核電站應急柴油發電機組監測控制系統的開發

陳國忠 韓醒之 李文聽

摘 ?要：應急柴油發電機組是核電站內的應急交流電源，需要由監測控制系統實時監控機組狀態參數，并對機組設備完成自動化控制，本文基于西門子PLC技術、虛擬儀器技術完成了機組監測控制系統的開發，并詳細闡述了系統設計結構和特點，最后將系統應用于應急柴油機組鑒定試驗和出廠試驗中，系統性能測試結果良好。

關鍵詞：核電廠;應急柴油發電機組;監測控制系統

中圖分類號：TM623 ???文獻標識碼：A?????文章編號：1671-2064（2019）17-0000-00

1概述

應急柴油發電機組作為核電站中的應急交流電源，在正常情況下，應時刻保持在熱備用狀態，為應急啟動做好準備。當核電廠外部交流電源全部失去時，需要機組能夠獨立、自動、快速啟動并在規定時間內按預設程序帶載，以確保反應堆安全停堆，避免核事故^?[1][2]。

監測控制系統作為應急柴油機組的重要組成部分，負責監測應急柴油機組的性能參數和工作狀態，以保證機組處于熱備用狀態并滿足隨時進行應急啟動的要求。系統還負責通過預設的邏輯或控制命令完成機組的自動化控制，以保證機組能夠按要求快速、自動啟動^?[3][4]。

傳統的應急柴油發電機組監測控制系統大多由繼電器和常規儀表組成，功能單一，接線復雜，故障率高，可靠性及可追溯性差。現在投入使用的應急柴油發電機組大多為多參數復雜系統，需通過機組監測控制系統將機組各主要參數進行有機結合并形成友好、便捷的顯示、操作界面。針對此情況和要求，本系統基于西門子PLC技術與虛擬儀器技術相結合的方式完成核電站應急柴油機組監測控制系統的開發，并將其應用于“華龍一號”海外項目核電站應急柴油發電機組中。

2系統設計

2.1 設計原則

2.1.1安全分級和質量鑒定

應急柴油發電機組監測控制系統由1E和NC級設備組成。凡是與柴油機組應急啟動和應急運行相關的設備，其分級為1E級，其他設備則為NC級。1E級設備抗震類別為1類，質保等級為QA1并滿足K3類鑒定要求。

2.1.2功能分配

與機組應急啟動和應急運行相關的控制保護功能，采用1E級設備實現。與機組應急啟動和應急運行不相關的控制保護、信息顯示和報警等功能采用NC級設備實現。

2.1.3電氣隔離

當1E級設備與NC級設備之間存在信號交換時，按照GB/T 13286的相關要求，對1E級和NC級設備之間信號進行隔離。本系統采用繼電器、斷路器、電流互感器、光-電耦合器等作為電氣隔離裝置，所有隔離裝置布置在1E級機柜中。

2.2 系統結構

應急柴油發電機組監測控制系統通過檢測系統的重要運行參數（例如轉速、壓力和溫度等），為機組各類設備提供控制、保護及信息監測手段，以保證柴油發電機組安全、可靠和經濟地運行，分為3個層次，詳見圖1。

工藝系統接口層：包括各類傳感器、電磁閥、電動機等，主要功能為采集工藝參數及根據自動化系統來的控制指令，控制工藝過程

自動控制和保護層：主要包括機組監測站、控制站等，用于完成數據處理、邏輯控制及通信等功能。

操作和信息管理層：主要完成信息顯示和故障報警并為操縱員手動控制提供手段，主要由觸摸屏、必要的硬件操作開關等組成。

2.3系統組成及特點

應急柴油發電機組監測控制系統主要由機組控制柜、機組監測柜、啟停閥箱、轉速控制箱、端子箱、儀表架及現場儀表等組成。

機組控制柜主要處理與機組應急啟動和應急運行相關的控制保護功能，通過鑒定過的繼電器邏輯實現，即使在非1E設備失效的情況下，仍可獨立地對機組進行啟停控制。該控制柜為1E級，主要功能有機組應急啟/停控制、速度控制、燃油輸送泵控制、冷卻風機控制等。

機組監測柜主要處理與機組應急啟動和應急運行無關的控制保護、信息顯示和報警等功能，采用西門子S7-300通用控制器作為主控制器，選用ET200M完成I/O模塊的拓展，并通過以太網、光纖、DP電纜分別與上位機、機組控制柜、發電機保護裝置進行通訊。該控制柜為NC級，主要功能有機組試驗啟/停控制、補水泵控制、發電機空間加熱器控制、機組狀態參數顯示和報警等。

每套機組設置一套獨立的診斷裝置，采用高速采集模塊對模擬量和開關量信號進行采集，開關量分辨率不低于1.0ms，模擬量采樣頻率達到1kHz。裝置對轉速、電流、電壓等參數進行高速采樣，在收到啟動信號后自動生成啟動時電壓、轉速、啟動時間的曲線，在加載、甩負荷試驗期間，生成機組運行狀態信息的變化曲線。對機組出現的保護停機等現象，自動分析機組跳閘原因及故障出現的次序。

機組速度控制系統由轉速傳感器、調速器、執行器等主要部件及調節連桿、連接電纜等附件組成，調速器選用WOODWARD公司2301A產品，執行器選用WOODWARD公司PGG-EG-58產品，執行器具有球頭備份功能，確保在調速器故障情況下，機組仍能可靠運行。

每臺機組有兩套互相獨立的啟動回路，每個回路均能單獨完成在15秒內連續啟動5次柴油機。當機組發出試驗啟動命令時，可選擇A列、B列單獨啟動或A列、B列同時啟動，當機組發出應急啟動命令時候，機組直接雙列啟動。

機組應急運行時僅投入超速和失電壓保護，通過三取二邏輯實現，其他保護（例如滑油壓力低、高溫水溫度高、排氣溫度高等）都被閉鎖，僅發出報警，只有在試驗運行下這些保護才被投入。