ALSTOM汽機控制系統在嶺澳二期核電站的應用

趙先國 張 敏

(中廣核工程有限公司1，廣東 深圳 518124;遼寧紅沿河核電有限公司2，遼寧 大連 116001)

0 引言

嶺澳核電站二期位于大亞灣核電基地，是我國“十五”期間唯一開工的核電項目。項目采用中廣核集團具有自主品牌的中國改進型壓水堆核電技術路線CPR1000，建設2臺百萬千瓦級壓水堆核電機組。1號機組已于2010年9月20日成功商運。

嶺澳二期常規島汽輪機由東方汽輪機廠和法國ALSTOM共同生產供貨，機組額定功率為1086.94 MW、轉速為1500 r/min，為沖動式、單軸、一次中間再熱、三缸四排汽的凝汽式核電汽輪機［1］。汽輪機控制系統采用ALSTOM公司提供的P320 TGC-S V2+數字化汽機控制和保護系統。經過近30多年的發展和改進，ALSTOM P320 TGC系統設計理念成熟，硬件設備可靠性高、功能強大、組態方便，已廣泛應用于世界各地的核電站和火電站。該系統在國內火電行業如浙江北侖發電廠一期工程［2］、廣西來賓 B 電廠［3］、重慶珞璜電廠［4］等都有應用，但在國內核電行業是首次應用。

1 系統構成

嶺澳二期P320 TGC機柜由1面五聯柜(GRE001AR～CRE005AR)和1面通信柜(GRE006AR)組成。

五聯柜中GRE001AR為通信柜，柜內有負責系統通信的C8075控制器和現場I/O處理模塊，用來保證整個網絡系統的數據通暢。

GRE002AR為汽機調節和保護控制柜，柜內有負責閉環控制的RX3i控制器、汽機保護功能的C8035控制器，可完成汽機的大部分調節和保護功能，如汽機升速、并網及跳機保護等。

GRE003AR內含專用轉速信號采集卡件和專用閥門控制卡件，負責轉速信號的處理和高中壓調閥的控制。

GRE004AR柜內裝有2臺歷史站、1臺HMI(人機接口界面)和1臺時鐘同步裝置，操作員可通過HMI實現就地操作、查看歷史曲線，有利于現場調試工作的順利開展。

GRE005AR為接線柜，負責與外部傳感器、閥門等的接線。

機柜GRE006AR主要負責與發電機自動電壓調節系統(automatic voltage regulator，AVR)的通信。

機柜詳細配置如圖1所示。

圖1 P320 TGC機柜配置圖Fig.1 Configuration of P320 TGC

2 網絡結構及特點

P320 TGC系統由三級網絡組成，即辦公網絡、S8000網絡和F8000網絡。

第一級網絡為辦公網絡，通信協議為TCP/IP，連接工程師站、調試筆記本、打印機和歷史站，用于P320的現場調試和HMI畫面的打印等。

第二級網絡是基于工業以太環的S8000網絡，傳輸介質為光纖，傳輸速率為10 MB/s，網絡協議為以太網TCP/IP。S8000網絡連接通信控制器C8075、工程師站、HMI、歷史站和發電機自動調壓系統(AVR)(發電機側)。在該層網絡操作員可完成各控制器組態的上傳和下裝，并可實現汽機就地控制，以及與DCS的通信，通信協議為 IEC 870.5.104［5］。

第三級網絡是基于WorldFip總線技術的F8000網絡，傳輸速率為2.5 MB/s，雙重冗余結構，傳輸介質為雙絞線。WorldFip現場總線源于法國標準的工廠儀表協議(factory instrumentation protocol，FIP)［6］，后采納國際標準(IEC 61158-2)而改名為WorldFip總線，具有實時性、同步性和可靠性等特點［7］。該層網絡連接各控制器，并通過通信控制器C8075與第一級網絡連接，從而實現數據的雙向傳輸。

