核化工项目总卫生出入口设施仪控系统设计

＊李 睿

（中国核电工程有限公司 北京 100840）

总卫生出入口设施是核化工项目的必要辅助设施，是正常运行人员进入核化工厂区的主通道，由四个部分组成：保护区出入口，总卫生出入口，洗衣机房和热交换站。热交换站设置在总卫生出入口地下一层的热交换间，采用汽水换热的方式为厂区采暖用户提供热水，热介质蒸汽来源于锅炉房。

1.工艺需求

总卫生出入口设施工艺设备数量较少，放射性水平较低，检测的参数种类相对较少，工艺系统有压空系统，其他公用系统包括：通风系统、给排水系统，其主要作用是为了满足工艺运行和生产操作需要。水的系统有淋浴水系统、洗衣废水系统等。该厂房工艺设备数量较少，放射性水平较低，检测参数的种类相对较少。水工艺的检测要求有对洗衣废水槽、淋浴水槽和集水坑的液位进行监测并报警、联锁；废水泵的入口、出口压力要求就地显示；还包括对生产上水流量进行监测，需要将检测的瞬时流量和累积流量信号送至全厂用水管理系统。对于工艺测点采用远传监测和自动联锁控制，以人的安全为本，采取安全可靠的措施，并设置各级越限报警，这样既能方便工艺操作人员的操作，又能确保整个工厂和人员的安全。

2.仪控系统设计原则

仪控系统设计的首要原则是要满足工艺及公用系统的检测和控制要求，在整个设计过程中遵循辐射防护规定，贯彻安全第一的理念。对于仪控设备的选型原则，设计时考虑选用了安全可靠，技术先进成熟，后期维护简单方便。仪表的检测方案和选型依据《核燃料后处理厂自控仪表工程设计规定》（EJ/T 999-1996）和《自动化仪表选型设计规范》（HG/T 20507-2014）。根据安全系统的分级依据，本设施没有安全级检测点。非安全级控制系统采用了先进的数字化控制系统，提高了整体的过程控制、生产管理和自动化控制水平。

3.仪表选型设计

(1)液位检测仪表

总卫生出入口设施需要液位测量的工艺设备有洗衣废水槽、淋浴水槽和集水坑。

①洗衣废水槽液位计选择。洗衣废水槽的液位检测选用磁翻板液位计，即可就地显示也可将检测信号远传至控制柜显示、报警、联锁。

磁性翻板液位计安装在洗衣废水槽设备的侧面，液位计可以做到高密封、防泄漏，液体介质与指示器完全隔离。磁性翻板液位计可以直观显示洗衣废水槽的液位，方便现场操作，并可实现远距离检测、指示、记录与控制。

②淋浴水槽和集水坑的液位计选择。淋浴水槽和集水坑的液位检测选用静压式液位变送器，检测信号远传至控制柜报警、联锁。静压式液位变送器的工作原理如下：

液体产生的静压强计算公式为：P=ρgh+P0

其中：P为液体压力；ρ为液位密度；h为液位高度；P0为大气压。对于开口容器，液体压力P的大小取决于液位高度h，采用背压直通大气的表压传感器，则测出的压力与液位高度成正比。

静压式液位变送器选用扩散硅压阻式压力传感器，被测压力通过隔离膜片和灌注的硅油传递到硅压敏元件上，硅压敏元件组成惠斯通电桥结构，实现了力电一体化高精度转换。电桥输出的变化经转换放大成为稳定的4～20mA标准信号输出。

(2)流量检测仪表

总卫生出入口设施需要流量测量的工艺设备有压缩空气的管线，生产用水和生活用水管线，以及风机的送风总管和排风总管。

①压缩空气流量计选择。压缩空气流量测量选用浮子流量计，此表测量精度高，可以输出瞬时流量和累积流量信号。浮子流量计又称为转子流量计，由一段向上扩大的锥形管和一个在管内上下浮动的浮子（又称转子）所组成。浮子流量计基于定压降、变面积测量流量的原理。当流体流过时在浮子前后产生差压力，使浮子向上移动。当浮子所受的差压力、重力、浮力和粘性力平衡时，浮子停在某一位置，此位置对应测量介质的某一流量。浮子位置经过精密充磁的磁耦合系统带动指针，由刻度盘和指针读出相应的流量值。对于压缩空气这种介质，干净、稳定，适合用浮子流量计测量流量。

