1E級調速控制器的設計與研制

□郭 林 劉 俊

一、引言

輔助給水汽動泵是保證核電廠安全運行的關鍵設備，核電廠正常運行時調速控制器處于熱備用狀態，緊急情況時應在25秒內快速啟動汽動泵。目前國內尚無適用于核電廠的1E[1～2]級調速控制器設備，為進一步提高華龍一號相關設備的國產化率并滿足巴基斯坦卡拉奇核電廠二號/三號機組的出口需求，自主研發核電廠用調速控制器有助于實現核電儀控產品的國產化，提升核電裝備的核心競爭力。

1E級調速控制器用于應急工況下輔助給水汽動泵的快速啟動和控制，其控制器參數可根據機械驅動要求進行現場組態，同樣適用于各種不同小型拖動汽輪機機組的控制。具有極高的穩定性、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。緊急情況發生時，蒸汽頂開速關閥，輔助給水汽動泵開始沖轉升速。調速控制器應能控制汽泵轉速，使之在25秒內達到并穩定在額定轉速。調速控制器應具有自動復位功能，以保證周期試驗后執行器處于初始閥位。

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

(三)遠程轉速控制。通過一個外部模擬量信號(4～20mA)，來改變轉速設定值，以調節輔助給水汽動泵的轉速。

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

(五)流量限制。當運行過程中發生爆管，導致給水流量大增，超過組態限制值時，調速控制器應能自動關小調節汽閥，降低轉速，使給水流量維持在限制值以下。調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。正常運行過程中，當轉速達到額定轉速的110%時，調速控制器應發出停機信號并停機。進行電子超速試驗時，當轉速達到HMI現場額定轉速設定值，調速控制器應發出停機信號。進行機械超速試驗時，當轉速達到額定轉速的HMI現場設定值，調速控制器應發出停機信號。

(七)超速試驗。通過人機接口(HMI)對輔助給水汽動泵的機械超速保護裝置和電子超速保護裝置進行超速跳閘試驗。如：當執行電子超速保護試驗時，超速保護值為額定轉速110%～109%。當執行機械超速保護試驗時，超速保護值設定為額定轉速120%。

三、技術方案及原理

1E調速控制器由主控制模塊和HMI組成，主控制模塊和HMI之間采用安全鎖進行隔離以防止人因錯誤影響調速器正常運行。其中，主控制模塊為安全1級系統，以TMS570LS1227微控制器為核心進行設計，軟件符合IEC 60880標準的要求；HMI為安全3級系統，以STM32F103微控制器為核心進行設計，軟件符合IEC 62138標準的要求。

(一)技術方案。1E調速控制器用于輔助給水汽動泵控制，核電廠正常運行時控制器處于熱備用狀態，緊急情況時快速啟動輔助給水汽動泵，調速控制器應具有緊急啟動、啟動過程中防超速功能、轉速控制、遠程轉速控制、流量限制、超速保護和超速試驗功能，其控制系統圖如圖1所示。

圖1 輔助給水汽動泵控制系統圖

(二)控制邏輯。1E調速控制器具有轉速閉環和流量閉環兩個獨立回路，兩個回路的輸出信號和閥位限制器輸出信號經低選器(LSS)選擇其中較低者作為實際輸出用于控制調節汽門的開度，基本控制邏輯框圖如圖2所示。

圖2 基本控制功能框圖

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

流量閉環回路對輸入的流量信號進行開方處理，流量給定值由HMI接口組態設定，流量PID輸出實現流量限制功能。

閥位限制器主要在啟動時防止蒸汽壓力過高導致超速停機。調速控制器在熱備用時閥位限制器保持在初始閥位，當啟動時轉速PID開始控制轉速后閥位限制器按組態升速率上升至最大閥位。

(三)轉速控制。1E調速控制器轉速控制功能框圖如圖3所示，控制回路接受兩個轉速輸入經HSS后輸出的轉速值作為給水泵當前轉速，并與轉速給定值進行比較，實現閉環控制，轉速給定可由HMI鍵盤、MODBUS指令或4～20mA模擬輸入設置，轉速設定方式包括以下幾種。

1.目標轉速設定。由HMI鍵盤、MODBUS指令設定目標轉速，控制器根據升/降速邏輯按照組態指定的升/降速曲線自動計算實際的轉速給定值，直至調速至目標轉速。

2.給定值直接設定。由HMI鍵盤、MODBUS指令直接控制給定值，或者在遠程給定使能條件下，通過4～20mA模擬輸入實現遠程轉速給定，此時升/降速速率由給定裝置控制。

轉速給定值有效范圍由組態編程確定，正常運行轉速范圍由“控制器下限轉速設定值”和“控制器上限轉速設定值”配置，超速試驗轉速由獨立的“超速試驗轉速上限”限定，與正常運行轉速范圍無關。

圖3 轉速控制功能框圖

(四)流量限制功能。1E調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參與轉速控制，從而可實現流量限制功能。獨立的流量控制功能未來系統進行功能擴展時再行實現。

(五)超速保護功能。1E調速控制器超速保護包括主動保護和被動保護兩種情形。

1.主動保護。控制器啟動運行后輔助給水汽動泵處于熱備用狀態，此時隔離閥關閉轉速為零，轉速PID和流量PID輸出為100%，閥位限制輸出為初始閥位。給水汽動泵調節閥開度由低選總線控制，當隔離閥打開后給水汽動泵開始沖轉升速，轉速上升至最低控制轉速后閥位限制器按限制曲線如圖5所示控制調節閥開度，同時轉速PID和流量PID根據給定值和當前測量值控制其輸出，三路輸出低選可避免沖轉過程中蒸汽壓力過大引起汽動泵超速。主動超速保護邏輯如圖4所示。

圖4 1E級控制器主動超速保護邏輯功能框圖

圖5 閥位限制曲線

2.被動保護。非超速試驗狀態下，轉速超過額定轉速110%，觸發停機；超速試驗條件下，轉速超過額定轉速120%，觸發停機。

(六)超速試驗功能。1E調速控制器超速試驗包括電超速與機械超速試驗兩類，由外部超速試驗使能觸點使能，進入超速試驗需滿足：一是轉速閉環PID處于控制狀態；二是退出流量限制、禁用MODBUS給定以及遠程轉速給定功能；三是給水泵工作于額定轉速。

超速試驗狀態下，按住“超速”按鈕后再按“升速”按鈕升速，直至達到超速試驗目標轉速，如108%額定轉速，此時，若超速按鈕松開，則控制器電跳動作，觸發停機，若超速按鈕保持，則可繼續升速至機械超速保護跳閘(110%額定轉速)，為避免電超速與機械超速保護失靈導致超速事故，當轉速超過120%額定轉速時，由控制器強制觸發停機。

四、結語

壓水堆核電站輔助給水汽動泵是電站核輔助系統的“心臟”，是專設安全系統的重要部件之一，而核1E級調速控制器用于百萬千瓦級核電站華龍一號輔助給水汽動泵轉速調節，在汽動輔助給水泵正常運行時起著關鍵作用的主要部件。核電站關鍵儀表的研制是一項具有較高難度的系統工程，對鍛煉核電設備設計隊伍、提高我國生產制造單位的核設備設計制造能力、提升國際核電市場上的競爭力均具有重要意義。

1E調速控制器的成功研制培養出了一批優秀的管理、研發、生產人才，研發組在資料收集、方案論證等多方面做了大量基礎工作，并在實踐中得到應用和證明，大大提高了專業技術人員和管理人員的理論水平，使得理論和實際能緊密聯系，并通過不斷總結積累了豐富的經驗，為其他新產品的開發奠定了良好的基礎。