1E级调速控制器的设计与研制

□郭 林 刘 俊

一、引言

辅助给水汽动泵是保证核电厂安全运行的关键设备，核电厂正常运行时调速控制器处于热备用状态，紧急情况时应在25秒内快速启动汽动泵。目前国内尚无适用于核电厂的1E[1～2]级调速控制器设备，为进一步提高华龙一号相关设备的国产化率并满足巴基斯坦卡拉奇核电厂二号/三号机组的出口需求，自主研发核电厂用调速控制器有助于实现核电仪控产品的国产化，提升核电装备的核心竞争力。

1E级调速控制器用于应急工况下辅助给水汽动泵的快速启动和控制，其控制器参数可根据机械驱动要求进行现场组态，同样适用于各种不同小型拖动汽轮机机组的控制。具有极高的稳定性、可靠性、实时性、可操作性、抗干扰能力。

二、功能要求

(一)紧急启动。紧急情况发生时，蒸汽顶开速关阀，辅助给水汽动泵开始冲转升速。调速控制器应能控制汽泵转速，使之在25秒内达到并稳定在额定转速。调速控制器应具有自动复位功能，以保证周期试验后执行器处于初始阀位。

(二)转速控制。通过人机接口(HMI)，来控制辅助给水汽动泵的转速，以满足试车、超速试验和运行等一系列工况要求。

(三)远程转速控制。通过一个外部模拟量信号(4～20mA)，来改变转速设定值，以调节辅助给水汽动泵的转速。

(四)阀位限制。调速控制器上电启动后或周期测试完成后按阀位限制参数控制调节执行器开度，限制启动过程中的调节汽阀的阀位避免辅助给水汽动泵超速。

(五)流量限制。当运行过程中发生爆管，导致给水流量大增，超过组态限制值时，调速控制器应能自动关小调节汽阀，降低转速，使给水流量维持在限制值以下。调速控制器具有流量开方功能，能直接输入流量变送器的压差信号。

(六)超速保护。正常运行过程中，当转速达到额定转速的110%时，调速控制器应发出停机信号并停机。进行电子超速试验时，当转速达到HMI现场额定转速设定值，调速控制器应发出停机信号。进行机械超速试验时，当转速达到额定转速的HMI现场设定值，调速控制器应发出停机信号。

(七)超速试验。通过人机接口(HMI)对辅助给水汽动泵的机械超速保护装置和电子超速保护装置进行超速跳闸试验。如：当执行电子超速保护试验时，超速保护值为额定转速110%～109%。当执行机械超速保护试验时，超速保护值设定为额定转速120%。

三、技术方案及原理

1E调速控制器由主控制模块和HMI组成，主控制模块和HMI之间采用安全锁进行隔离以防止人因错误影响调速器正常运行。其中，主控制模块为安全1级系统，以TMS570LS1227微控制器为核心进行设计，软件符合IEC 60880标准的要求；HMI为安全3级系统，以STM32F103微控制器为核心进行设计，软件符合IEC 62138标准的要求。

(一)技术方案。1E调速控制器用于辅助给水汽动泵控制，核电厂正常运行时控制器处于热备用状态，紧急情况时快速启动辅助给水汽动泵，调速控制器应具有紧急启动、启动过程中防超速功能、转速控制、远程转速控制、流量限制、超速保护和超速试验功能，其控制系统图如图1所示。

图1 辅助给水汽动泵控制系统图

(二)控制逻辑。1E调速控制器具有转速闭环和流量闭环两个独立回路，两个回路的输出信号和阀位限制器输出信号经低选器(LSS)选择其中较低者作为实际输出用于控制调节汽门的开度，基本控制逻辑框图如图2所示。

图2 基本控制功能框图

转速闭环回路的给定值可通过就地人机接口(HMI)或者远程4～20mA信号给定。为了提高控制器的可靠性，转速信号具有双传感器输入能力，双传感器输入信号经高选器(HSS)选择其中较高输入者作为实际输入用于调速控制。