3 主要硬件配制特點

P320的主要硬件包含各類控制器、各類功能卡件和工控機等。各類控制器均采用GE公司成熟的PLC集合而成，且冗余配制，硬件成熟可靠，安全性較高，如負責系統通信的C8075控制器、負責開環控制和保護功能的C8035控制器、負責閉環控制的RX3i控制器。各層控制器通過F8000網絡實時交換數據。各類功能卡件包括:①安全級別為SIL3級的專業保護卡MPM123跳閘模塊;②安全級別為SIL3級的Jaquet公司專用轉速采集卡;③EATON公司的VICKERS閥門控制卡。ALSTOM通過對各類硬件的整合，可完成汽機控制和保護所必須具備的各類功能。

3.1 通信控制器C8075

P320 TGC系統使用2塊互為冗余配置的C8075控制器。該類控制器由GE Fanuc公司開發的90-70系列標準模塊搭接而成，如處理器使用CPX928型PLC。該型號PLC使用80486DX4微處理器、32位浮點、2 MB的用戶內存。F8000總線通信模塊采用BEM744型總線控制卡，傳輸速率為2.5 MB/s。以太網通信模塊采用CMM742型以太網卡，傳輸速率為10 MB/s，使用的接口為10Base-T。C8075控制器之間的冗余切換通過BEM713總線傳輸模塊和冗余通信模塊RCM711的互聯來實現，兩個模塊之間可以實現實時數據交換和無擾切換。在正常情況下，2塊控制器1主1備，同時從F8000網絡上讀取并處理數據，但同一時刻只有主控制器通過S8000網絡和F8000網絡傳輸數據。當主控制器出現故障時，系統能在100 ms內切換到備用控制器。C8075冗余接線示意圖如圖2所示。

圖2 C8075冗余接線示意圖Fig.2 Schematic of C8075 redundant wiring

3.2 C8035 控制器

C8035控制器采用GE 90-30系列產品，由CPU、通信模塊、I/O模塊及擴展槽組成，主要實現汽機保護和開環控制功能。根據功能的不同，C8035控制器采用不同的處理器模塊。其中，開環控制選用CPU350處理器。該型號PLC使用80386EX微處理器，主頻為25 MHz，用戶內存為 32 kB。汽機保護功能選用CPU374處理器。該型號PLC使用AMD SC520型微處理器，主頻為133 MHz，用戶內存為240 kB。通信模塊和I/O模塊與RX3i相同。

3.3 RX3i控制器

P320的大部分調節功能都在控制器內實現，如轉速調節、汽機同期并網、閥位控制、負荷控制和熱應力計算等。RX3i使用PIII IC695CPU310微處理器，主頻為300 MHz，用戶內存為10 MB，支持多種編程語言，如梯形圖、FBD功能塊圖、ST結構化文本和符號變量編程。其內置1個RS-485端口和1個RS-232端口，支持串行、Genius、Ethernet、Profibus 和 DeviceNet。其中，總線控制器采用IC695BEM342模塊，以太網接口模塊采用IC695ETM001模塊。以太網接口模塊具有2個10/100 Mbit/s自適應功能的以太網端口(RJ-45)，支持SRT、EGD、Modbus TCP協議。2組控制器通過硬接線連接(1運1備制)，每個控制器都從F8000接收數據，僅主控制器向F8000網絡發送數據。當主控制器發生故障時，系統能迅速切換至備用控制器。

3.4 MPM123 跳閘模塊

MPM123跳閘模塊的安全等級為SIL3級，每套汽機控制系統含有3個MPM123模塊，分別安裝在3個安全通道的背板上。每一通道的MPM123模塊可以接收4路模擬信號輸入(4～20 mA)。當輸入數值超過設定值時，內置繼電器輸出“TRIP”動作，該通道跳機，同時將獲取的數值傳送到控制器中。

3.5 歷史站、就地HMI和工程師站

與其他廠家的汽機控制系統相比，ALSTOM P320 TGC控制柜內含有歷史站和就地HMI，可獨立完成對汽機的控制和保護功能［8－10］。每套TGC系統共配制2臺歷史站，共用1臺就地HMI操作員站。歷史站是控制系統的網關，負責與DCS通信。歷史站內安裝有數據庫軟件ORACLE和專業軟件CENTROLOG，具有監視機組所有過程參數和設備狀態、報警管理、打印記錄、計算、控制、歷史數據歸檔和故障診斷等功能。工程師站內安裝有專業組態軟件CONTROLCAD，其主要功能為控制流程圖(包括邏輯圖和模擬圖)的繪制、編譯、生產和傳送。此外，CONTROLCAD還兼有與CENTRALOG進行數據交換的功能。

