田灣3、4號核電機組柴油機分級帶載設計方案的研究

胡 斌 彭英杰

（1.江蘇核電有限公司，江蘇 連云港 222042；2. 華北電力大學，河北 保定 071003）

田灣核電站3、4 號機組擴建工程選用法國阿爾斯通（ALSTOM）生產的18PA6B 型柴油機，額定功率6100kW，帶載負荷5500kW，同田灣一期相比，機組柴油機的額定功率和帶載負荷均發生了變化，而且由于3、4 號機組汽輪發電機組同一期相比發生根本的變化，導致常規島的工藝負荷的類型和容量也發生了相應的變化。因此如何對3、4 號機組柴油機分級帶載功能進行合理有效地設計，成為田灣核電站3、4 號機組擴建電氣工程能否順利推進的重要問題。

1 系統概述

田灣核電站3、4 號機組的廠用電源系統均設計有6 臺柴油發電機作為應急電源，其中兩臺機組柴油機和四臺應急柴油機。機組柴油機為機組的廠用正常運行可靠供電系統提供可靠交流電源。

按照系統設計，廠用電源系統可以分為正常供電系統、可靠供電系統、以及應急供電系統，當可靠供電系統中的任一段或所有的6kV 母線失去輸入電源后，相應的機組柴油機會根據主儀控T-2000 系統發出的應急指令在15s 內應急起動，并按預先設定好的順序分步加載相應的負荷，所有需要加載負荷的清單以及加載順序均在具體的文件中有明確定義，并通過主儀控T-2000 系統實現。

2 分級帶載設計方案

2.1 分級帶載步序

機組柴油機的帶載步序是從第“0”步開始至第“7”步結束，考慮到設備的重要性及具體設備的負荷其間隔時間不是固定的，第“0”步加載的設備包括汽輪發電機輔助系統、輔助冷卻水系等；10s后加載第“1”步設備，包括凝汽器補給水泵、冷動機QKM 系統的泵以及消防泵等；20s 后加載第“2”步設備的電源，包括輔助給水泵、電纜廊道通風SAE系統等；30s 后加載第“3”步，45s 后加載第“4”步，65s 后加載第“5”步，160s 后加載第“7”步。

2.2 機組柴油機分級帶載功能的起動及加載過程

1）起動條件

DA21 有3 種不同的起動條件，任何一個條件滿足都將起動分級帶載功能。

（1）母線電壓判據：當任一正常可靠母線段（BDA/BDC）母線電壓低于2.52kV（回差1.9kV）并持續2s 以上，相應的DA21 功能將起動。

（2）頻率判據：當任一正常可靠母線段（BDA/ BDC）母線頻率低于47.4Hz（回差1.6Hz）并持續2s 以上，相應的DA21 功能將起動。

（3）手動起動：操作員在主控室或備用控制室通過后備盤上的相應通道的起動按鈕起動，按鈕被按下后DA21 將立即起動，沒有延時。

2）機組柴油機起動加載過程

機組柴油機分級帶載功能一旦起動，將按照順序進行如下步驟：

（1）斷開母線上游進線電源開關，切除相應母線所帶的所有負荷，同時發出應急起動柴油機的指令給柴油機控制系統，按照要求，柴油機應在15s內起動；

（2）判斷機組柴油機是否成功起動：在DA21中，T-2000 系統接收來自于機組柴油機就地控制系統的狀態信號XJY50/60EK001/002/003，經過3 取2邏輯來判斷機組柴油機是否起動成功。

（3）合閘機組柴油機出口開關XKA50/60 GS001，將柴油機連接至相應的可靠段母線上，同時加載第“0”步負載，然后按照設計好的順序分步加載各級負載設備。

3）設備加載方式

參考一期的設置以及實際的運行經驗，對具體設備設置了以下三種加載方式。

第一種是“release”，即保持設備失電前的原始運行狀態。

第二種是“ON”強啟邏輯，即不管設備初始是何種狀態，都加載該設備。

第三種是“OFF”強停邏輯，即不管設備初始狀態，強行切除該設備不再加載。

2.3 設備加載邏輯的具體實現

1）“release”邏輯的實現

在儀控邏輯中，對于“release”功能，是通過主儀控T-2000 系統相應的SGC 模塊即低電壓功能模塊實現的，具體邏輯的設置以一期的實際經驗為基礎，考慮了儀控接口與電氣接口的匹配性，并結合具體設備的控制特點，最終在具體設備的控制邏輯中增加記憶設備狀態的補償邏輯回路，從而在機組柴油機分級帶載時，實現保持設備的原始運行狀態。

