田灣3、4號核電機(jī)組柴油機(jī)分級帶載設(shè)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(xué)，河北 保定 071003）

田灣核電站3、4 號機(jī)組擴(kuò)建工程選用法國阿爾斯通（ALSTOM）生產(chǎn)的18PA6B 型柴油機(jī)，額定功率6100kW，帶載負(fù)荷5500kW，同田灣一期相比，機(jī)組柴油機(jī)的額定功率和帶載負(fù)荷均發(fā)生了變化，而且由于3、4 號機(jī)組汽輪發(fā)電機(jī)組同一期相比發(fā)生根本的變化，導(dǎo)致常規(guī)島的工藝負(fù)荷的類型和容量也發(fā)生了相應(yīng)的變化。因此如何對3、4 號機(jī)組柴油機(jī)分級帶載功能進(jìn)行合理有效地設(shè)計，成為田灣核電站3、4 號機(jī)組擴(kuò)建電氣工程能否順利推進(jìn)的重要問題。

1 系統(tǒng)概述

田灣核電站3、4 號機(jī)組的廠用電源系統(tǒng)均設(shè)計有6 臺柴油發(fā)電機(jī)作為應(yīng)急電源，其中兩臺機(jī)組柴油機(jī)和四臺應(yīng)急柴油機(jī)。機(jī)組柴油機(jī)為機(jī)組的廠用正常運(yùn)行可靠供電系統(tǒng)提供可靠交流電源。

按照系統(tǒng)設(shè)計，廠用電源系統(tǒng)可以分為正常供電系統(tǒng)、可靠供電系統(tǒng)、以及應(yīng)急供電系統(tǒng)，當(dāng)可靠供電系統(tǒng)中的任一段或所有的6kV 母線失去輸入電源后，相應(yīng)的機(jī)組柴油機(jī)會根據(jù)主儀控T-2000 系統(tǒng)發(fā)出的應(yīng)急指令在15s 內(nèi)應(yīng)急起動，并按預(yù)先設(shè)定好的順序分步加載相應(yīng)的負(fù)荷，所有需要加載負(fù)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(tǒng)實(shí)現(xiàn)。

2 分級帶載設(shè)計方案

2.1 分級帶載步序

機(jī)組柴油機(jī)的帶載步序是從第“0”步開始至第“7”步結(jié)束，考慮到設(shè)備的重要性及具體設(shè)備的負(fù)荷其間隔時間不是固定的，第“0”步加載的設(shè)備包括汽輪發(fā)電機(jī)輔助系統(tǒng)、輔助冷卻水系等；10s后加載第“1”步設(shè)備，包括凝汽器補(bǔ)給水泵、冷動機(jī)QKM 系統(tǒng)的泵以及消防泵等；20s 后加載第“2”步設(shè)備的電源，包括輔助給水泵、電纜廊道通風(fēng)SAE系統(tǒng)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(jī)組柴油機(jī)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(jù)：當(dāng)任一正?？煽磕妇€段（BDA/BDC）母線電壓低于2.52kV（回差1.9kV）并持續(xù)2s 以上，相應(yīng)的DA21 功能將起動。

（2）頻率判據(jù)：當(dāng)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(xù)2s 以上，相應(yīng)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(yīng)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(jī)組柴油機(jī)起動加載過程

機(jī)組柴油機(jī)分級帶載功能一旦起動，將按照順序進(jìn)行如下步驟：

（1）斷開母線上游進(jìn)線電源開關(guān)，切除相應(yīng)母線所帶的所有負(fù)荷，同時發(fā)出應(yīng)急起動柴油機(jī)的指令給柴油機(jī)控制系統(tǒng)，按照要求，柴油機(jī)應(yīng)在15s內(nèi)起動；

（2）判斷機(jī)組柴油機(jī)是否成功起動：在DA21中，T-2000 系統(tǒng)接收來自于機(jī)組柴油機(jī)就地控制系統(tǒng)的狀態(tài)信號XJY50/60EK001/002/003，經(jīng)過3 取2邏輯來判斷機(jī)組柴油機(jī)是否起動成功。

（3）合閘機(jī)組柴油機(jī)出口開關(guān)XKA50/60 GS001，將柴油機(jī)連接至相應(yīng)的可靠段母線上，同時加載第“0”步負(fù)載，然后按照設(shè)計好的順序分步加載各級負(fù)載設(shè)備。

3）設(shè)備加載方式

參考一期的設(shè)置以及實(shí)際的運(yùn)行經(jīng)驗，對具體設(shè)備設(shè)置了以下三種加載方式。

第一種是“release”，即保持設(shè)備失電前的原始運(yùn)行狀態(tài)。

第二種是“ON”強(qiáng)啟邏輯，即不管設(shè)備初始是何種狀態(tài)，都加載該設(shè)備。

第三種是“OFF”強(qiáng)停邏輯，即不管設(shè)備初始狀態(tài)，強(qiáng)行切除該設(shè)備不再加載。

2.3 設(shè)備加載邏輯的具體實(shí)現(xiàn)

1）“release”邏輯的實(shí)現(xiàn)

