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★北京廣利核系統工程有限公司李明鋼，張波

關鍵詞：核電廠；應急柴油發電機；控制系統；應用現狀

1　引言

應急柴油發電機組作為全廠應急安全電源與核電廠的安全直接相關，在廠用電源和輔助電源都發生故障時，能夠自動快速啟動，以提供應急照明和為保證反應堆安全停堆所需的設備用電，使其繼續運轉，保證一回路壓力邊界的完整性，確保放射性物質不向大氣泄漏。

核級應急柴油發電機組屬于安全級設備。但我國應急柴油發電機組的控制系統發展緩慢，之前主要采用簡單硬件的模擬控制裝置，即采用繼電器和模擬儀表構成控制系統。而采用簡單硬件的控制系統故障頻發，直接威脅柴油的安全運行進而直接威脅核電站的安全。近些年國內一些廠家通過采用可編程控制器（PLC）對非安全級控制部分進行了升級，實際上技術仍然比較落后，并且還存在可靠性差、難維護、數據記錄數量少時間短等缺點。所以應急柴油發電機組儀控系統全部數字化、國產化成了當前迫切需求。

2　當前儀控系統主要設計方案

根據國內投運的應急柴油發電機儀控系統進行分析，應急柴油發電機控制系統經歷了兩個階段：早期簡單硬件的模擬控制系統；近些年出現的繼電器+PLC混合控制系統。

下面分別對應急柴油發電機組控制系統發展的兩個階段的實現方案和存在的問題進行分析說明。

2.1　簡單硬件的模擬控制系統

采用簡單硬件的模擬控制系統，實現較為簡單，控制系統使用幾百個繼電器、模擬儀表通過硬接線進行邏輯搭接實現柴油機的控制和顯示，從而實現柴油機啟停等自動控制功能。這類控制系統的典型代表例如某核電站機組使用的是法國Wartsila公司的UD45V12型柴油機，控制系統使用的是TEC繼電器。

典型的簡單硬件的模擬控制系統機柜內的布置圖如圖1所示。

圖1 繼電器系統布置圖

某核電廠應急柴油發電機控制系統使用的繼電器情況匯總如表1所示。

表1 繼電器數量統計

該系統總計使用各類型繼電器368個，而每個繼電器又有1個線圈和4個輔助觸點。由于其使用的元器件數量很多，控制回路接點多，控制電路復雜，導致工作可靠性差，故障率較高。根據電廠對應急柴油發電機組故障的反饋，自2011年來柴油機系統由于繼電器引發的故障較多，以中廣核集團在運核電廠為例，導致應急柴油發電機組不可用的故障中，控制系統占比超過50%。某電廠將柴油機使用的繼電器送可靠性中心進行檢測，檢測數據結果顯示型號為雙穩繼電器（啟停信號保持）不合格率高達90%。其他型號繼電器不合格率也高達70%以上。單個電廠發現的繼電器故障風險，在多電廠故障排查中，類似故障概率100%。電控系統中由于繼電器失效造成了應急柴油發電機誤報警、勵磁不能投入和啟動失敗等故障嚴重影響著柴油發電機的穩定運行和核電廠的安全。

簡單硬件的模擬控制系統存在的主要缺點如表2所示。

表2 簡單硬件的模擬控制系統主要缺點

2.2　繼電器+PLC控制系統

隨著可編程控制器的普及，同時由于應急柴油發電機對安全級部分要求嚴格，所使用的軟件需要通過獨立的驗證與確認工作（V&V），所用設備需經過核級鑒定，實現起來非常復雜，所以應急柴油發電機的控制逐漸向繼電器+PLC系統這種半數字化的方式進行轉變。

采用繼電器+PLC控制系統典型的代表有紅沿河二期、陽江一期、陽江二期等核電站應急柴油發電機，使用的是德國MTU的MTU20V956TB33型柴油機，控制系統使用的是繼電器+西門子PLC進行控制。該系統的架構如圖2所示。

