基于西門子SPPA-T3000系統核電DEH的改造研究

古 藝，朱介文

(中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300)

隨著控制技術的不斷發展，秦山核電一期350 MWe機組提出繼續運行20年的目標，原有系統的硬件以及控制策略已不能完全適應當前電廠的運行要求，存在較大偏差及運行風險。汽輪機控制系統升級應采用方案成熟、技術先進、運行可靠、以微處理器為基礎的分散型的設備。只有不斷吸收和掌握現有的先進技術，才能對先進的設備進行更好的掌控。

秦山核電一期350 MWe機組DEH控制系統采用了西門子的T3000 控制系統，是上海汽輪機廠引進西門子汽輪機DEH 控制技術所采用的軟硬件支撐平臺。本文結合秦山核電一期350 MWe機組基于T3000系統的西門子汽輪機DEH 控制系統的構成、T3000系統的硬件與軟件等幾個方面的應用進行分析，希望對國內同類型機組的應用提供一些借鑒。

1 系統概述及改造必要性

DEH是汽輪機數字式電液控制的實時控制系統，我廠DEH由計算機控制部分與液壓控制部分(EH)組成。DEH部分完成各種控制回路、控制邏輯的運算，通過操作員站等人機接口設備完成運行操作、監控及系統管理。根據對汽輪機、發電機運行參數的實時采集，經過各種控制策略、控制回路的運算，將最終的閥門控制指令輸出到執行機構，通過EH系統由液壓執行部件驅動閥門完成對機組的負荷、轉速等被調節變量的控制。

秦山核電一期350MWe原機組DEH采用上海新華控制工程有限公司生產的XDPS-400E系統，自2002年投運以來已運行十多年，該系統具有控制精度高、系統穩定、畫面簡潔、組態維護方便等特點。但由于為上世紀90年代設計產品，存在備件采購困難和產品升級后與現場原有硬件不匹配等問題，給維修和運行人員的日常維護帶來困難，也對維護水平提出了更高要求，原系統處于設備壽命末期，故障率上升,與機組繼續運行20年的目標存在較大偏差。故需要升級改造為更為可靠、設計更為合理，同時滿足汽輪發電機更新后的匹配要求。

目前市場上核電廠DEH系統大多采用西屋OVATION、阿爾斯通P320、西門子T2000等。本次汽輪機DEH改造項目包含在汽輪機通流改造中，由上海汽輪機廠負責實施改造，而西屋涉及核電的業務必須由美國方合作，報價較高；上汽廠無阿爾斯通P320系統此方面的業績，廣泛性不夠；T2000已在多個核電廠應用，其操作基于Linux系統平臺，維護工作多為命令行，系統較為復雜，且報價較高。結合經濟性與實用性，西門子T3000系統已在火電廣泛應用，系統成熟；其操作基于Windows，系統架構簡單便于維護；改造報價經濟性高。因此秦山核電一期350 MWe機組DEH控制系統改造采用了西門子的T3000控制系統。

2 硬件系統改進

秦山一期DEH原采用新華XDPS-400，改造后為西門子SPPA-T3000系統，具有統一的硬件平臺。DEH系統配置圖如圖1所示。改造后DEH 采用雙處理器來實現冗余控制，保證系統在單一故障情況下仍能安全穩定運行，并使用CS3000第三方冗余通訊模塊將數據傳輸至電站計算機進行保存和顯示。該模塊從下層網獨立讀取數據同時將數據發送至第三方平臺，具有采樣頻率高、數據傳輸量大等特點。DEH 的上述特征使它比早期產品更容易維護且系統結構相對簡單并且功能齊全。自診斷特性不僅用在從一個控制方式轉到另一個控制方式，而且可以用來確定故障的位置。系統中所有的I/O 卡都可以在線替換，由于無子系統邊界，維護工作較其他系統相對簡單，可擴展性也較好。

