核電廠先進(jìn)數(shù)字電液控制系統(tǒng)對(duì)運(yùn)行操作的影響分析

李映林，田 苗

（中國(guó)核電工程有限公司，北京 100840）

0 引言

隨著核電廠主控室數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，電廠運(yùn)行自動(dòng)化程度不斷提高，傳統(tǒng)的操作盤臺(tái)已很少運(yùn)用在新建核電廠上，取而代之的是集成度高、操作方便的全廠數(shù)字化儀控系統(tǒng)（DCS）[1-4]。

在核電廠中，常規(guī)島的數(shù)字電液控制系統(tǒng)（DEH）是二回路最復(fù)雜的控制系統(tǒng)，操作員通過(guò)DEH系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)組的控制與保護(hù)。DEH已在核電項(xiàng)目上成熟廣泛地應(yīng)用，但隨著核電廠DCS及先進(jìn)主控室技術(shù)的不斷發(fā)展，DEH在新建機(jī)組上的使用也更加優(yōu)化和多元化。目前，很多汽輪機(jī)廠家將汽輪機(jī)輔機(jī)系統(tǒng)加入了傳統(tǒng)的DEH系統(tǒng)，形成了更為完善的一體化控制系統(tǒng)——汽輪機(jī)及其輔機(jī)控制系統(tǒng)（TCS），此系統(tǒng)在汽輪機(jī)的控制方面自動(dòng)化程度更高，集成度更好。然而，由于核電廠一、二回路控制系統(tǒng)一般分開(kāi)采購(gòu)與設(shè)計(jì)，不同的廠商在控制系統(tǒng)的設(shè)置、結(jié)構(gòu)和人機(jī)接口上都存在差異，導(dǎo)致不同廠家的DEH與不同電廠的DCS產(chǎn)生了一些新的兼容性問(wèn)題，如何處理好TCS與DCS的融合成為一個(gè)亟需解決的問(wèn)題。

本文以先進(jìn)核電廠TCS與DCS的關(guān)系為研究對(duì)象，通過(guò)分析先進(jìn)核電廠與國(guó)內(nèi)運(yùn)行核電廠TCS與DCS兩者之間的關(guān)系，并以其中較為復(fù)雜的情況為例，說(shuō)明先進(jìn)核電廠汽輪機(jī)及其輔機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、配置對(duì)核電廠運(yùn)行操作的影響，并給出初步的解決方案，以解決或降低DEH與DCS之間的兼容性問(wèn)題。

1 系統(tǒng)介紹

數(shù)字電液控制系統(tǒng)（DEH）主要用于完成汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)、并網(wǎng)、正常運(yùn)行等全范圍控制與調(diào)節(jié)操作。正常運(yùn)行期間，由DEH通過(guò)改變調(diào)門開(kāi)度，對(duì)負(fù)荷指令進(jìn)行限速、限幅，閉鎖增、減等處理后得出實(shí)際負(fù)荷指令，維持機(jī)組的汽水平衡，使機(jī)組在期望的功率水平下安全穩(wěn)定運(yùn)行，以滿足電網(wǎng)對(duì)發(fā)電機(jī)功率的要求。

然而，隨著控制技術(shù)的不斷發(fā)展，汽輪機(jī)及其輔機(jī)控制系統(tǒng)（TCS）應(yīng)運(yùn)而生，即在傳統(tǒng)的DEH上增加汽機(jī)輔機(jī)系統(tǒng)。新的TCS控制范圍涵蓋了傳統(tǒng)常規(guī)DEH所包含的汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)和汽輪機(jī)保護(hù)系統(tǒng)，同時(shí)還新增加了包括汽機(jī)本體部分、發(fā)電機(jī)本體溫度監(jiān)測(cè)以及其他汽輪發(fā)電機(jī)組的輔助系統(tǒng)等。

TCS中新增系統(tǒng)在汽輪發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)和停運(yùn)時(shí)具有相當(dāng)重要的作用，是汽輪發(fā)電機(jī)組成功啟動(dòng)的前提，也是汽輪發(fā)電機(jī)組安全停運(yùn)的保證。在原有設(shè)計(jì)中，上述系統(tǒng)涵蓋在DCS控制范圍，將這部分系統(tǒng)從DCS中剝離，增加到DEH中并形成新的TCS系統(tǒng)，必須考慮到DCS與TCS之間的相互關(guān)系以及新的TCS對(duì)運(yùn)行操作策略和對(duì)機(jī)組安全生產(chǎn)等方面的影響。

