核化工項目總衛生出入口設施儀控系統設計

＊李 睿

（中國核電工程有限公司 北京 100840）

總衛生出入口設施是核化工項目的必要輔助設施，是正常運行人員進入核化工廠區的主通道，由四個部分組成：保護區出入口，總衛生出入口，洗衣機房和熱交換站。熱交換站設置在總衛生出入口地下一層的熱交換間，采用汽水換熱的方式為廠區采暖用戶提供熱水，熱介質蒸汽來源于鍋爐房。

1.工藝需求

總衛生出入口設施工藝設備數量較少，放射性水平較低，檢測的參數種類相對較少，工藝系統有壓空系統，其他公用系統包括：通風系統、給排水系統，其主要作用是為了滿足工藝運行和生產操作需要。水的系統有淋浴水系統、洗衣廢水系統等。該廠房工藝設備數量較少，放射性水平較低，檢測參數的種類相對較少。水工藝的檢測要求有對洗衣廢水槽、淋浴水槽和集水坑的液位進行監測并報警、聯鎖；廢水泵的入口、出口壓力要求就地顯示；還包括對生產上水流量進行監測，需要將檢測的瞬時流量和累積流量信號送至全廠用水管理系統。對于工藝測點采用遠傳監測和自動聯鎖控制，以人的安全為本，采取安全可靠的措施，并設置各級越限報警，這樣既能方便工藝操作人員的操作，又能確保整個工廠和人員的安全。

2.儀控系統設計原則

儀控系統設計的首要原則是要滿足工藝及公用系統的檢測和控制要求，在整個設計過程中遵循輻射防護規定，貫徹安全第一的理念。對于儀控設備的選型原則，設計時考慮選用了安全可靠，技術先進成熟，后期維護簡單方便。儀表的檢測方案和選型依據《核燃料后處理廠自控儀表工程設計規定》（EJ/T 999-1996）和《自動化儀表選型設計規范》（HG/T 20507-2014）。根據安全系統的分級依據，本設施沒有安全級檢測點。非安全級控制系統采用了先進的數字化控制系統，提高了整體的過程控制、生產管理和自動化控制水平。

3.儀表選型設計

(1)液位檢測儀表

總衛生出入口設施需要液位測量的工藝設備有洗衣廢水槽、淋浴水槽和集水坑。

①洗衣廢水槽液位計選擇。洗衣廢水槽的液位檢測選用磁翻板液位計，即可就地顯示也可將檢測信號遠傳至控制柜顯示、報警、聯鎖。

磁性翻板液位計安裝在洗衣廢水槽設備的側面，液位計可以做到高密封、防泄漏，液體介質與指示器完全隔離。磁性翻板液位計可以直觀顯示洗衣廢水槽的液位，方便現場操作，并可實現遠距離檢測、指示、記錄與控制。

②淋浴水槽和集水坑的液位計選擇。淋浴水槽和集水坑的液位檢測選用靜壓式液位變送器，檢測信號遠傳至控制柜報警、聯鎖。靜壓式液位變送器的工作原理如下：

液體產生的靜壓強計算公式為：P=ρgh+P0

其中：P為液體壓力；ρ為液位密度；h為液位高度；P0為大氣壓。對于開口容器，液體壓力P的大小取決于液位高度h，采用背壓直通大氣的表壓傳感器，則測出的壓力與液位高度成正比。

靜壓式液位變送器選用擴散硅壓阻式壓力傳感器，被測壓力通過隔離膜片和灌注的硅油傳遞到硅壓敏元件上，硅壓敏元件組成惠斯通電橋結構，實現了力電一體化高精度轉換。電橋輸出的變化經轉換放大成為穩定的4～20mA標準信號輸出。

(2)流量檢測儀表

總衛生出入口設施需要流量測量的工藝設備有壓縮空氣的管線，生產用水和生活用水管線，以及風機的送風總管和排風總管。

①壓縮空氣流量計選擇。壓縮空氣流量測量選用浮子流量計，此表測量精度高，可以輸出瞬時流量和累積流量信號。浮子流量計又稱為轉子流量計，由一段向上擴大的錐形管和一個在管內上下浮動的浮子（又稱轉子）所組成。浮子流量計基于定壓降、變面積測量流量的原理。當流體流過時在浮子前后產生差壓力，使浮子向上移動。當浮子所受的差壓力、重力、浮力和粘性力平衡時，浮子停在某一位置，此位置對應測量介質的某一流量。浮子位置經過精密充磁的磁耦合系統帶動指針，由刻度盤和指針讀出相應的流量值。對于壓縮空氣這種介質，干凈、穩定，適合用浮子流量計測量流量。