圖1 DEH系統配置圖Fig.1 DEH system configuration

2.1 DEH控制系統改進

1)改造后控制系統采用西門子SPPA-T3000系統較改造前新華XDPS-400系統具有系統應用更廣泛、控制速度更快(最快掃描周期達到4 ms)、歷史數據存儲周期更短且具有動態存儲功能、系統穩定較高、具有第三方通信功能等優點。

2)改造后常規控制邏輯存放在CPU410內，CPU 410具有極其靈活的可擴展性，只需一款硬件就能涵蓋標準、容錯和故障安全，應用中控制器的整個性能范圍；重要保護邏輯如甩負荷、OPC、閥位控制等邏輯則放在FM458高速控制組件內，功能強大的FM458處理器用于高速的汽輪機控制，具有高性能閉環控制和運算處理，在FM458中進行邏輯判斷運算以達到快速響應的目的。當CPU410、FM458發生故障時，輸出跳機信號達到保護汽輪機目的。

3)“掛閘”“并網”“轉速”“功率”“沖動級壓力”“閥位”等參與DEH重要邏輯控制參數及“閥門控制指令”分別送入三塊三重冗余卡件DEH專用控制接口模塊ADDFEM卡(注：ADDFEM卡實現數字量、模擬量輸入輸出)。三選二邏輯對三個輸入信號中有一個發生故障時實行保護，三個輸入信號是在分開的I/O 卡上讀入或采用冗余卡件的方式輸入，以防止I/O硬件中的單點故障造成誤跳機。只有當兩塊卡件同時故障時才輸出跳機信號，以達到保護汽輪機目的的。關鍵輸入信號的三選二方式改進了系統可靠性。

2.2 汽門LVDT配置調試改進

LVDT是DEH調門自動控制的反饋環節，LVDT主要用于汽輪機各進汽調門的閥位控制和閥位顯示，將油動機活塞的位移(閥門開度)信號轉換成電壓信號反饋到DEH 系統。反饋信號與DEH 系統送來的閥門開度指令信號相比，差值經過伺服放大器放大并轉換成電流值后，驅動液壓伺服閥控制油動機和汽閥開關。秦一廠機組調門傳感器采用六線制LVDT，屬于直線位移傳感器，它是由鐵芯、初級線圈、次級線圈組成，初級線圈、次級線圈分布在線圈骨架上，線圈內部有一個可自由移動的桿狀鐵芯。兩線圈輸出的電壓差值大小隨鐵芯位移而呈線性變化。

改造前現場高壓調門的兩支LVDT的輸出采用高選策略，在一支故障的情況下切到另一支控制時，存在調門閥位波動的風險，改造后調門LVDT的輸出值未采用高選的邏輯而采用兩個反饋值與指令值相比較，取更貼近指令值的其中一個反饋值輸出的方式，更準確地控制調門開度。改造后的邏輯圖如圖2所示。機組正常選擇2號LVDT反饋值，當1號LVDT反饋值與指令偏差的絕對值小于2號LVDT反饋值與指令偏差的絕對值時，邏輯判斷后會自動選擇1號LVDT反饋值作為機組閥門反饋值，反之當1號LVDT反饋值與指令偏差的絕對值大于2號LVDT反饋值與指令偏差的絕對值時，會切回2號LVDT反饋值。雙支LVDT冗余配置的改變，使得在其中一支LVDT故障時，也能無擾切換到另一支LVDT運行，更加安全可靠。同時取消伺服卡，邏輯直接寫在系統里。能實時在線查看，可操作性高，調試簡單，參數修改方便。