在儀控邏輯中，對于“release”功能，是通過主儀控T-2000 系統(tǒng)相應(yīng)的SGC 模塊即低電壓功能模塊實(shí)現(xiàn)的，具體邏輯的設(shè)置以一期的實(shí)際經(jīng)驗為基礎(chǔ)，考慮了儀控接口與電氣接口的匹配性，并結(jié)合具體設(shè)備的控制特點(diǎn)，最終在具體設(shè)備的控制邏輯中增加記憶設(shè)備狀態(tài)的補(bǔ)償邏輯回路，從而在機(jī)組柴油機(jī)分級帶載時，實(shí)現(xiàn)保持設(shè)備的原始運(yùn)行狀態(tài)。

（1）控制接口

硬件設(shè)計：

輸入信號：現(xiàn)場設(shè)備反饋的故障信號（SAG）、已運(yùn)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(nèi)，無法對這些信號進(jìn)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(fēng)機(jī)、電機(jī)控制接線圖

圖2 閥門開關(guān)柜部分控制接線圖

圖3 閥門本體部分控制接線圖

軟件設(shè)計：

T-2000分布控制系統(tǒng)驅(qū)動模塊的低電壓監(jiān)視功能（SGC）：如果低電壓信號（UGS）產(chǎn)生，驅(qū)動模塊自動產(chǎn)生低電壓保護(hù)“OFF”命令，立即關(guān)閉/停止運(yùn)行設(shè)備；同時，模塊內(nèi)部時間寄存器激活，記憶失電前設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

模塊內(nèi)部有兩個參數(shù)需要設(shè)置：

TUM：低電壓保持時間（時間的設(shè)置與分步帶載的步序有關(guān)）。

如果低電壓信號在TUM 設(shè)置的時間內(nèi)消失，設(shè)備不需要設(shè)備允許條件，自動產(chǎn)生“ON”命令，起動已經(jīng)停運(yùn)的設(shè)備，使設(shè)備恢復(fù)失電前狀態(tài)；如果低電壓信號在TUM 設(shè)置的時間內(nèi)仍存在，設(shè)備不能恢復(fù)失電前狀態(tài)，同時產(chǎn)生低電壓保護(hù)報警信號。

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

為了避免設(shè)備恢復(fù)失電前狀態(tài)時，母線負(fù)荷瞬間過載，造成二次低電壓狀態(tài)，通過設(shè)置TWS時間參數(shù)，按先后順序起動設(shè)備，達(dá)到平抑母線負(fù)荷。如果TWS 設(shè)置了時間參數(shù)，設(shè)備在低電壓信號消失后，再延遲TWS 設(shè)置的時間，恢復(fù)到失電前狀態(tài)。

（2）電氣接口

設(shè)備的驅(qū)動回路的供電設(shè)計：

對于帶就地電儀柜的設(shè)備，驅(qū)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(guān)柜，當(dāng)動力電源失去時，設(shè)備操作電源也同時消失，造成設(shè)備狀態(tài)繼電器復(fù)位，設(shè)備“關(guān)”反饋信號隨即產(chǎn)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(tǒng)。母線電壓/頻率在達(dá)到“低電壓”定值后還要經(jīng)過2s的延時才會觸發(fā)“低電壓”信號，這就使得設(shè)備“關(guān)”反饋信號早于“低電壓”信號被控制系統(tǒng)檢測到。儀控系統(tǒng)在檢測到“低電壓”信號時，設(shè)備已經(jīng)處于非運(yùn)行狀態(tài)，即需加載設(shè)備的“關(guān)”反饋信號的觸發(fā)早于“低電壓”信號的產(chǎn)生。

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

圖4 設(shè)備狀態(tài)記憶邏輯

具體邏輯中利用設(shè)備“開”反饋信號的下降沿，將其延時t秒后與低電壓信號進(jìn)行邏輯與，也就是說，當(dāng)設(shè)備由運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)為停止?fàn)顟B(tài)后，儀控系統(tǒng)會記憶這種改變，同時定時器起動，若在t秒內(nèi)“低電壓”信號被觸發(fā)，系統(tǒng)將認(rèn)為此次設(shè)備變位是由于低電壓導(dǎo)致的，于是將結(jié)果鎖存于RS 觸發(fā)器中；在低電壓信號存在即為1 期間，設(shè)備是不應(yīng)該也無法被加載的，因此，將觸發(fā)器輸出Q與取反的低電壓信號再進(jìn)行邏輯與，其結(jié)果將作為該設(shè)備的加載信號連接到DCM 模塊的A_ON 端；當(dāng)設(shè)備被成功加載后或在低電壓發(fā)生一段時間后（即圖1中的T），設(shè)備加載信號將被復(fù)位?？紤]到低電壓信號有2s 的延時，最后經(jīng)過慎重考慮并結(jié)合一期的試驗驗證，將保護(hù)信號延時時間“t”定為4～10s，T為順序帶載，相應(yīng)步驟對應(yīng)時間加上25s，例如，DA21 的STEP4 為45s，T=45+25=70s。對于需要執(zhí)行“release”加載方式的設(shè)備，全部采用上述邏輯進(jìn)行優(yōu)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(shè)備的切除信號。