4 P320 TGC主要控制和保護功能

4.1 轉速控制功能

轉速控制包含轉速給定、升速率選擇、臨界轉速識別與控制和超速試驗等。P320控制系統有基本控制(BC)和自動控制(AC)兩種速度控制模式。

4.2 加速度限制功能

當汽輪機轉速大于98%額定轉速，且計算所得加速度在1 s內大于66 r/min時，超速限制保護動作，調門位置指令置0，待動作信號消失后再恢復到正常值。

4.3 一次調頻功能

汽輪發電機組在并網運行時，為保證電網的穩定和供電品質，通常投入一次調頻功能。當機組轉速在死區范圍內時，頻率調整給定為0，一次調頻不動作;當轉速在死區范圍以外時，一次調頻動作，頻率調整給定按不等率K隨轉速變化而變化［11］。在嶺澳二期項目中，升速過程中的K值為10%，帶負荷后的K值為4%。

4.4 負荷控制功能

負荷控制包含汽機并網帶初始負荷、負荷給定、升負荷速率選擇及負荷的正常調節。P320 TGC的負荷控制有手動(BC)和自動控制(AC)兩種模式。在自動模式下，負荷實測值與負荷設定值比較產生的負荷偏差用于計算蒸汽需求增量，加入頻率貢獻信號后即產生總蒸汽需求量。總蒸汽需求量受到蒸汽流量和主汽壓力限制，形成有效蒸汽需求量。有效蒸汽需求量用于計算閥位、開啟閥門，直至負荷升至目標負荷。

4.5 蒸汽流量和蒸汽壓力限制

當機組轉入負荷模式時，蒸汽流量限制值自動設定為102%，操作員可以根據機組運行情況在主控室改變蒸汽流量限制值。該限值限制了機組最大蒸汽流量。將蒸汽流量限制值與蒸汽壓力限制值相比，較小者便為自動負荷控制回路中的負荷上限值。

壓力控制的目的是用限制汽機進汽壓力的方法來限制蒸汽需求，以限制汽機負荷。壓力控制也可由反應堆發出的一個邏輯信號啟動，以防反應堆功率超調。

4.6 汽機保護功能

汽機保護模塊由3組C8035控制器、安全級跳閘模塊MPM123卡、超速保護模塊FT3124、安全級跳閘繼電器、危機遮斷模塊等組成，其冗余結構如圖3所示。

圖3 三重冗余結構示意圖Fig.3 Configuration of triple redundant structure

外部跳機信號通過內部總線送到每個保護通道，通道內所有跳機信號串行連接，任意一個跳機信號動作都會導致跳閘電磁閥電源回路斷開，本通道內跳閘電磁閥失電打開動作。如果3個跳閘電磁閥中有2個打開動作，則機組安全油將被卸掉，從而實現機組跳機。嶺澳二期的跳機信號和超速保護信號有:DCS跳機、高壓缸排汽壓力高跳機、低壓缸排汽壓力高跳機、潤滑油壓低跳機、反應堆跳機、TSI跳機、打閘按鈕跳機、潤滑油箱油液位計低跳機等。其中高壓缸排汽壓力高、低壓缸排汽壓力高、潤滑油箱油液位計低等跳機信號直接送到MPM123模塊。

5 結束語

本文詳細介紹了ALSTOM汽機控制系統P320的硬件配置和主要控制功能。該系統硬件設計緊湊、安全可靠，獨特的三重冗余設計提高了機組保護系統的可靠性;軟件方面功能強大、操作方便，在機組帶負荷后的重要試驗中(如超速保護試驗、閥門快關試驗、快速甩負荷試驗)均表現優良，滿足核電對安全性和可靠性的要求。本文提及的一些先進的設計思想，如人性化的設計思路、硬件冗余配置的原則、完善的系統功能等，對同類型機組的設計、制造及運行都有很強的借鑒意義。

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