基于西门子SPPA-T3000系统核电DEH的改造研究

2022-02-13朱介文

中国核电 2022年5期

古艺，朱介文

(中核核电运行管理有限公司，浙江海盐 314300)

随着控制技术的不断发展，秦山核电一期350 MWe机组提出继续运行20年的目标，原有系统的硬件以及控制策略已不能完全适应当前电厂的运行要求，存在较大偏差及运行风险。汽轮机控制系统升级应采用方案成熟、技术先进、运行可靠、以微处理器为基础的分散型的设备。只有不断吸收和掌握现有的先进技术，才能对先进的设备进行更好的掌控。

秦山核电一期350 MWe机组DEH控制系统采用了西门子的T3000 控制系统，是上海汽轮机厂引进西门子汽轮机DEH 控制技术所采用的软硬件支撑平台。本文结合秦山核电一期350 MWe机组基于T3000系统的西门子汽轮机DEH 控制系统的构成、T3000系统的硬件与软件等几个方面的应用进行分析，希望对国内同类型机组的应用提供一些借鉴。

1 系统概述及改造必要性

DEH是汽轮机数字式电液控制的实时控制系统，我厂DEH由计算机控制部分与液压控制部分(EH)组成。DEH部分完成各种控制回路、控制逻辑的运算，通过操作员站等人机接口设备完成运行操作、监控及系统管理。根据对汽轮机、发电机运行参数的实时采集，经过各种控制策略、控制回路的运算，将最终的阀门控制指令输出到执行机构，通过EH系统由液压执行部件驱动阀门完成对机组的负荷、转速等被调节变量的控制。

秦山核电一期350MWe原机组DEH采用上海新华控制工程有限公司生产的XDPS-400E系统，自2002年投运以来已运行十多年，该系统具有控制精度高、系统稳定、画面简洁、组态维护方便等特点。但由于为上世纪90年代设计产品，存在备件采购困难和产品升级后与现场原有硬件不匹配等问题，给维修和运行人员的日常维护带来困难，也对维护水平提出了更高要求，原系统处于设备寿命末期，故障率上升,与机组继续运行20年的目标存在较大偏差。故需要升级改造为更为可靠、设计更为合理，同时满足汽轮发电机更新后的匹配要求。

目前市场上核电厂DEH系统大多采用西屋OVATION、阿尔斯通P320、西门子T2000等。本次汽轮机DEH改造项目包含在汽轮机通流改造中，由上海汽轮机厂负责实施改造，而西屋涉及核电的业务必须由美国方合作，报价较高；上汽厂无阿尔斯通P320系统此方面的业绩，广泛性不够；T2000已在多个核电厂应用，其操作基于Linux系统平台，维护工作多为命令行，系统较为复杂，且报价较高。结合经济性与实用性，西门子T3000系统已在火电广泛应用，系统成熟；其操作基于Windows，系统架构简单便于维护；改造报价经济性高。因此秦山核电一期350 MWe机组DEH控制系统改造采用了西门子的T3000控制系统。

2 硬件系统改进

秦山一期DEH原采用新华XDPS-400，改造后为西门子SPPA-T3000系统，具有统一的硬件平台。DEH系统配置图如图1所示。改造后DEH 采用双处理器来实现冗余控制，保证系统在单一故障情况下仍能安全稳定运行，并使用CS3000第三方冗余通讯模块将数据传输至电站计算机进行保存和显示。该模块从下层网独立读取数据同时将数据发送至第三方平台，具有采样频率高、数据传输量大等特点。DEH 的上述特征使它比早期产品更容易维护且系统结构相对简单并且功能齐全。自诊断特性不仅用在从一个控制方式转到另一个控制方式，而且可以用来确定故障的位置。系统中所有的I/O 卡都可以在线替换，由于无子系统边界，维护工作较其他系统相对简单，可扩展性也较好。

图1 DEH系统配置图Fig.1 DEH system configuration

2.1 DEH控制系统改进

1)改造后控制系统采用西门子SPPA-T3000系统较改造前新华XDPS-400系统具有系统应用更广泛、控制速度更快(最快扫描周期达到4 ms)、历史数据存储周期更短且具有动态存储功能、系统稳定较高、具有第三方通信功能等优点。

2)改造后常规控制逻辑存放在CPU410内，CPU 410具有极其灵活的可扩展性，只需一款硬件就能涵盖标准、容错和故障安全，应用中控制器的整个性能范围；重要保护逻辑如甩负荷、OPC、阀位控制等逻辑则放在FM458高速控制组件内，功能强大的FM458处理器用于高速的汽轮机控制，具有高性能闭环控制和运算处理，在FM458中进行逻辑判断运算以达到快速响应的目的。当CPU410、FM458发生故障时，输出跳机信号达到保护汽轮机目的。

