性要求，例如電動門應具備遙控/就地切換、開/關操作、控制電源、終端/行程開關、故障報警信號等；③電磁閥的控制電壓盡量統一；④氣動隔膜閥帶開/閉終端開關；⑤其他控制要求。

在LD/AD的初期階段，應對工藝專業提出上述要求，并要求將其寫入相關設備的規格書中，以防在后續使用中發生儀控與工藝設備不匹配。

(3)了解儀控專業自選設備的性能。①DCS的性能介紹，并提出進行LD/AD時應注意的問題；②儀控設備選型；③非標準儀控設備的生產落實。

3.2設計過程

(1)工藝系統確定。該階段需要以下設計輸入：①運行參數；②設備清單；③工藝流程圖；④功能安全分級；⑤儀控總體結構；⑥設計變更。

本階段需確定與其他系統的接口，自動順序控制以及相應的執行機構。初步設計流程圖如圖1所示。

(2)繪制LD/AD。對于有參考電站的LD/AD，首先須與參考電站進行比較；如果沒有參考電站，則該步驟可以省略。繪制LD/AD，須進行以下檢查：①系統手冊中的設計原則與繪制的LD/AD前后是否一致，這些原則涉及系統保護、設備保護、過程保護、自動保護等，如果不一致，則須通過修改，保證前后的連貫性；}號的冗余回路進行檢查；③對信號的隔離進行檢查；④對驅動級標準模塊的合理性進行檢查。

其他方面的檢查，包括確定手動禁止信號、檢查一致性：執行機構/探頭與電廠顯示單元的一致性、LD/AD與電廠顯示單元的一致性、LD/AD與后備盤清單的一致性、LD/AD與報警單元的一致性、系統接口的一致性、所需的命令與信號、系統控制邊界、系統物理對稱性(如常規島閉路冷卻水系統SRI101PO泵的控制可以復制到SRI102PO泵)等。

圖1　初步設計流程圖

本階段完成后，通過相應的檢查，即可以完成LD/AD。LD/AD的設計流程圖如圖2所示。

圖2　詳細設計流程圖

(3)編制顯示與報警手冊，并且要確保命令與信號的一致性。此部分作為LD/AD的后續章節，在此不作深入討論。

4系統設計實例

常規島閉路冷卻水系統(SRI)按照汽輪發電機連續輸出為984 MW的條件設計[7]，能排出21 MW的熱量。SRI的設計壓力和溫度分別為0.6 MPa和85 ℃。

除鹽水由3臺50%的臥式泵中的2臺進行循環，余下的1臺為備用。每臺SRI冷卻器的進口和出口管線設置手動隔離閥，能使該臺冷卻器隔離。冷卻介質來自海水。經過冷卻的水通過1根母管并聯分配到各輔助冷卻器以及泵/電機的軸承，進行相應冷卻。所有的冷卻水最后聚集到泵的吸入口，通過泵打入冷卻器，構成一個閉式循環。該系統有一臺高位水箱，可以使整個系統保持正的壓頭。

當運行中的任一臺泵發生故障時，備用泵自動啟動。

為使泵SRI101/201/301PO維持在最佳的工作點運行，設計一臺旁路閥SRI060VD。通過調節該閥的開度，保證泵的出口流量恒定。系統流程圖如圖3所示。

圖3　SRI系統流程圖

從圖3可以清楚地看出整個系統中水的流向。當一臺泵故障時，壓力可能會下降。為了保持整個回路的流量，在泵出口處設計一個壓力傳感器SRI001SP，當壓力下降時，備用泵會自動啟動。

另外，系統還設計了高位水箱水位報警、冷卻水溫度報警等常規功能。

控制方式1：旁路閥SRI060VD根據流量，使泵運行在最佳工作點，如圖4所示。

圖4　SRI060VD控制邏輯圖

從整個系統的工藝流程來看，為使泵在接近最佳效率點上運行，設置輔助冷卻器的旁路閥SRI060VD。當輔助冷卻器的流量需求減少，旁路閥開大時，旁路流量增大，流徑冷卻器的流量減小，保證了泵的出口流量保持不變。

