基于PLC的堵板密封裝置控制系統(tǒng)設計

郭林林,朱存平,羅輝國,許 英

(1.深圳東方鍋爐控制有限公司成都分公司,四川 成都 610000;2.深圳東方鍋爐控制有限公司,廣東 深圳 518000)

0 引言

蒸汽發(fā)生器是核電廠的核心設備之一。在核電廠大修期間，對蒸汽發(fā)生器進行在役檢修或檢查的過程中，人員或工具需進入蒸汽發(fā)生器一次側水室。為了防止人員、工具等落入主管道內，需在蒸汽發(fā)生器一次側水室內安裝堵板密封裝置對主管道進行臨時封堵。在堆芯高水位進行在役檢修或檢查時，也需要采用堵板密封裝置對主管道進行封堵，以防止一回路冷卻劑從蒸汽發(fā)生器一次側泄漏[1-3]。

目前，國內外有關廠家產品工作原理多為手動調節(jié)減壓閥：將減壓閥調整在一定的輸出壓力，動態(tài)調整堵板組件中密封膠囊各腔室的壓力。但該方法無法監(jiān)控分析密封膠囊的工作狀態(tài)。密封膠囊各腔室壓力調節(jié)過程依賴于操作人員的經驗，且無密封失效導致的效冷卻劑泄漏報警功能。本文主要介紹堵板密封裝置控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有堵板密封組件膠囊腔室壓力自動控制、密封膠囊腔室壓力低自動補充、堵板密封組件泄漏報警、自動補氣次數(shù)過多報警、提醒操作人員對回路中的故障點進行檢查等功能，可實現(xiàn)裝置無人值守。某核電廠3#、4#號機組一次側接管堵板密封裝置主要由控制系統(tǒng)、堵板密封組件兩部分組成。

1 堵板密封裝置控制要求

控制系統(tǒng)為密封膠囊提供3路壓力可調、可控的壓縮空氣輸出。干腔室、濕腔室充氣壓力范圍為350 000～450 000 Pa，運行壓力為400 000 Pa，中間腔室充氣壓力范圍為50 000～150 000 Pa，運行壓力為100 000 Pa。通過監(jiān)控中間腔室的壓力判斷干腔室和濕腔室的密封效果，可確保檢修期間主管道內的冷卻劑不會泄漏到蒸汽發(fā)生器的一次側。控制系統(tǒng)需具備必要且充足的報警提示功能，以及運行數(shù)據存儲功能。

2 堵板密封裝置設備組成

堵板密封裝置主要包括堵板密封組件、可編程邏輯控制器(programmable logic controller,PLC)控制系統(tǒng)。

堵板密封組件分為金屬堵板和密封膠囊兩部分。金屬堵板由中間金屬堵板、左/右金屬堵板組成。中間金屬堵板和密封膠囊通過澆筑的螺栓組合為整體。金屬堵板由2024-T351鋁制材料制造，中間金屬堵板和密封膠囊組合后總質量不超過15 kg，左/右金屬堵板質量各約10 kg，便于分別從人孔遞入蒸汽發(fā)生器。安裝人員能夠輕易地搬運和安裝堵板，節(jié)約堵板安裝時間。密封膠囊由稀土改性高強度、高韌性、耐輻射三元乙丙橡膠及無接縫特殊制造工藝一次性制成，通過一體加工的進氣口接頭與壓縮空氣管道連接，實現(xiàn)對密封膠囊各個腔室的充氣及氣壓監(jiān)測。膠囊可折疊，以便于從人孔側遞入蒸汽發(fā)生器一次側。

控制系統(tǒng)由S7-1200系列PLC[4]、觸摸屏、開關電源、不間斷電源、儲氣罐、電磁閥、比例閥、壓力表、壓力傳感器、漏水檢測裝置、無線報警器等組成?？刂葡到y(tǒng)用于實現(xiàn)堵板密封組件中密封膠囊的充氣、氣壓監(jiān)測、氣壓低低報警、氣壓高報警、氣壓低自動補氣、排氣、漏水報警等功能。

PLC為儀控系統(tǒng)的核心。其預留遠程監(jiān)控接口，可根據用戶的需求選擇接入。PLC通過以太網接口與觸摸屏通信，所有操作均在觸摸屏完成。系統(tǒng)采集到的膠囊各腔室壓力數(shù)據，在觸摸屏集中顯示并存儲。PLC根據操作員在觸摸屏設置和采集到的膠囊各腔室壓力，自動調整比例閥和電磁閥，以調節(jié)膠囊各腔室的壓力，實現(xiàn)膠囊的密封功能。如果因膠囊密封失效而導致液體泄漏，漏水傳感器會將漏水信號傳送給PLC，使系統(tǒng)發(fā)出漏水報警。系統(tǒng)中的任何報警都是在控制柜觸發(fā)聲光報警，同時系統(tǒng)自動撥打電話、發(fā)送短信給多個特定的手機號碼，提醒操作人員進行處理。氣路系統(tǒng)分3路，分別向膠囊的3個腔室供應壓縮空氣。PLC控制系統(tǒng)根據觸摸屏的設置和采集到的各腔室的壓力數(shù)據，自動調整電磁閥和比例閥以調節(jié)各腔室的壓力，從而達到密封效果。

控制系統(tǒng)儀控結構如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)儀控結構圖 Fig.1 I&C structure diagram of control system