2 目前國(guó)內(nèi)核電機(jī)組DCS與TCS（DEH）的關(guān)系分析

目前運(yùn)行的核電站中，因?yàn)楦麟姀SDCS系統(tǒng)的一層、二層結(jié)構(gòu)及布置不盡相同，TCS（DEH）的概念也存在差異，故兩者的關(guān)系存在多種復(fù)雜的不同關(guān)系：

1）DEH與DCS系統(tǒng)采用相同的控制系統(tǒng)即一層、二層均采用相同的硬件設(shè)備，DEH可與DCS無(wú)縫連接；DEH系統(tǒng)的所有操作、監(jiān)控都將在DCS操作員站上完成。此方式在福清、方家山、嶺澳二期、田灣、AP1000項(xiàng)目中應(yīng)用，是目前的主流方案，也是最具有優(yōu)勢(shì)的方式。

2）DEH采用與DCS相互獨(dú)立的控制系統(tǒng)（主要指一層-控制層），二層（人機(jī)接口層）DEH與DCS系統(tǒng)整合到一起，統(tǒng)一畫面、統(tǒng)一操作，在主控室的主要操作由全廠DCS完成，根據(jù)需要適當(dāng)配置后備DEH操作員站，以避免DEH與DCS通訊故障時(shí)不能對(duì)DEH系統(tǒng)進(jìn)行完全監(jiān)控，而正常操作都將在DCS操作員站上完成。目前海南[5]、陽(yáng)江核電項(xiàng)目采用此類方案。

3）DEH與采用模擬技術(shù)的控制系統(tǒng)相獨(dú)立，即獨(dú)立的一層、二層，在主控室單獨(dú)配置獨(dú)立的DEH操作員站，對(duì)電廠的控制采用常規(guī)盤臺(tái)的開(kāi)關(guān)按鈕操作方式，此方式在秦山二期采用[6]。經(jīng)過(guò)技術(shù)的成熟與積累，在秦山二擴(kuò)項(xiàng)目時(shí)，對(duì)二回路的控制方面有了一定的改進(jìn)，二回路正常運(yùn)行時(shí)的日常操作通過(guò)DCS進(jìn)行，硬盤臺(tái)作為備用，配合DEH對(duì)電廠汽輪機(jī)組進(jìn)行控制。

具體情況詳見(jiàn)表1。

表1 國(guó)內(nèi)核電機(jī)組DCS與TCS（DEH）一覽表Table 1 List of DCS and TCS (DEH) of domestic nuclear power plants

3 DCS與TCS配置方案對(duì)運(yùn)行操作的影響分析及初步方案

鑒于DCS與TCS（DEH）關(guān)系的復(fù)雜性，本文將從其中較為復(fù)雜的情況（DCS與TCS一層相互獨(dú)立、二層無(wú)法完全統(tǒng)一，但可以部分實(shí)現(xiàn)雙向通信的先進(jìn)核電廠）入手作為研究對(duì)象[7]，分析兩者的配置對(duì)運(yùn)行操作的影響，為后續(xù)新建核電廠DCS和TCS方案的確定提供參考。

3.1 對(duì)主控室整體布局的影響

在福清、方家山、海南昌江項(xiàng)目中，主控室內(nèi)一、二回路操作員站、協(xié)調(diào)員站和安工站4個(gè)工作站是完全相同的，可實(shí)現(xiàn)完全地替換，任意一個(gè)或兩個(gè)工作站失效都有簡(jiǎn)單的退防策略，可以由其他工作站代替，失效的工作站做限期維修即可，不會(huì)影響機(jī)組的發(fā)電，機(jī)組可利用率高。

而本文研究的核電廠主控室主要通過(guò)DCS系統(tǒng)配合獨(dú)立的TCS操作員站控制電廠狀態(tài)，DCS系統(tǒng)作為電廠操作與監(jiān)視的主要手段，所以在二回路操作員站旁邊需設(shè)置TCS站，以實(shí)現(xiàn)汽機(jī)的順控啟動(dòng)。

但是添加TCS操作員站后的二回路DCS操作員站與其他工作站在布置和功能上都產(chǎn)生了差異，無(wú)法實(shí)現(xiàn)完全替換，對(duì)退防和機(jī)組可利用率有影響。

針對(duì)此問(wèn)題，建議在二回路DCS操作員站旁設(shè)置TCS操作員站的同時(shí)，在安工站旁也設(shè)置一套獨(dú)立的TCS操作員站，實(shí)現(xiàn)二回路操作員站與安工站的互為備用，以提高機(jī)組的可利用率。