圖2 繼電器+PLC系統架構圖

安全級功能實現部分仍然采用繼電器進行邏輯的搭接，通過硬接線與非安全級控制進行信號的交互。非安全級部分采用西門子S7-300系列PLC實現，通過PROFIBUSDP總線與兩個I/O站連接，用于數據的采集。通過交換機連接一臺面板式工控機，用于實現參數的顯示與記錄。

表3 繼電器+PLC控制系統缺點

3　全數字化解決方案

針對當前簡單硬件方案和繼電器+PLC控制方案存在的缺點和不足，可應用數字化控制系統DCS平臺進行設計改造。系統的架構簡圖如圖3所示。

圖3 全數字化系統架構簡圖

（1）針對設備數量多，觸點多的缺點，建議通過使用核級DCS控制平臺實現控制功能。通過數字化控制系統，使用少量卡件能有效減少系統內的故障點，控制邏輯通過軟件實現，使系統運行穩定；

（2）針對傳統控制方案自診斷弱的缺點，通過使用全數字化控制系統能夠對CPU、RAM、ROM、時鐘、看門狗、程序順序、通道自診斷、供電電源、空開狀態、隔離模塊等實現自診斷全覆蓋，能及時有效地定位故障點；

（3）針對傳統控制方案易老化的問題，建議系統設計時通過在控制器件涂三防油漆、柜內增加溫控除濕裝置等措施有效減少設備的老化情況，增加設備的使用壽命；

（4）針對傳統控制方案難維護、不易擴展的問題，通過全數字化控制系統，所有控制邏輯通過數字化軟件實現，僅通過更改軟件邏輯和啟用備用I/O通道即可實現設計變更和系統拓展，使后期的維護和改造更加便捷；

（5）針對傳統控制方案可靠性差的問題，建議全數字化的方案采用冗余架構配置的方案，增加控制系統的可靠性；

（6）針對信號傳遞接線復雜的問題，建議全數字化系統在安全級和非安全級機柜之間采取通訊的方式進行數據傳輸，能有效地減少硬件接線；

（7）針對傳統控制方案數據顯示記錄少且時間短、存儲的數據沒有保障的問題，建議全數字化系統在數據記錄存儲架構中配置冗余的服務器及選用大容量硬盤，當一臺服務器故障，另一臺仍能正常運行，以保證數據存儲的可靠性和超長的存儲周期；

（8）建議全數字化的方案和相關輔助控制設備采用具有完全自主知識產權的DCS控制平臺實現，在備件供應、控制邏輯黑匣子等方面能夠有效保障核電廠的運行安全。

4　結語

通過應急柴油機發電機組控制系統的介紹，不同技術路線在數據顯示采集和記錄、硬件的冗余配置、可維護性、抗干擾能力等方面存在很大的差異。

鑒于應急柴油發電機組的重要程度，結合現有控制系統中存在的諸多問題，在核電廠對柴油發電機控制系統的可靠性、穩定性、易維護等方面的要求日益增加的情況下，提出的全數字化控制系統解決方案，能夠有效解決目前控制系統中存在的問題和不足，同時對系統的可靠性、可維護性、可擴展性和抗干擾能力都將有質的提升。應急柴油機儀控系統數字化是未來的發展方向。

作者簡介：

李明鋼（1977-），男，漢族，河南平頂山人，高級工程師，學士，現任北京廣利核系統工程有限公司副總經理，主要從事核電儀控系統設計制造生產管理相關工作。

張　波（1982-），男，漢族，河北保定人，工程師，本科，現就職于北京廣利核系統工程有限公司，主要從事核電站安全級專用系統設計工作。

參考文獻：

[1] 劉曉宇. 核電站應急柴油發電機組自動控制系統[J]. 工業技術. 2014 (13) : 84 - 85.

[2] 李濤. 基于一種安全級數字化平臺的EDG電控系統方案[J]. Internal Combustion Engine & Parts. 2020 (22) : 201 - 202.

摘自《自動化博覽》2023年9月刊