控制方式2：由3臺泵實現自動控制功能。

在該SRI系統中，正常運行期間3臺泵不需要人為干預；在故障情況下，如果有一臺運行中的泵故障，備用泵會自動啟動。其實現邏輯圖如圖5所示。

圖5　SRI101PO啟動邏輯圖

從圖5中可以看出，SRI101PO自動啟動要具備以下條件。

①當冷卻水母管壓力未曾過低且過去的4 s內無停泵命令、SRI101PO沒有運行，此時如果301PO運行過程中出口壓力低，則自動啟動SRI101PO。

②當冷卻水母管壓力未曾過低且過去的4 s內無停泵命令時，如運行中的201PO與301PO中的任意一臺出現故障，則自動啟動SRI101PO。

根據條件①，要啟動SRI101PO，首先要保證曾經建立起冷卻水母管壓力；因為泵剛啟動時，壓力較低，因此一定要保證曾經建立過壓力。另外，當手動發出停泵命令時，泵停運，壓力也要相應降低，此時不允許備用泵自動啟動。如果SRI101PO在運行，則無須再啟動，因此這里有一個啟動檢查確認的信號。

根據條件②，如果201/301PO均在運行，任何一臺泵故障即啟動101PO。其目的還是為了防止出口壓力低。

控制方式3：保證每次啟動時，只有一臺泵在接收啟動命令信號。實現邏輯圖如圖6所示。

圖6　記憶邏輯圖

從圖6可知：在正常運行時，出口壓力不低，其出口壓力記憶輸出置“1”，此時無自動啟泵命令信號。當出現故障時，出口壓力會下降，此時根據順序控制，會發出一個自動啟動泵的命令信號。此信號有2 s的前延時，即2 s過后，出口壓力記憶會復位置“0”，不允許泵再啟動。2 s的延時保證了泵不會頻繁多次啟動。

控制方式4：保證壓力正常低時，備用泵不會自動啟動。實現邏輯圖如圖7所示。

從圖7中可以看出，其中設置了一個4 s的前延時，即過去的4 s內無手動停泵信號。這樣就能保證在停機狀況下，當冷卻水出口母管壓力低時，不會使備用泵誤啟動。

5結束語

LD/AD是將所有工藝系統的控制要求、運行原則、故障保護要求通過圖例形式實現的過程。對于一個核電站，LD/AD圖紙的總數在3 000張左右，如何保

證LD/AD質量，其設計原則與設計過程至關重要。本文總結出系統保護原則、設備保護原則、過程保護原則、順序保護原則，并通過實例驗證了在設計過程中各保護原則的有效性。這些原則為設計人員設計LD/AD奠定了基礎。

圖7　停泵記憶邏輯圖

從以上實例可以看出，閉路冷卻水系統雖然簡單，但通過對泵的設計原則與設計過程的合理運用，證明了設計原則與設計過程的有效性。在泵的控制邏輯中，實現了順序控制、設備保護等功能。

本文的系統設計原則與設計過程并非針對單個的系統，對于核電站其他LD/AD的設計也具有指導意義。

參考文獻

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Study on the Design of Logical Diagram and Analogue Diagram of CPR1000 Nuclear Power Plant

Abstract：For the problem that CPR1000 nuclear power units lack of mature design rules for logic diagrams and analogue diagrams, on the basis of researching SAMA diagram and ladder diagram, and combining with system design, a set of drawing rules of I&C design for CPR 1000 units is proposed.With the closed cooling water system as example, through analyzing the demands for technological process and design principles, the control logics for associated facilities are determined.Combining with design procedures, the logic diagrams and analogue diagrams of the process system are formed finally.The whole drawing process verifies the feasibility of these design rules, which have certain guiding significance for designing I&C systems of similar units in the future.

Keywords:CPR1000Instrument control systemClosed cooling water systemDCSLogic diagramAnalogue diagramEngineering configuration diagramLadder diagram

中圖分類號：TH-39;TP273

文獻標志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201606024

修改稿收到日期：2016-03-16。

第一作者陳衛華(1972-)，男，1995年畢業于北京科技大學工業自動化專業，獲學士學位，高級工程師；主要從事核電廠儀控設計方向的研究。