核电站应急柴油发电机组监测控制系统的开发

陈国忠 韩醒之 李文听

摘  要：应急柴油发电机组是核电站内的应急交流电源，需要由监测控制系统实时監控机组状态参数，并对机组设备完成自动化控制，本文基于西门子PLC技术、虚拟仪器技术完成了机组监测控制系统的开发，并详细阐述了系统设计结构和特点，最后将系统应用于应急柴油机组鉴定试验和出厂试验中，系统性能测试结果良好。

关键词：核电厂;应急柴油发电机组;监测控制系统

中图分类号：TM623    文献标识码：A     文章编号：1671-2064（2019）17-0000-00

1概述

应急柴油发电机组作为核电站中的应急交流电源，在正常情况下，应时刻保持在热备用状态，为应急启动做好准备。当核电厂外部交流电源全部失去时，需要机组能够独立、自动、快速启动并在规定时间内按预设程序带载，以确保反应堆安全停堆，避免核事故 ^[1][2]。

监测控制系统作为应急柴油机组的重要组成部分，负责监测应急柴油机组的性能参数和工作状态，以保证机组处于热备用状态并满足随时进行应急启动的要求。系统还负责通过预设的逻辑或控制命令完成机组的自动化控制，以保证机组能够按要求快速、自动启动 ^[3][4]。

传统的应急柴油发电机组监测控制系统大多由继电器和常规仪表组成，功能单一，接线复杂，故障率高，可靠性及可追溯性差。现在投入使用的应急柴油发电机组大多为多参数复杂系统，需通过机组监测控制系统将机组各主要参数进行有机结合并形成友好、便捷的显示、操作界面。针对此情况和要求，本系统基于西门子PLC技术与虚拟仪器技术相结合的方式完成核电站应急柴油机组监测控制系统的开发，并将其应用于“华龙一号”海外项目核电站应急柴油发电机组中。

2系统设计

2.1 设计原则

2.1.1安全分级和质量鉴定

应急柴油发电机组监测控制系统由1E和NC级设备组成。凡是与柴油机组应急启动和应急运行相关的设备，其分级为1E级，其他设备则为NC级。1E级设备抗震类别为1类，质保等级为QA1并满足K3类鉴定要求。

2.1.2功能分配

与机组应急启动和应急运行相关的控制保护功能，采用1E级设备实现。与机组应急启动和应急运行不相关的控制保护、信息显示和报警等功能采用NC级设备实现。

2.1.3电气隔离

当1E级设备与NC级设备之间存在信号交换时，按照GB/T 13286的相关要求，对1E级和NC级设备之间信号进行隔离。本系统采用继电器、断路器、电流互感器、光-电耦合器等作为电气隔离装置，所有隔离装置布置在1E级机柜中。

2.2 系统结构

应急柴油发电机组监测控制系统通过检测系统的重要运行参数（例如转速、压力和温度等），为机组各类设备提供控制、保护及信息监测手段，以保证柴油发电机组安全、可靠和经济地运行，分为3个层次，详见图1。

工艺系统接口层：包括各类传感器、电磁阀、电动机等，主要功能为采集工艺参数及根据自动化系统来的控制指令，控制工艺过程

自动控制和保护层：主要包括机组监测站、控制站等，用于完成数据处理、逻辑控制及通信等功能。

操作和信息管理层：主要完成信息显示和故障报警并为操纵员手动控制提供手段，主要由触摸屏、必要的硬件操作开关等组成。

2.3系统组成及特点

应急柴油发电机组监测控制系统主要由机组控制柜、机组监测柜、启停阀箱、转速控制箱、端子箱、仪表架及现场仪表等组成。

机组控制柜主要处理与机组应急启动和应急运行相关的控制保护功能，通过鉴定过的继电器逻辑实现，即使在非1E设备失效的情况下，仍可独立地对机组进行启停控制。该控制柜为1E级，主要功能有机组应急启/停控制、速度控制、燃油输送泵控制、冷却风机控制等。

机组监测柜主要处理与机组应急启动和应急运行无关的控制保护、信息显示和报警等功能，采用西门子S7-300通用控制器作为主控制器，选用ET200M完成I/O模块的拓展，并通过以太网、光纤、DP电缆分别与上位机、机组控制柜、发电机保护装置进行通讯。该控制柜为NC级，主要功能有机组试验启/停控制、补水泵控制、发电机空间加热器控制、机组状态参数显示和报警等。

每套机组设置一套独立的诊断装置，采用高速采集模块对模拟量和开关量信号进行采集，开关量分辨率不低于1.0ms，模拟量采样频率达到1kHz。装置对转速、电流、电压等参数进行高速采样，在收到启动信号后自动生成启动时电压、转速、启动时间的曲线，在加载、甩负荷试验期间，生成机组运行状态信息的变化曲线。对机组出现的保护停机等现象，自动分析机组跳闸原因及故障出现的次序。

机组速度控制系统由转速传感器、调速器、执行器等主要部件及调节连杆、连接电缆等附件组成，调速器选用WOODWARD公司2301A产品，执行器选用WOODWARD公司PGG-EG-58产品，执行器具有球头备份功能，确保在调速器故障情况下，机组仍能可靠运行。

每台机组有两套互相独立的启动回路，每个回路均能单独完成在15秒内连续启动5次柴油机。当机组发出试验启动命令时，可选择A列、B列单独启动或A列、B列同时启动，当机组发出应急启动命令时候，机组直接双列启动。

机组应急运行时仅投入超速和失电压保护，通过三取二逻辑实现，其他保护（例如滑油压力低、高温水温度高、排气温度高等）都被闭锁，仅发出报警，只有在试验运行下这些保护才被投入。