3.2 對(duì)操作員操作習(xí)慣的影響

在核電廠的運(yùn)行過(guò)程中，操作員的熟練程度以及一、二回路操作員的配合至關(guān)重要。將汽機(jī)輔機(jī)系統(tǒng)加入到TCS后，對(duì)操作員的操作習(xí)慣產(chǎn)生了一定的影響。特別是對(duì)于有經(jīng)驗(yàn)的操作員（值長(zhǎng)、高級(jí)操作員等）來(lái)說(shuō)，需要改變思路，經(jīng)過(guò)不斷地練習(xí)，熟悉拆分后新的DCS與TCS。而對(duì)于一、二回路操作員的相互配合與協(xié)調(diào)來(lái)說(shuō)，經(jīng)過(guò)研究得到的雙向傳輸數(shù)據(jù)應(yīng)能在一定程度上緩解操作員改變長(zhǎng)期形成的操作習(xí)慣所帶來(lái)的不便，經(jīng)過(guò)不斷地配合與練習(xí)，應(yīng)能建立全新的配合默契。

3.3 對(duì)運(yùn)行操作策略的影響

核電站的運(yùn)行，主要分為正常運(yùn)行、瞬態(tài)應(yīng)對(duì)、故障及事故處理幾個(gè)方面。

對(duì)于汽機(jī)控制系統(tǒng)而言，瞬態(tài)應(yīng)對(duì)及故障處理方面的操作可以被事故運(yùn)行所包絡(luò)，故本文只分析正常運(yùn)行與事故運(yùn)行時(shí)DCS與TCS之間關(guān)系的改變對(duì)運(yùn)行操作策略的影響。

3.3.1 正常運(yùn)行

在電廠正常運(yùn)行時(shí)，機(jī)組的操作主要分為日常操作及定期試驗(yàn)、日常維修、機(jī)組啟停（狀態(tài)變化）操作以及大修。

選取典型的總體規(guī)程進(jìn)行逐步分析研究[8]，發(fā)現(xiàn)DCS與TCS之間關(guān)系的改變對(duì)運(yùn)行操作策略有影響。在原有的操作策略中根據(jù)總體規(guī)程“鏈接定義”欄中的鏈接，點(diǎn)擊進(jìn)入相應(yīng)的規(guī)程畫面進(jìn)行操作，拆分后的DCS無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)TCS內(nèi)系統(tǒng)參數(shù)的控制，只能單獨(dú)從TCS操作員站調(diào)畫面操作，這樣對(duì)操作員的操作形成很大不便。

為避免正常運(yùn)行時(shí)由于在DCS和TCS間的來(lái)回操作，可將總體規(guī)程中有關(guān)汽機(jī)輔機(jī)系統(tǒng)的操作數(shù)據(jù)反向傳回TCS，實(shí)現(xiàn)DCS與TCS之間數(shù)據(jù)點(diǎn)的雙向傳輸，使DCS操作員站對(duì)TCS的關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行操作控制。

對(duì)總體規(guī)程的操作步驟進(jìn)行“TCS操作”“DCS檢查”“DCS操作”的分類，認(rèn)為：

1）需在“TCS操作”的數(shù)據(jù)點(diǎn)必須實(shí)現(xiàn)雙向通信，以盡量少地改變運(yùn)行操作策略與操作員的操作習(xí)慣。

2）需在“DCS檢查”的數(shù)據(jù)點(diǎn)雖然存在操作員干預(yù)的可能，但隨著機(jī)組自動(dòng)化程度的提高以及雙向傳輸點(diǎn)數(shù)量的考慮，暫不實(shí)現(xiàn)雙向傳輸。

3）需在“DCS操作”的數(shù)據(jù)點(diǎn)本來(lái)屬于DCS系統(tǒng)，無(wú)需考慮傳輸問(wèn)題。

基于以上原則，可得到由總體規(guī)程導(dǎo)出的TCS與DCS間需雙向通信的設(shè)備，詳見(jiàn)表2。

表2 正常運(yùn)行時(shí)需反向傳輸?shù)脑O(shè)備Table 2 Equipment requiring reverse transmission during normal operation

3.3.2 事故運(yùn)行

當(dāng)遇到瞬態(tài)、故障或事故情況時(shí)，需要執(zhí)行故障或事故規(guī)程?？紤]瞬態(tài)應(yīng)對(duì)及故障規(guī)程相關(guān)操作可以被事故規(guī)程所包絡(luò)。因此，挑取典型事故規(guī)程，以分析DCS與TCS之間關(guān)系的改變對(duì)運(yùn)行操作策略的影響。