②生产用水和生活用水流量流量计选择。生产用水和生活用水流量选用涡轮流量计。涡轮流量计是一种速度式流量测量仪表。传感器主要由壳体、前导向架、轴、叶轮、后导向架和带磁电转换器的放大器、转换器等组成。当流体通过传感器时，流体冲击叶轮叶片，使叶轮旋转，叶轮周期性的旋转改变了磁电转换器的磁通量，经磁电转换输出脉冲信号，脉冲信号的数量与频率与流过传感器的流量多少和大小成正比。涡轮流量计适用于测量充满于封闭管道中连续流过、较低粘度的清洁液体体积流量，特别适用于生产用水和生活用水的流量测量。传感器可输出对应通过传感器体积的瞬时流量、累计流量的电信号。

③风机的送排风流量计选择。风机的送风量和排风量的测量选用热导式气体质量流量计。热导式气体质量流量计的传感元件是两个带热套管保护的铂热电阻（RTD）。当这两个铂热电阻被置于流体中时，其中一个铂热电阻被加热维持50℃的温差，另一个则用于感应过程温度。维持两个铂热电阻之间的温差需要做的功率与过程流速及过程介质的比热有关。较高的体积流量、较大密度或较大比热的介质将使被加热的铂热电阻加速降温并因而需要更大功率维持温差。通过测量仪表功率，可以得出单位时间内流过了多少质量*比热的介质。如果知道介质的综合比热系数，就可以得出介质的质量流量。相对于传统的差压式流量装置，热导式气体质量流量计很适合于测量复杂圆形管道或方形管道，特别是大口径风管内的气体或混合气体的流量。

(3)压力(差压)检测仪表

压力的就地显示选用全不锈钢压力表和隔膜式压力表。就地压力检测选用全不锈钢压力和全不锈钢隔膜压力表。远传压力（差压）检测选用压力变送器和差压变送器。风机进出口压差选用差压变送器。

(4)温度检测仪表

温度检测选用带一体化温度变送器的铂热电阻。风机轴温测量选用热电阻，可将检测信号远传至控制柜报警、联锁。房间内的温湿度测量选用温湿度变送器。温度的就地显示选用双金属温度计。

4.控制系统设计

(1)方案

根据工艺专业的检测和控制要求，本设施设置一套数字化控制系统。本设施洗衣废水收集系统和淋浴废水排放系统的大部分测控设备均位于设施地下一层的洗衣水槽间和淋浴水槽间，考虑到洗衣废水收集系统有就地操作需求，要求在就地实现洗衣水槽的高低液位报警功能，所以地下一层的洗衣水槽间内设置一台就地控制箱，内装数字化系统的远程输入输出（以下简称：I/O）设备，用以实现地下一层现场设备的信号输入输出，同时在就地控制箱箱面上设置报警指示灯，箱内设置蜂鸣器，实现就地的报警功能。系统控制柜及一台操作员站，兼作工程师站的功能，布置在设施二层的控制室，就地控制箱与控制柜通过数据总线实现通信。

本设施的控制系统机柜布置在二层的控制室内。就地控制箱布置在地下一层淋浴水槽间内。热交换站设备控制柜，布置在地下一层热交换站间内，操作员站布置在二层控制室。控制系统的方案设计见图1所示。

图1 控制系统拓扑图

(2)控制系统选型

总卫生出入口设施选用了中核控制系统工程有限公司的NicSys®2000 LITE平台，NicSys®2000LITE是NicSys®2000 DCS控制系统的简化版，是一个高效、灵活、实用、方便、配置灵活的数字化控制系统。NicSys®2000LITE系统硬件与NicSys®2000 DCS控制系统平台一致，区别在于NicSys®2000LITE系统采用专用的NicBuilder软件作为二层组态软件。NicBuilder同时支持冗余配置。

(3)系统组成

本设施控制室内设置一台操作员站，兼作工程师站，具有以下功能：

①用于运行人机界面，对工艺系统的运行进行监控，实现人机交互功能；②工程师的功能，用于系统组态和维护；③历史数据存储的功能，用于记录历史数据和历史事件，并实现历史数据记录和历史事件的查询；④报警的监控和管理；⑤趋势分析及打印输出等功能。

操作员站采用Windows7操作系统，并安装NicBuilder上位机软件，以满足画面显示、监控报警、历史存储等功能。控制站的硬件设备包括控制器模块、输入输出模块、电源模块、网关模块等，安装在机箱中，机箱与端子模块在机柜内部通过专用电缆、导线连接。控制器通过I/O模块进行数据采集后，将采集数据送至操作员站进行实时数据处理。一层控制器采集并处理现场信号，通过工业以太网，传送至操作员站（工程师站），将现场采集的数据实时显示、记录存储、趋势分析、报警及打印输出。