2）狀態(tài)“ON”/“OFF”的邏輯

對于加載清單中為“ON”/“OFF”的設(shè)備，定義為首先將設(shè)備強(qiáng)行停止，然后再發(fā)命令使設(shè)備起動，為避免加載指令不能發(fā)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(bǔ)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(bǔ)給水泵控制邏輯圖

3 針對一期所進(jìn)行的設(shè)計改進(jìn)

根據(jù)一期調(diào)試及具體運(yùn)行的實(shí)際經(jīng)驗，系統(tǒng)在帶載試驗中的各種缺陷產(chǎn)生的主要原因是最初的設(shè)計條件中未有帶載的控制要求，且存在控制設(shè)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(jìn)行3、4號機(jī)組柴油機(jī)分級帶載設(shè)計時，遵守下述改進(jìn)原則。

1）低電壓信號的產(chǎn)生，為了避免誤發(fā)，邏輯中增加了2s 的延遲。

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

3）“release”模式定義為恢復(fù)失電前設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，對具有備用系統(tǒng)的設(shè)備，必須屏蔽設(shè)備低電壓工況下的自動切換功能。

上述三條是機(jī)組柴油機(jī)帶載設(shè)計是否正確的標(biāo)尺，為此做出了下述設(shè)計改進(jìn)。

1）驅(qū)動裝置的控制電源采用UPS 段應(yīng)急電源；

2）驅(qū)動裝置動力電源喪失監(jiān)測不單獨(dú)作為故障信號送到DCS 系統(tǒng)。

3）對設(shè)備的保護(hù)信號延遲或屏蔽一段時間（2.5s 左右）。

4）設(shè)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(shè)備的控制方式進(jìn)行了針對性的設(shè)計：

3.1 變頻風(fēng)機(jī)的控制

因分級帶載為非正常運(yùn)行工況，在一期最初設(shè)計接口中未有帶載的控制要求，參考一期調(diào)試過程的實(shí)際經(jīng)驗，要求相應(yīng)廠家在設(shè)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(fù)位停機(jī)故障。針對一期無法實(shí)現(xiàn)主儀控在斷電后繼續(xù)發(fā)出停命令的問題，在具體設(shè)備的設(shè)計過程要求廠家對就地變頻器柜的硬接線進(jìn)行合理設(shè)計，增加無源“停止”信號接點(diǎn)，同時并聯(lián)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(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信號，恢復(fù)供電后不受外部影響恢復(fù)失電前狀態(tài)，所以需要通過停止指令來復(fù)位自動恢復(fù)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(jī)組柴油機(jī)分級帶載過程，備用設(shè)備的非預(yù)期起動，一方面要在切換邏輯中設(shè)置好切換等待時間參數(shù)，即在ASO（備自投）模塊中設(shè)置準(zhǔn)確的延遲切換（changeover delay）時間參數(shù)，使得低電壓閉鎖信號在“changeover delay”計時結(jié)束之前作用于ASO 模塊的BLCH 端（禁止切換），閉鎖備用設(shè)備的起動，在柴油機(jī)起動成功并使得供電母線恢復(fù)后，主用設(shè)備能夠成功起動，相應(yīng)的切換條件就不存在了，備用設(shè)備也就不會再起動了；另一方面，為了避免機(jī)組柴油機(jī)分級帶載指令發(fā)出后備用設(shè)備的起動，用延長低電壓閉鎖時間的辦法對切換邏輯進(jìn)行了改進(jìn)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(jù)設(shè)備起動時間的長短設(shè)置相應(yīng)的時間參數(shù)。

4 結(jié)論

參考一期的成功運(yùn)行經(jīng)驗，針對后期調(diào)試過程所遇到的具體問題，在3、4 號機(jī)組柴油機(jī)分級帶載設(shè)計時,對于“Release”邏輯統(tǒng)一使用外部邏輯回路，相關(guān)控制邏輯在具體功能組來實(shí)現(xiàn)；為避免控制設(shè)備的控制邏輯和帶載控制要求不匹配，對分級帶載的設(shè)計方案進(jìn)行了針對性的改進(jìn)和優(yōu)化。從而在最大程度上保證了機(jī)組柴油機(jī)分級帶載設(shè)計方案的正確性及可靠性。

田灣3、4 號機(jī)組常規(guī)島的高國產(chǎn)化率、機(jī)組柴油機(jī)的選型改變及對機(jī)組柴油機(jī)分級帶載設(shè)計方案進(jìn)行合理可靠地設(shè)計是整個3、4 號機(jī)組擴(kuò)建工程能否順利推進(jìn)的關(guān)鍵問題。其中田灣3、4 號機(jī)組柴油機(jī)分級帶載設(shè)計方案的確定，使得主電源系統(tǒng)和機(jī)組柴油機(jī)的設(shè)計工作得以順利開展，積極有效地推進(jìn)了田灣3、4 號機(jī)組擴(kuò)建工程電氣系統(tǒng)的順利進(jìn)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(jī)組柴油機(jī)控制系統(tǒng)說明書,ALSTOM-18PA6B,2013.