流量闭环回路对输入的流量信号进行开方处理，流量给定值由HMI接口组态设定，流量PID输出实现流量限制功能。

阀位限制器主要在启动时防止蒸汽压力过高导致超速停机。调速控制器在热备用时阀位限制器保持在初始阀位，当启动时转速PID开始控制转速后阀位限制器按组态升速率上升至最大阀位。

(三)转速控制。1E调速控制器转速控制功能框图如图3所示，控制回路接受两个转速输入经HSS后输出的转速值作为给水泵当前转速，并与转速给定值进行比较，实现闭环控制，转速给定可由HMI键盘、MODBUS指令或4～20mA模拟输入设置，转速设定方式包括以下几种。

1.目标转速设定。由HMI键盘、MODBUS指令设定目标转速，控制器根据升/降速逻辑按照组态指定的升/降速曲线自动计算实际的转速给定值，直至调速至目标转速。

2.给定值直接设定。由HMI键盘、MODBUS指令直接控制给定值，或者在远程给定使能条件下，通过4～20mA模拟输入实现远程转速给定，此时升/降速速率由给定装置控制。

转速给定值有效范围由组态编程确定，正常运行转速范围由“控制器下限转速设定值”和“控制器上限转速设定值”配置，超速试验转速由独立的“超速试验转速上限”限定，与正常运行转速范围无关。

图3 转速控制功能框图

(四)流量限制功能。1E调速控制器流量限制功能框图与图2类似，仅被控制物理量不同。流量控制输出引入LSS参与转速控制，从而可实现流量限制功能。独立的流量控制功能未来系统进行功能扩展时再行实现。

(五)超速保护功能。1E调速控制器超速保护包括主动保护和被动保护两种情形。

1.主动保护。控制器启动运行后辅助给水汽动泵处于热备用状态，此时隔离阀关闭转速为零，转速PID和流量PID输出为100%，阀位限制输出为初始阀位。给水汽动泵调节阀开度由低选总线控制，当隔离阀打开后给水汽动泵开始冲转升速，转速上升至最低控制转速后阀位限制器按限制曲线如图5所示控制调节阀开度，同时转速PID和流量PID根据给定值和当前测量值控制其输出，三路输出低选可避免冲转过程中蒸汽压力过大引起汽动泵超速。主动超速保护逻辑如图4所示。

图4 1E级控制器主动超速保护逻辑功能框图

图5 阀位限制曲线

2.被动保护。非超速试验状态下，转速超过额定转速110%，触发停机；超速试验条件下，转速超过额定转速120%，触发停机。

(六)超速试验功能。1E调速控制器超速试验包括电超速与机械超速试验两类，由外部超速试验使能触点使能，进入超速试验需满足：一是转速闭环PID处于控制状态；二是退出流量限制、禁用MODBUS给定以及远程转速给定功能；三是给水泵工作于额定转速。

超速试验状态下，按住“超速”按钮后再按“升速”按钮升速，直至达到超速试验目标转速，如108%额定转速，此时，若超速按钮松开，则控制器电跳动作，触发停机，若超速按钮保持，则可继续升速至机械超速保护跳闸(110%额定转速)，为避免电超速与机械超速保护失灵导致超速事故，当转速超过120%额定转速时，由控制器强制触发停机。

四、结语

压水堆核电站辅助给水汽动泵是电站核辅助系统的“心脏”，是专设安全系统的重要部件之一，而核1E级调速控制器用于百万千瓦级核电站华龙一号辅助给水汽动泵转速调节，在汽动辅助给水泵正常运行时起着关键作用的主要部件。核电站关键仪表的研制是一项具有较高难度的系统工程，对锻炼核电设备设计队伍、提高我国生产制造单位的核设备设计制造能力、提升国际核电市场上的竞争力均具有重要意义。

1E调速控制器的成功研制培养出了一批优秀的管理、研发、生产人才，研发组在资料收集、方案论证等多方面做了大量基础工作，并在实践中得到应用和证明，大大提高了专业技术人员和管理人员的理论水平，使得理论和实际能紧密联系，并通过不断总结积累了丰富的经验，为其他新产品的开发奠定了良好的基础。