（1）控制接口

硬件設計：

輸入信號：現場設備反饋的故障信號（SAG）、已運行（ON state）信號、已停止（OFF state）信號、試驗位（ANB）信號。

輸出信號：起動指令（ON command）和停止指令（OFF command）。

這些信號整體固化在FUM 模件內，無法對這些信號進行延遲、取非等處理。

具體硬接線如圖1至圖3所示。

圖1 泵、風機、電機控制接線圖

圖2 閥門開關柜部分控制接線圖

圖3 閥門本體部分控制接線圖

軟件設計：

T-2000分布控制系統驅動模塊的低電壓監視功能（SGC）：如果低電壓信號（UGS）產生，驅動模塊自動產生低電壓保護“OFF”命令，立即關閉/停止運行設備；同時，模塊內部時間寄存器激活，記憶失電前設備的運行狀態。

模塊內部有兩個參數需要設置：

TUM：低電壓保持時間（時間的設置與分步帶載的步序有關）。

如果低電壓信號在TUM 設置的時間內消失，設備不需要設備允許條件，自動產生“ON”命令，起動已經停運的設備，使設備恢復失電前狀態；如果低電壓信號在TUM 設置的時間內仍存在，設備不能恢復失電前狀態，同時產生低電壓保護報警信號。

TWS：低電壓延遲起動時間（為避免母線負荷瞬間過載，對同一步序設備再進行先后順序起動）。

為了避免設備恢復失電前狀態時，母線負荷瞬間過載，造成二次低電壓狀態，通過設置TWS時間參數，按先后順序起動設備，達到平抑母線負荷。如果TWS 設置了時間參數，設備在低電壓信號消失后，再延遲TWS 設置的時間，恢復到失電前狀態。

（2）電氣接口

設備的驅動回路的供電設計：

對于帶就地電儀柜的設備，驅動回路的操作電源是從其動力電源上接入一相，對于這類開關柜，當動力電源失去時，設備操作電源也同時消失，造成設備狀態繼電器復位，設備“關”反饋信號隨即產生，并早于低電壓信號的到來；同時供電電源喪失信號作為故障信號送至DCS 系統。母線電壓/頻率在達到“低電壓”定值后還要經過2s的延時才會觸發“低電壓”信號，這就使得設備“關”反饋信號早于“低電壓”信號被控制系統檢測到。儀控系統在檢測到“低電壓”信號時，設備已經處于非運行狀態，即需加載設備的“關”反饋信號的觸發早于“低電壓”信號的產生。

綜合上述因素，確定3、4 號機組對于“Release”邏輯統一使用外部邏輯回路，用于記憶在低電壓信號產生前設備的狀態，邏輯功能圖如圖4所示。

圖4 設備狀態記憶邏輯

具體邏輯中利用設備“開”反饋信號的下降沿，將其延時t秒后與低電壓信號進行邏輯與，也就是說，當設備由運行狀態轉為停止狀態后，儀控系統會記憶這種改變，同時定時器起動，若在t秒內“低電壓”信號被觸發，系統將認為此次設備變位是由于低電壓導致的，于是將結果鎖存于RS 觸發器中；在低電壓信號存在即為1 期間，設備是不應該也無法被加載的，因此，將觸發器輸出Q與取反的低電壓信號再進行邏輯與，其結果將作為該設備的加載信號連接到DCM 模塊的A_ON 端；當設備被成功加載后或在低電壓發生一段時間后（即圖1中的T），設備加載信號將被復位。考慮到低電壓信號有2s 的延時，最后經過慎重考慮并結合一期的試驗驗證，將保護信號延時時間“t”定為4～10s，T為順序帶載，相應步驟對應時間加上25s，例如，DA21 的STEP4 為45s，T=45+25=70s。對于需要執行“release”加載方式的設備，全部采用上述邏輯進行優化，并取消了DCM 模塊的SGC 功能，用低電壓信號連接到A_OFF 端作為設備的切除信號。

2）狀態“ON”/“OFF”的邏輯

對于加載清單中為“ON”/“OFF”的設備，定義為首先將設備強行停止，然后再發命令使設備起動，為避免加載指令不能發出的問題，確定將分步帶載中的“off”命令分別引入DCM 的“SGC”以及“SQ”“P_ON”端子。

以凝汽器補給水泵LCU07AP 001 為例，具體的控制邏輯圖如圖5所示。

圖5 凝汽器補給水泵控制邏輯圖

3 針對一期所進行的設計改進

根據一期調試及具體運行的實際經驗，系統在帶載試驗中的各種缺陷產生的主要原因是最初的設計條件中未有帶載的控制要求，且存在控制設備的控制邏輯和帶載控制要求不匹配的問題，總體來說，在進行3、4號機組柴油機分級帶載設計時，遵守下述改進原則。