(4)I/O点数配置

现场控制系统由现场控制器、I/O卡件、通讯总线和网络组成，系统规模根据项目的要求进行配置。

现场输入输出测点的数量见表1。

表1 测点数量表

I/O卡件配置的数量见表2。

表2 I/O卡件配置

(5)系统接地

控制系统需要三种接地：即保护地、屏蔽地和系统地。

保护地：是为了防止设备外壳的静电荷积累、避免造成人身伤害和设备不受损害而采取的保护措施。

系统地：柜内弱电系统的电源负端，是系统硬件电路模拟、数字地的电位参考点。

屏蔽地：信号电缆屏蔽层接入的地,它可以把现场信号传输时所受到的干扰屏蔽掉，以提高信号精度。控制系统中信号电缆的屏蔽层应做屏蔽接地。线缆屏蔽层必须一端接地，防止形成闭合回路干扰。铠装电缆的金属铠不应作为屏蔽保护接地，必须是铜丝网或镀铝屏蔽层接地，接入公共接地极。

保护地、屏蔽地在机柜内测量其对地的接地电阻，小于4Ω；系统地在机柜内测量其对地的接地电阻，小于1Ω。信号屏蔽电缆的屏蔽层在进入机柜后接入屏蔽地铜排，然后接入房间接地网。系统地采用树形连接，柜内的各直流电源的参考零位接入机柜系统地铜排，系统地铜排与机柜柜体绝缘。机柜系统地铜排相互连接后接入房间的系统地接地铜排。

(6)与现场设备接口

传感器或其他仪控设备包括如下接口：

①开关量输入信号接口；②开关量输出信号接口；③模拟量输入信号接口：4～20mA、脉冲信号；④模拟量输出信号接口。以上均采用硬接线方式。

(7)外部通讯接口

控制系统设置外部通讯接口，用于与第三方系统和其他设施的通讯，通讯层次为一层设备通讯。本设施通讯协议为ModBus-TCP，传输介质为光纤。单模光纤，配光电转换模块。

(8)供电设计

控制系统的供电设计，总电源分配三路单相220VAC电源，经不间断供电系统（以下简称：UPS）进行供电。UPS电源柜由UPS电源、蓄电池、仪表等组成，通过UPS电源向控制系统提供不间断电源。UPS续航时间不低于30min。

UPS采用先进的在线式正弦波不间断供电系统，并带有维修开关及并联冗余的功能。在线式设计的UPS，不同于后备式UPS，它对输入电压不断调整、滤波，在市电中断时，会无时间中断地从备用电池上提供后备电源。在过载或逆变失败情况下，UPS会转换到旁路状态，由市电供电。若过载情况消除，UPS会自动转回到逆变器供电状态。

三路电源分配如下：一路经UPS送至位于本设施控制室控制柜，电源容量为3kVA；一路经UPS送至地下一层热交换站的控制柜，电源容量为2kVA；一路经UPS送至地下一层淋浴水槽间就地控制箱，电源容量2kVA。

5.仪控系统的安装设计

仪表的安装布置依据《自动化仪表工程施工及质量验收规范》（GB 50093-2013）的要求进行设计。仪表布置安装方案充分考虑了后期调试、运行等各阶段的检修需求；在满足检测功能和检测效果的前提下，安装布置力求整体美观、整洁；仪表布置安装位置应不影响人员和设备通行。

涡轮流量计和浮子流量计与管道一体安装。浮子流量计可安装在垂直或者水平管道上。涡轮流量计安装时应安装在水平管道上，并保证前、后直管段长度，仪表前端保证10倍的管道口径长度，后端保证5倍的管道口径长度。

热导式气体质量流量计仪表安装时没有足够的前、后直管段，为了能使此仪表可靠稳定完成检测任务，需要在仪表安装孔正下方200mm处增设一个仪表安装孔，用于仪表校验。所有仪控系统桥架均选用钢制槽式桥架，支、吊架跨距为2m。在有弯通、三通的地方需单独增加支撑点。

6.结束语

核化工项目总卫生出入口设施的仪控系统设计较好地满足了工艺及公用系统的检测和控制要求。对于仪控设备的选型原则，设计时考虑选用了安全可靠、技术成熟先进、后期维护简单方便。同时选用可靠性高，功能完备，适用性强，易于使用，小巧便捷的国产数字化控制系统，对于类似相关工程设计具有一定的指导和借鉴意义。