在事故處理時(shí)，時(shí)效性是影響事故發(fā)展的重要因素。故在事故情況下，必須保證事故規(guī)程中的鏈接有效且快速可用，需要將事故規(guī)程中有關(guān)汽機(jī)輔機(jī)系統(tǒng)的操作數(shù)據(jù)反向傳回TCS，實(shí)現(xiàn)DCS對(duì)停機(jī)后撤關(guān)鍵設(shè)備的操作控制，以避免事故處理時(shí)由于在DCS和TCS間來(lái)回操作而延誤對(duì)事故的處理，將此改變對(duì)事故的處理的不利因素降到最低。

由此可見(jiàn)，在DCS與TCS之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)的雙向傳輸是必要的。

事故規(guī)程必須在DCS上執(zhí)行，故在事故規(guī)程中涉及的二回路汽機(jī)及其輔機(jī)系統(tǒng)的操作必須實(shí)現(xiàn)雙向通信。通過(guò)對(duì)代表事故規(guī)程的分析，可得到由事故規(guī)程導(dǎo)出的需要雙向傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。

根據(jù)以上對(duì)正常運(yùn)行及事故運(yùn)行的分析，將正常運(yùn)行與事故運(yùn)行分析得到的雙相傳輸點(diǎn)進(jìn)行合并，即可得到最終DCS必須向TCS反向傳輸?shù)脑O(shè)備，詳見(jiàn)表3。

表3 事故運(yùn)行時(shí)需反向傳輸?shù)脑O(shè)備Table 3 Equipment requiring reverse transmission during accident operation

3.3.3 解決方案

通過(guò)對(duì)核電廠正常運(yùn)行和事故運(yùn)行的分析，可以基本涵蓋電廠所有需要TCS控制的運(yùn)行工況。因此，將正常運(yùn)行與事故運(yùn)行分析得到的雙相傳輸設(shè)備進(jìn)行合并梳理，即是DCS與TCS一層相互獨(dú)立、二層無(wú)法完全統(tǒng)一但可以部分實(shí)現(xiàn)雙向通信的先進(jìn)核電廠DCS必須向TCS反向傳輸?shù)淖罱K設(shè)備清單，詳見(jiàn)表4[9]。

表4 需反向傳輸?shù)脑O(shè)備清單Table 4 List of equipment to be transmitted in reverse

同時(shí)，關(guān)于TCS與DCS的兼容性解決方案，考慮到DCS對(duì)全廠的全范圍監(jiān)視和控制以及操作員的操縱習(xí)慣和運(yùn)行策略，將二層TCS與DCS系統(tǒng)之間的重要信號(hào)通過(guò)硬接線連接，TCS汽輪機(jī)流程畫面中的工藝參數(shù)點(diǎn)單向通訊到DCS顯示，DCS操作員站可以對(duì)TCS進(jìn)行全范圍的監(jiān)視，并將重要信號(hào)反向送回TCS，使DCS操作員站可以對(duì)TCS重要設(shè)備進(jìn)行操作，實(shí)現(xiàn)DCS在電廠正常運(yùn)行、瞬態(tài)及事故運(yùn)行期間對(duì)汽輪機(jī)的操作與控制。

以上結(jié)果可作為量級(jí)和系統(tǒng)功能等方面的參考，具體工程實(shí)施會(huì)因機(jī)組設(shè)計(jì)和規(guī)程編制而產(chǎn)生傳輸數(shù)據(jù)差異。因此，應(yīng)以機(jī)組設(shè)計(jì)輸入為準(zhǔn)，并建議留有一定量級(jí)的備用通道以便新的傳輸設(shè)備時(shí)的需要。

4 結(jié)論

先進(jìn)核電廠數(shù)字電液控制系統(tǒng)（TCS）與全廠數(shù)字化儀控系統(tǒng)（DCS）的關(guān)系對(duì)運(yùn)行操作具有很大的影響，包括對(duì)主控室整體布局、操作員操作習(xí)慣以及運(yùn)行操作策略等方面的影響。在對(duì)以上影響進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，本文提出了將二層DEH的數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸給DCS，并將兩者之間的重要信號(hào)雙向傳輸，實(shí)現(xiàn)DCS操作員站對(duì)TCS的全范圍監(jiān)視和重要設(shè)備操作的解決方案，以確保DCS在電廠正常運(yùn)行、瞬態(tài)及事故運(yùn)行期間對(duì)汽輪機(jī)的操作與控制，減少TCS配置方案對(duì)運(yùn)行操作的影響。