1）低電壓信號的產生，為了避免誤發，邏輯中增加了2s 的延遲。

2）SIEMENS 公司的DCS 系統DCM 模塊固化的低電壓功能：接收到低電壓信號后自動發出停止指令，同時觸發內部寄存器記憶失電前設備運行狀態；低電壓信號消失后，自動發出起動指令恢復設備到失電前狀態。由于低電壓工況是一種特殊狀態，DCS 廠家在設計時把低電壓的信號等級設計為最低，這樣就必須要求：不能出現SAG 驅動裝置故障信號，不能出現設備保護信號，設備“OFF/STOP”信號不能在模塊未發出“OFF/STOP”指令而出現此設備狀態反饋信號。

3）“release”模式定義為恢復失電前設備運行狀態，對具有備用系統的設備，必須屏蔽設備低電壓工況下的自動切換功能。

上述三條是機組柴油機帶載設計是否正確的標尺，為此做出了下述設計改進。

1）驅動裝置的控制電源采用UPS 段應急電源；

2）驅動裝置動力電源喪失監測不單獨作為故障信號送到DCS 系統。

3）對設備的保護信號延遲或屏蔽一段時間（2.5s 左右）。

4）設備備自投的切換延遲或屏蔽一段時間（2.5s 左右）。

目前對于下述設備的控制方式進行了針對性的設計：

3.1 變頻風機的控制

因分級帶載為非正常運行工況，在一期最初設計接口中未有帶載的控制要求，參考一期調試過程的實際經驗，要求相應廠家在設備制造時增加了變頻器自動再起動功能，以保證斷電后變頻器自動復位停機故障。針對一期無法實現主儀控在斷電后繼續發出停命令的問題，在具體設備的設計過程要求廠家對就地變頻器柜的硬接線進行合理設計，增加無源“停止”信號接點，同時并聯到DCS 的停止控制回路，這樣變頻器失電后，由于蓄能，會記憶設備運行狀態信號，恢復供電后不受外部影響恢復失電前狀態，所以需要通過停止指令來復位自動恢復指令，僅接收外部指令，以避免再次上電后變頻器自動起動。

3.2 備自投切換問題

為了避免在機組柴油機分級帶載過程，備用設備的非預期起動，一方面要在切換邏輯中設置好切換等待時間參數，即在ASO（備自投）模塊中設置準確的延遲切換（changeover delay）時間參數，使得低電壓閉鎖信號在“changeover delay”計時結束之前作用于ASO 模塊的BLCH 端（禁止切換），閉鎖備用設備的起動，在柴油機起動成功并使得供電母線恢復后，主用設備能夠成功起動，相應的切換條件就不存在了，備用設備也就不會再起動了；另一方面，為了避免機組柴油機分級帶載指令發出后備用設備的起動，用延長低電壓閉鎖時間的辦法對切換邏輯進行了改進處理，即在低電壓閉鎖信號與ASO 切換模塊的BLCH 端之間加入下降沿的延時塊，根據設備起動時間的長短設置相應的時間參數。

4 結論

參考一期的成功運行經驗，針對后期調試過程所遇到的具體問題，在3、4 號機組柴油機分級帶載設計時,對于“Release”邏輯統一使用外部邏輯回路，相關控制邏輯在具體功能組來實現；為避免控制設備的控制邏輯和帶載控制要求不匹配，對分級帶載的設計方案進行了針對性的改進和優化。從而在最大程度上保證了機組柴油機分級帶載設計方案的正確性及可靠性。

田灣3、4 號機組常規島的高國產化率、機組柴油機的選型改變及對機組柴油機分級帶載設計方案進行合理可靠地設計是整個3、4 號機組擴建工程能否順利推進的關鍵問題。其中田灣3、4 號機組柴油機分級帶載設計方案的確定，使得主電源系統和機組柴油機的設計工作得以順利開展，積極有效地推進了田灣3、4 號機組擴建工程電氣系統的順利進行。

[1] Requirement spectification,detail stage 4 of the process engineering description for reactor limitation and control system（RLCS） Pre.A,Areva Co.,2013.

[2] Concept for the Automatic Power Control System,Siemens Co.,2013.

[3] Initial data for development of safety I＆C LEFU1-3,JSC SPbAEP,2013.

[4] 機組柴油機控制系統說明書,ALSTOM-18PA6B,2013.