②生產用水和生活用水流量流量計選擇。生產用水和生活用水流量選用渦輪流量計。渦輪流量計是一種速度式流量測量儀表。傳感器主要由殼體、前導向架、軸、葉輪、后導向架和帶磁電轉換器的放大器、轉換器等組成。當流體通過傳感器時，流體沖擊葉輪葉片，使葉輪旋轉，葉輪周期性的旋轉改變了磁電轉換器的磁通量，經磁電轉換輸出脈沖信號，脈沖信號的數量與頻率與流過傳感器的流量多少和大小成正比。渦輪流量計適用于測量充滿于封閉管道中連續流過、較低粘度的清潔液體體積流量，特別適用于生產用水和生活用水的流量測量。傳感器可輸出對應通過傳感器體積的瞬時流量、累計流量的電信號。

③風機的送排風流量計選擇。風機的送風量和排風量的測量選用熱導式氣體質量流量計。熱導式氣體質量流量計的傳感元件是兩個帶熱套管保護的鉑熱電阻（RTD）。當這兩個鉑熱電阻被置于流體中時，其中一個鉑熱電阻被加熱維持50℃的溫差，另一個則用于感應過程溫度。維持兩個鉑熱電阻之間的溫差需要做的功率與過程流速及過程介質的比熱有關。較高的體積流量、較大密度或較大比熱的介質將使被加熱的鉑熱電阻加速降溫并因而需要更大功率維持溫差。通過測量儀表功率，可以得出單位時間內流過了多少質量*比熱的介質。如果知道介質的綜合比熱系數，就可以得出介質的質量流量。相對于傳統的差壓式流量裝置，熱導式氣體質量流量計很適合于測量復雜圓形管道或方形管道，特別是大口徑風管內的氣體或混合氣體的流量。

(3)壓力(差壓)檢測儀表

壓力的就地顯示選用全不銹鋼壓力表和隔膜式壓力表。就地壓力檢測選用全不銹鋼壓力和全不銹鋼隔膜壓力表。遠傳壓力（差壓）檢測選用壓力變送器和差壓變送器。風機進出口壓差選用差壓變送器。

(4)溫度檢測儀表

溫度檢測選用帶一體化溫度變送器的鉑熱電阻。風機軸溫測量選用熱電阻，可將檢測信號遠傳至控制柜報警、聯鎖。房間內的溫濕度測量選用溫濕度變送器。溫度的就地顯示選用雙金屬溫度計。

4.控制系統設計

(1)方案

根據工藝專業的檢測和控制要求，本設施設置一套數字化控制系統。本設施洗衣廢水收集系統和淋浴廢水排放系統的大部分測控設備均位于設施地下一層的洗衣水槽間和淋浴水槽間，考慮到洗衣廢水收集系統有就地操作需求，要求在就地實現洗衣水槽的高低液位報警功能，所以地下一層的洗衣水槽間內設置一臺就地控制箱，內裝數字化系統的遠程輸入輸出（以下簡稱：I/O）設備，用以實現地下一層現場設備的信號輸入輸出，同時在就地控制箱箱面上設置報警指示燈，箱內設置蜂鳴器，實現就地的報警功能。系統控制柜及一臺操作員站，兼作工程師站的功能，布置在設施二層的控制室，就地控制箱與控制柜通過數據總線實現通信。

本設施的控制系統機柜布置在二層的控制室內。就地控制箱布置在地下一層淋浴水槽間內。熱交換站設備控制柜，布置在地下一層熱交換站間內，操作員站布置在二層控制室?？刂葡到y的方案設計見圖1所示。

圖1 控制系統拓撲圖

(2)控制系統選型

總衛生出入口設施選用了中核控制系統工程有限公司的NicSys?2000 LITE平臺，NicSys?2000LITE是NicSys?2000 DCS控制系統的簡化版，是一個高效、靈活、實用、方便、配置靈活的數字化控制系統。NicSys?2000LITE系統硬件與NicSys?2000 DCS控制系統平臺一致，區別在于NicSys?2000LITE系統采用專用的NicBuilder軟件作為二層組態軟件。NicBuilder同時支持冗余配置。

(3)系統組成

本設施控制室內設置一臺操作員站，兼作工程師站，具有以下功能：

①用于運行人機界面，對工藝系統的運行進行監控，實現人機交互功能；②工程師的功能，用于系統組態和維護；③歷史數據存儲的功能，用于記錄歷史數據和歷史事件，并實現歷史數據記錄和歷史事件的查詢；④報警的監控和管理；⑤趨勢分析及打印輸出等功能。

操作員站采用Windows7操作系統，并安裝NicBuilder上位機軟件，以滿足畫面顯示、監控報警、歷史存儲等功能。控制站的硬件設備包括控制器模塊、輸入輸出模塊、電源模塊、網關模塊等，安裝在機箱中，機箱與端子模塊在機柜內部通過專用電纜、導線連接?？刂破魍ㄟ^I/O模塊進行數據采集后，將采集數據送至操作員站進行實時數據處理。一層控制器采集并處理現場信號，通過工業以太網，傳送至操作員站（工程師站），將現場采集的數據實時顯示、記錄存儲、趨勢分析、報警及打印輸出。