3)“挂闸”“并网”“转速”“功率”“冲动级压力”“阀位”等参与DEH重要逻辑控制参数及“阀门控制指令”分别送入三块三重冗余卡件DEH专用控制接口模块ADDFEM卡(注：ADDFEM卡实现数字量、模拟量输入输出)。三选二逻辑对三个输入信号中有一个发生故障时实行保护，三个输入信号是在分开的I/O 卡上读入或采用冗余卡件的方式输入，以防止I/O硬件中的单点故障造成误跳机。只有当两块卡件同时故障时才输出跳机信号，以达到保护汽轮机目的的。关键输入信号的三选二方式改进了系统可靠性。

2.2 汽门LVDT配置调试改进

LVDT是DEH调门自动控制的反馈环节，LVDT主要用于汽轮机各进汽调门的阀位控制和阀位显示，将油动机活塞的位移(阀门开度)信号转换成电压信号反馈到DEH 系统。反馈信号与DEH 系统送来的阀门开度指令信号相比，差值经过伺服放大器放大并转换成电流值后，驱动液压伺服阀控制油动机和汽阀开关。秦一厂机组调门传感器采用六线制LVDT，属于直线位移传感器，它是由铁芯、初级线圈、次级线圈组成，初级线圈、次级线圈分布在线圈骨架上，线圈内部有一个可自由移动的杆状铁芯。两线圈输出的电压差值大小随铁芯位移而呈线性变化。

改造前现场高压调门的两支LVDT的输出采用高选策略，在一支故障的情况下切到另一支控制时，存在调门阀位波动的风险，改造后调门LVDT的输出值未采用高选的逻辑而采用两个反馈值与指令值相比较，取更贴近指令值的其中一个反馈值输出的方式，更准确地控制调门开度。改造后的逻辑图如图2所示。机组正常选择2号LVDT反馈值，当1号LVDT反馈值与指令偏差的绝对值小于2号LVDT反馈值与指令偏差的绝对值时，逻辑判断后会自动选择1号LVDT反馈值作为机组阀门反馈值，反之当1号LVDT反馈值与指令偏差的绝对值大于2号LVDT反馈值与指令偏差的绝对值时，会切回2号LVDT反馈值。双支LVDT冗余配置的改变，使得在其中一支LVDT故障时，也能无扰切换到另一支LVDT运行，更加安全可靠。同时取消伺服卡，逻辑直接写在系统里。能实时在线查看，可操作性高，调试简单，参数修改方便。

图2 调门控制逻辑图Fig.2 The control logic of the regulating valve

LVDT工作过程中，铁心的运动不能超出线圈的线性范围，否则将产生非线性值，因此所有的LVDT均有一个线性范围。所用LVDT工作线性长度为250 mm，在LVDT的调试前期采用调整电位器的方法，并将汽门开度的零位与满位调整在0及250刻度上。这种调试方法不仅容易造成电位器螺丝滑丝，导致其整个电位器失去调节作用，而且在运行期间容易出现阀门超出LVDT线性范围而出现超限报警，给日常运行带来不便。而现场汽门实际运行长度大多在210～230 mm之间，只要将其工作范围放入LVDT工作线性长度250 mm内，将不会出现超限的情况。通过在逻辑卡件内写值的方法，将其实际工作零位、满位、电气零点与显示开度对应，其上行程开度与下行程开度均为线性。

通过写值的调试方法，不用对电位器进行反复旋转，减少电位器滑丝情况，降低了备件的损耗。同时将起机前的LVDT热态调试试验时间从以前的2 h缩短至1 h左右，大大节省了大修期间的主线时间。

2.3 其他改进

1)电超速保护由原来一套增加为两套，增加设备可靠性，两套电超速保护模块均采用BRAUN公司E16电超速保护模块，第一套BRAUN卡除了超速保护用途外，还有三路信号通过ADDFEM的DI通道送到FM458。相比于之前复杂的机械超速装置，对硬件设施要求很高，而且每次实验过程都很繁杂。如果漏油很容易误动作，影响机组安全稳定运行。涉及机组的暖机，节省机械超速试验的时间，提高系统可靠性，可提高经济效益。新系统采用E16布朗卡后，通过转速探头采集回来的转速信号送入卡件中进行处理，更为简单，数据由软件处理也更为可靠，准确度更高。

2)取消薄膜阀后打闸手柄，在汽轮机机头位置处增加一套“就地手动停机按钮”便于应急停机。

3)“EH油”“LBO油”“真空”将原来压力开关改造为罗斯蒙特3051系列变送器，基于三取二的逻辑。具有可靠性高、维护方便等特点。

4)取消“ETS试验盘”，改造将相关操作画面集成至DEH操作员站，具有参数在线监视和历史数据查看的功能，同时设置重要功能参数光子牌及画面报警功能。

3 软件系统差异

3.1 系统特点

SPPA-T3000具有以下特点：1)工程数据、项目数据、历史数据等均从统一的中心数据站读取；2)所有功能均嵌入统一的平台，无子系统；3)来自任何站点的任务都是基于网络功能实现的；4)系统可扩展性强等。T3000根据需求将数据工作流程最优化，无中间数据库。同时其强大的报警及历史存储功能能够有效帮助维护及运行人员进行事故分析和稳定运行工作。