圖2 調門控制邏輯圖Fig.2 The control logic of the regulating valve

LVDT工作過程中，鐵心的運動不能超出線圈的線性范圍，否則將產生非線性值，因此所有的LVDT均有一個線性范圍。所用LVDT工作線性長度為250 mm，在LVDT的調試前期采用調整電位器的方法，并將汽門開度的零位與滿位調整在0及250刻度上。這種調試方法不僅容易造成電位器螺絲滑絲，導致其整個電位器失去調節作用，而且在運行期間容易出現閥門超出LVDT線性范圍而出現超限報警，給日常運行帶來不便。而現場汽門實際運行長度大多在210～230 mm之間，只要將其工作范圍放入LVDT工作線性長度250 mm內，將不會出現超限的情況。通過在邏輯卡件內寫值的方法，將其實際工作零位、滿位、電氣零點與顯示開度對應，其上行程開度與下行程開度均為線性。

通過寫值的調試方法，不用對電位器進行反復旋轉，減少電位器滑絲情況，降低了備件的損耗。同時將起機前的LVDT熱態調試試驗時間從以前的2 h縮短至1 h左右，大大節省了大修期間的主線時間。

2.3 其他改進

1)電超速保護由原來一套增加為兩套，增加設備可靠性，兩套電超速保護模塊均采用BRAUN公司E16電超速保護模塊，第一套BRAUN卡除了超速保護用途外，還有三路信號通過ADDFEM的DI通道送到FM458。相比于之前復雜的機械超速裝置，對硬件設施要求很高，而且每次實驗過程都很繁雜。如果漏油很容易誤動作，影響機組安全穩定運行。涉及機組的暖機，節省機械超速試驗的時間，提高系統可靠性，可提高經濟效益。新系統采用E16布朗卡后，通過轉速探頭采集回來的轉速信號送入卡件中進行處理，更為簡單，數據由軟件處理也更為可靠，準確度更高。

2)取消薄膜閥后打閘手柄，在汽輪機機頭位置處增加一套“就地手動停機按鈕”便于應急停機。

3)“EH油”“LBO油”“真空”將原來壓力開關改造為羅斯蒙特3051系列變送器，基于三取二的邏輯。具有可靠性高、維護方便等特點。

4)取消“ETS試驗盤”，改造將相關操作畫面集成至DEH操作員站，具有參數在線監視和歷史數據查看的功能，同時設置重要功能參數光子牌及畫面報警功能。

3 軟件系統差異

3.1 系統特點

SPPA-T3000具有以下特點：1)工程數據、項目數據、歷史數據等均從統一的中心數據站讀取；2)所有功能均嵌入統一的平臺，無子系統；3)來自任何站點的任務都是基于網絡功能實現的；4)系統可擴展性強等。T3000根據需求將數據工作流程最優化，無中間數據庫。同時其強大的報警及歷史存儲功能能夠有效幫助維護及運行人員進行事故分析和穩定運行工作。

3.2 DEH系統邏輯差異

為了減少操作員后期的運行壓力，改造理念盡量與原來系統設計一致，即操作方式、操作畫面、內部邏輯均參考了原來的理念及風格，并在原來的控制策略上為了提升設備可靠性進行了一定優化。

沖動級壓力信號由改造前的一路變更為三路，前端增加三路沖動機壓力變送器分別送至三塊ADDFEM卡，邏輯中使用三選中邏輯，當三個沖動級壓力信號都正常工作時，選擇中間值沖動級壓力信號作為實際壓力信號在邏輯中使用，并設置故障報警和偏差報警，在兩路以上變送器故障時候切除沖動級壓力調節回路。

并網信號由改造前一路增加為兩路，發電機并網信號以一常開一常閉形式送入DEH專門卡件，只有在兩路同時翻轉時才會切換并網模式，當任何一路翻轉時不會導致模式的切換同時增加異常報警信息。

4 總 結

通過硬件和軟件兩個方面詳細介紹了改造后的DEH系統的特點。改造實施完成后，經過三年的運行，設備狀況良好。通過此次基于西門子SPPA-T3000改造后的DEH系統，提高了汽輪機組運行的可靠性和穩定性，可有效地減少系統故障率，對整個核電機組安全穩定運行有積極的意義。