(4)I/O點數配置

現場控制系統由現場控制器、I/O卡件、通訊總線和網絡組成，系統規模根據項目的要求進行配置。

現場輸入輸出測點的數量見表1。

表1 測點數量表

I/O卡件配置的數量見表2。

表2 I/O卡件配置

(5)系統接地

控制系統需要三種接地：即保護地、屏蔽地和系統地。

保護地：是為了防止設備外殼的靜電荷積累、避免造成人身傷害和設備不受損害而采取的保護措施。

系統地：柜內弱電系統的電源負端，是系統硬件電路模擬、數字地的電位參考點。

屏蔽地：信號電纜屏蔽層接入的地,它可以把現場信號傳輸時所受到的干擾屏蔽掉，以提高信號精度?？刂葡到y中信號電纜的屏蔽層應做屏蔽接地。線纜屏蔽層必須一端接地，防止形成閉合回路干擾。鎧裝電纜的金屬鎧不應作為屏蔽保護接地，必須是銅絲網或鍍鋁屏蔽層接地，接入公共接地極。

保護地、屏蔽地在機柜內測量其對地的接地電阻，小于4Ω；系統地在機柜內測量其對地的接地電阻，小于1Ω。信號屏蔽電纜的屏蔽層在進入機柜后接入屏蔽地銅排，然后接入房間接地網。系統地采用樹形連接，柜內的各直流電源的參考零位接入機柜系統地銅排，系統地銅排與機柜柜體絕緣。機柜系統地銅排相互連接后接入房間的系統地接地銅排。

(6)與現場設備接口

傳感器或其他儀控設備包括如下接口：

①開關量輸入信號接口；②開關量輸出信號接口；③模擬量輸入信號接口：4～20mA、脈沖信號；④模擬量輸出信號接口。以上均采用硬接線方式。

(7)外部通訊接口

控制系統設置外部通訊接口，用于與第三方系統和其他設施的通訊，通訊層次為一層設備通訊。本設施通訊協議為ModBus-TCP，傳輸介質為光纖。單模光纖，配光電轉換模塊。

(8)供電設計

控制系統的供電設計，總電源分配三路單相220VAC電源，經不間斷供電系統（以下簡稱：UPS）進行供電。UPS電源柜由UPS電源、蓄電池、儀表等組成，通過UPS電源向控制系統提供不間斷電源。UPS續航時間不低于30min。

UPS采用先進的在線式正弦波不間斷供電系統，并帶有維修開關及并聯冗余的功能。在線式設計的UPS，不同于后備式UPS，它對輸入電壓不斷調整、濾波，在市電中斷時，會無時間中斷地從備用電池上提供后備電源。在過載或逆變失敗情況下，UPS會轉換到旁路狀態，由市電供電。若過載情況消除，UPS會自動轉回到逆變器供電狀態。

三路電源分配如下：一路經UPS送至位于本設施控制室控制柜，電源容量為3kVA；一路經UPS送至地下一層熱交換站的控制柜，電源容量為2kVA；一路經UPS送至地下一層淋浴水槽間就地控制箱，電源容量2kVA。

5.儀控系統的安裝設計

儀表的安裝布置依據《自動化儀表工程施工及質量驗收規范》（GB 50093-2013）的要求進行設計。儀表布置安裝方案充分考慮了后期調試、運行等各階段的檢修需求；在滿足檢測功能和檢測效果的前提下，安裝布置力求整體美觀、整潔；儀表布置安裝位置應不影響人員和設備通行。

渦輪流量計和浮子流量計與管道一體安裝。浮子流量計可安裝在垂直或者水平管道上。渦輪流量計安裝時應安裝在水平管道上，并保證前、后直管段長度，儀表前端保證10倍的管道口徑長度，后端保證5倍的管道口徑長度。

熱導式氣體質量流量計儀表安裝時沒有足夠的前、后直管段，為了能使此儀表可靠穩定完成檢測任務，需要在儀表安裝孔正下方200mm處增設一個儀表安裝孔，用于儀表校驗。所有儀控系統橋架均選用鋼制槽式橋架，支、吊架跨距為2m。在有彎通、三通的地方需單獨增加支撐點。

6.結束語

核化工項目總衛生出入口設施的儀控系統設計較好地滿足了工藝及公用系統的檢測和控制要求。對于儀控設備的選型原則，設計時考慮選用了安全可靠、技術成熟先進、后期維護簡單方便。同時選用可靠性高，功能完備，適用性強，易于使用，小巧便捷的國產數字化控制系統，對于類似相關工程設計具有一定的指導和借鑒意義。