★北京广利核系统工程有限公司李明钢，张波

关键词：核电厂；应急柴油发电机；控制系统；应用现状

1　引言

应急柴油发电机组作为全厂应急安全电源与核电厂的安全直接相关，在厂用电源和辅助电源都发生故障时，能够自动快速启动，以提供应急照明和为保证反应堆安全停堆所需的设备用电，使其继续运转，保证一回路压力边界的完整性，确保放射性物质不向大气泄漏。

核级应急柴油发电机组属于安全级设备。但我国应急柴油发电机组的控制系统发展缓慢，之前主要采用简单硬件的模拟控制装置，即采用继电器和模拟仪表构成控制系统。而采用简单硬件的控制系统故障频发，直接威胁柴油的安全运行进而直接威胁核电站的安全。近些年国内一些厂家通过采用可编程控制器（PLC）对非安全级控制部分进行了升级，实际上技术仍然比较落后，并且还存在可靠性差、难维护、数据记录数量少时间短等缺点。所以应急柴油发电机组仪控系统全部数字化、国产化成了当前迫切需求。

2　当前仪控系统主要设计方案

根据国内投运的应急柴油发电机仪控系统进行分析，应急柴油发电机控制系统经历了两个阶段：早期简单硬件的模拟控制系统；近些年出现的继电器+PLC混合控制系统。

下面分别对应急柴油发电机组控制系统发展的两个阶段的实现方案和存在的问题进行分析说明。

2.1　简单硬件的模拟控制系统

采用简单硬件的模拟控制系统，实现较为简单，控制系统使用几百个继电器、模拟仪表通过硬接线进行逻辑搭接实现柴油机的控制和显示，从而实现柴油机启停等自动控制功能。这类控制系统的典型代表例如某核电站机组使用的是法国Wartsila公司的UD45V12型柴油机，控制系统使用的是TEC继电器。

典型的简单硬件的模拟控制系统机柜内的布置图如图1所示。

图1 继电器系统布置图

某核电厂应急柴油发电机控制系统使用的继电器情况汇总如表1所示。

表1 继电器数量统计

该系统总计使用各类型继电器368个，而每个继电器又有1个线圈和4个辅助触点。由于其使用的元器件数量很多，控制回路接点多，控制电路复杂，导致工作可靠性差，故障率较高。根据电厂对应急柴油发电机组故障的反馈，自2011年来柴油机系统由于继电器引发的故障较多，以中广核集团在运核电厂为例，导致应急柴油发电机组不可用的故障中，控制系统占比超过50%。某电厂将柴油机使用的继电器送可靠性中心进行检测，检测数据结果显示型号为双稳继电器（启停信号保持）不合格率高达90%。其他型号继电器不合格率也高达70%以上。单个电厂发现的继电器故障风险，在多电厂故障排查中，类似故障概率100%。电控系统中由于继电器失效造成了应急柴油发电机误报警、励磁不能投入和启动失败等故障严重影响着柴油发电机的稳定运行和核电厂的安全。

简单硬件的模拟控制系统存在的主要缺点如表2所示。

表2 简单硬件的模拟控制系统主要缺点

2.2　继电器+PLC控制系统

随着可编程控制器的普及，同时由于应急柴油发电机对安全级部分要求严格，所使用的软件需要通过独立的验证与确认工作（V&V），所用设备需经过核级鉴定，实现起来非常复杂，所以应急柴油发电机的控制逐渐向继电器+PLC系统这种半数字化的方式进行转变。

采用继电器+PLC控制系统典型的代表有红沿河二期、阳江一期、阳江二期等核电站应急柴油发电机，使用的是德国MTU的MTU20V956TB33型柴油机，控制系统使用的是继电器+西门子PLC进行控制。该系统的架构如图2所示。

图2 继电器+PLC系统架构图

安全级功能实现部分仍然采用继电器进行逻辑的搭接，通过硬接线与非安全级控制进行信号的交互。非安全级部分采用西门子S7-300系列PLC实现，通过PROFIBUSDP总线与两个I/O站连接，用于数据的采集。通过交换机连接一台面板式工控机，用于实现参数的显示与记录。

表3 继电器+PLC控制系统缺点

3　全数字化解决方案

针对当前简单硬件方案和继电器+PLC控制方案存在的缺点和不足，可应用数字化控制系统DCS平台进行设计改造。系统的架构简图如图3所示。

图3 全数字化系统架构简图

（1）针对设备数量多，触点多的缺点，建议通过使用核级DCS控制平台实现控制功能。通过数字化控制系统，使用少量卡件能有效减少系统内的故障点，控制逻辑通过软件实现，使系统运行稳定；

（2）针对传统控制方案自诊断弱的缺点，通过使用全数字化控制系统能够对CPU、RAM、ROM、时钟、看门狗、程序顺序、通道自诊断、供电电源、空开状态、隔离模块等实现自诊断全覆盖，能及时有效地定位故障点；

（3）针对传统控制方案易老化的问题，建议系统设计时通过在控制器件涂三防油漆、柜内增加温控除湿装置等措施有效减少设备的老化情况，增加设备的使用寿命；

（4）针对传统控制方案难维护、不易扩展的问题，通过全数字化控制系统，所有控制逻辑通过数字化软件实现，仅通过更改软件逻辑和启用备用I/O通道即可实现设计变更和系统拓展，使后期的维护和改造更加便捷；

（5）针对传统控制方案可靠性差的问题，建议全数字化的方案采用冗余架构配置的方案，增加控制系统的可靠性；

（6）针对信号传递接线复杂的问题，建议全数字化系统在安全级和非安全级机柜之间采取通讯的方式进行数据传输，能有效地减少硬件接线；

（7）针对传统控制方案数据显示记录少且时间短、存储的数据没有保障的问题，建议全数字化系统在数据记录存储架构中配置冗余的服务器及选用大容量硬盘，当一台服务器故障，另一台仍能正常运行，以保证数据存储的可靠性和超长的存储周期；

（8）建议全数字化的方案和相关辅助控制设备采用具有完全自主知识产权的DCS控制平台实现，在备件供应、控制逻辑黑匣子等方面能够有效保障核电厂的运行安全。

4　结语

通过应急柴油机发电机组控制系统的介绍，不同技术路线在数据显示采集和记录、硬件的冗余配置、可维护性、抗干扰能力等方面存在很大的差异。

鉴于应急柴油发电机组的重要程度，结合现有控制系统中存在的诸多问题，在核电厂对柴油发电机控制系统的可靠性、稳定性、易维护等方面的要求日益增加的情况下，提出的全数字化控制系统解决方案，能够有效解决目前控制系统中存在的问题和不足，同时对系统的可靠性、可维护性、可扩展性和抗干扰能力都将有质的提升。应急柴油机仪控系统数字化是未来的发展方向。

作者简介：

李明钢（1977-），男，汉族，河南平顶山人，高级工程师，学士，现任北京广利核系统工程有限公司副总经理，主要从事核电仪控系统设计制造生产管理相关工作。

张　波（1982-），男，汉族，河北保定人，工程师，本科，现就职于北京广利核系统工程有限公司，主要从事核电站安全级专用系统设计工作。

参考文献：

[1] 刘晓宇. 核电站应急柴油发电机组自动控制系统[J]. 工业技术. 2014 (13) : 84 - 85.

[2] 李涛. 基于一种安全级数字化平台的EDG电控系统方案[J]. Internal Combustion Engine & Parts. 2020 (22) : 201 - 202.

摘自《自动化博览》2023年9月刊