3 控制系統(tǒng)的設計

堵板密封裝置控制系統(tǒng)設計分為以下幾個部分：控制系統(tǒng)硬件設計、控制系統(tǒng)軟件設計、人機界面組態(tài)設計。首先，通過分析工藝流程，對系統(tǒng)中需要控制調節(jié)的關鍵變量進行統(tǒng)計，完成系統(tǒng)的硬件配置?？刂葡到y(tǒng)軟件主要實現(xiàn)邏輯判斷、數(shù)據處理、控制執(zhí)行等功能[5]。人機界面組態(tài)軟件主要用于設定運行參數(shù)和報警參數(shù)，實時采集并顯示密封膠囊各腔室的壓力、外部電源狀態(tài)、外部氣源狀態(tài)，并及時作出報警和記錄。

3.1 控制系統(tǒng)的硬件組成

該控制系統(tǒng)采用西門子S7-1200 PLC和TP900精智面板觸摸屏作為控制系統(tǒng)的核心。西門子S7-1200控制器采用模塊化、緊湊型設計，具有功能強大、可靠性高、靈活度高的特點，具備高標準工業(yè)通信接口[6]。TP900精智面板堅固耐用，支持多種通信協(xié)議，項目數(shù)據和設備參數(shù)將被保存在設備中的數(shù)據卡，并保持自動更新。控制系統(tǒng)硬件滿足堵板密封組件的控制需求。系統(tǒng)共使用4個數(shù)字量輸入信號、7個數(shù)字量輸出信號、8個模量輸入信號、3個模擬量輸出信號?？刂葡到y(tǒng)I/O配置如表1所示。控制系統(tǒng)配置24 V DC/3.4 A不間斷電源，可保證在外部電源失去的情況下正常運行30 min以上。

表1 控制系統(tǒng)I/O配置表 Tab.1 I/O allocation for control system

3.2 控制系統(tǒng)軟件設計

控制系統(tǒng)主要完成堵板密封組件中膠囊腔室充氣、壓力低自動補氣、排氣、密封膠囊腔室壓力監(jiān)測及報警、密封失效導致的漏液報警等功能。程序編寫采用模塊化編程，由主程序調用多個子程序來實現(xiàn)密封膠囊各腔室的自動充氣及報警。

PLC控制主程序流程如圖2所示。

圖2 PLC控制主程序流程圖 Fig.2 Flowchart of the main program of PLC control

3.3 人機界面組態(tài)設計

根據堵板密封組件的工藝要求，共設計了9個控制界面，分別是工藝畫面、歷史數(shù)據、干腔室充氣、濕腔室充氣、中間腔室充氣、干腔室排氣、濕腔室排氣、中間腔室排氣、超欠壓設置。每個界面下方均有切換按鈕，便于各操作界面之間的切換[7-8]。

工藝畫面顯示系統(tǒng)的整體工藝流程，各運行參數(shù)的在線顯示，所有數(shù)據均可與控制柜面板上的數(shù)字顯示壓力傳感器和機械壓力表進行對照。在干腔室充氣界面進行參數(shù)設置，包括目標壓力值、充氣啟動/停止按鈕、自動補氣壓力值、自動補氣開關按鈕等。操作人員可在歷史數(shù)據界面查看系統(tǒng)運行的密封膠囊各腔室壓力數(shù)據?？刂葡到y(tǒng)根據密封膠囊各腔室在一定時間段內的壓力補充次數(shù)，以判斷密封膠囊潛在的漏氣情況。歷史數(shù)據以表格的形式存儲在觸摸屏的存儲卡中，可在計算機端對數(shù)據進行整理、分析。

4 系統(tǒng)試驗

控制系統(tǒng)與堵板密封組件在蒸汽發(fā)生器一次側管座密封環(huán)模擬裝置[9-10]進行了三個月的聯(lián)調試驗、程序優(yōu)化。期間，控制系統(tǒng)精確的氣體壓力控制能力和數(shù)據記錄功能，為密封膠囊的生產工藝改進提供了數(shù)據支撐，降低了密封膠囊的氣體滲漏量，使得改進后的密封膠囊補氣周期從4 h以下提升到18 h以上(從450 000 Pa降到400 000 Pa)；同時，24 h水腔室108 000 Pa長效密封試驗，密封膠囊干腔室、濕腔室、中間腔室壓力穩(wěn)定，密封效果良好，無液體泄漏；控制系統(tǒng)還協(xié)同堵板密封組件進行了主動密封試驗、水壓強度試驗、被動密封試驗等，均滿足出廠試驗大綱的技術要求。

5 結論

本文在分析了堵板密封組件工作原理的基礎上，設計了完整的控制系統(tǒng)。試驗結果表明，該控制系統(tǒng)方案設計合理，人機界面簡潔直觀、操作方便、運行可靠，實現(xiàn)了蒸汽發(fā)生器一次側密封過程的自動控制、數(shù)據自動記錄、報警信息自動發(fā)送。該設計降低了操作人員的工作強度，能夠有效地配合堵板密封組件完成核電廠大修期間蒸汽發(fā)生器一次側的密封工作。下一步，將對該控制系統(tǒng)進行小型化和輕量化改進設計，進一步提升系統(tǒng)本體管路的密封性能。展望未來，該設計方案可推廣應用到國內外其他核電廠，在核電廠檢修領域發(fā)揮重要的作用，具有一定的應用前景[11]。