文献标识码：B文章编号：1003-0492（2025）08-092-05中图分类号：TP29

★吴丽娟，王潇，肖明，王志嘉，刘波（北京广利核系统工程有限公司，北京100094）

关键词：FirmSys；主蒸汽隔离阀；快关动作；设备维护；精度

主蒸汽隔离阀是保障核电站安全运行的关键设备，其快关时间作为阀门的重要性能指标，具有严格的设计要求。当发生管道破损或爆管事故导致主蒸汽泄漏时，隔离阀必须在规定的时间范围内快速关闭，以保障核电站的安全运行。如果阀门动作过慢（例如大于5s），蒸汽将从破口大量排出，最终可能导致堆芯重返临界，严重影响机组的安全运行^[1]。

核电站主蒸汽隔离阀通过数字化控制系统（DCS）实现控制和监视。GB/T5024-2021《核电厂安全系统定期试验与监测》要求，需要手动控制阀及其他电气部件的电气运行并记下它们的快关动作时间。如果可能，在电厂停运期间，应例行地实施全行程试验^[2-4]。为了确保阀门的快关时间满足设计要求，DCS需要设计快关动作试验功能，以支持现场调试及运行维护期间试验人员对阀门进行验证。

某华龙一号核电站安全级DCS采用FirmSys平台实现对现场阀门的控制功能。由于DCS平台不同环节设备的信号采集特点以及异步运行特性，基于DCS的快关动作试验方案在计时方面必然存在精度偏差的问题。本文基于DCS系统结构和平台产品运行特点，结合主蒸汽隔离阀的动作特性及快关时间要求，设计了基于网络通信和基于硬接线的主蒸汽隔离阀快关动作试验方案，并对不同方案的计时精度偏差进行分析，得出更优方案，为后续核电站现场调试和维护提供了参考。

1　仪控系统概述

某华龙一号核电站安全级DCS系统架构简图如图1所示。基于FirmSys平台的安全级DCS由反应堆保护系统（RPS）和安全自动系统（SAS）构成^[5]，其中RPS主要用于执行反应堆紧急停堆和专设安全设施驱动等保护功能，SAS主要用于执行DBC2-4工况下将电站从可控状态带至安全状态的手动/自动控制和监视功能。

对于主蒸汽隔离阀，当工艺保护参数达到限值或操纵员通过紧急控制盘（ECP）触发手动命令时，RPS系统中专设安全设施驱动机柜（ESFAC）将产生主蒸汽隔离动作命令，并通过硬接线发送至设备接口机柜（CIC）。CIC机柜再通过硬接线将驱动命令发送至主蒸汽隔离阀对应的快关电磁阀。此外，操纵员也可以通过控制室中的安全控制显示装置（SCID）触发手动控制命令，经SAS系统中的安全自动机柜（SAC）运算后，通过通信发送至CIC机柜。

图1基于FirmSys平台的安全级DCS系统架构

2　阀门动作原理和快关时间要求

某华龙一号核电站设计三台主蒸汽隔离阀（VVP1220VV、VVP2220VV、VVP3220VV），分别安装于三个不同序列的主蒸汽系统管道。每台主蒸汽隔离阀有两个卸油回路，每个卸油回路配置三个快关电磁阀和一个试验电磁阀。主阀的动作由卸油回路中电磁阀的动作进行控制，电磁阀则由DCS直接进行控制。以A序列VVP1220VV为例，卸油回路电磁阀的控制与主阀控制关系如图2所示。

图2主蒸汽隔离阀控制原理图

在电厂正常运行期间，阀门保持开启状态。当DCS产生关阀信号时，电磁阀在DCS驱动信号作用下失电动作，主阀随之关闭，从而实现主蒸汽隔离功能。为了保证电站安全，主蒸汽隔离阀的动作时间要求为5s内快速关闭^[6,7]。

动作时间指的是设备从接收到触发信号到完成整个动作所需的时间，包括信号传递、控制系统响应和设备的物理移动等多个阶段。在阀门正式投用前，需对阀门的动作性能进行评估，以确保电厂在事故工况下，阀门响应及时，最大限度减少事故危害程度。而阀门的快关动作试验就是用于对阀门动作性能评估的重要试验项之一。

3　快关动作试验方案设计

3.1　设计思路

快关动作试验的目的是获取被试验阀门从接收到指令到阀门动作完成的时间，验证阀门动作性能。为了达到上述目的，快关动作试验方案需要确定以下内容：（1）试验触发路径；（2）计时信号的选择；（3）计时信号路径和计时逻辑；（4）人机界面设计。

其中，试验触发的路径需要结合DCS架构的特点确定。计时信号的选择，以及计时信号路径和计时逻辑的设计则需要重点考虑对计时精度的影响。试验方案应在可行的范围内，使计时精度尽可能高，避免因计时偏差过大影响阀门动作性能评估的准确性。

此外，试验方案的设计应考虑如下内容：

（1）运行期间阀门因自动或手动命令正常动作时不进行计时，仅当进行快关动作试验时触发计时，减少不必要的系统运算^[8]。

（2）需考虑使计时逻辑复位的手段。当试验人为干预复位时，计时应立即停止^[9]。

3.2　设计方案

（1）试验触发路径设计

根据基于FirmSys平台的安全级DCS系统架构以及主蒸汽隔离阀的控制特点，试验的触发可以通过SCID实现。试验人员通过SCID触发阀门动作指令，经SAC和CIC输出并驱动现场电磁阀动作。

（2）计时信号的选择

为了提高计时精度，计时起点信号和计时终点信号的选取位置，应尽可能选择阀门的控制路径上与DCS最接近且可采集的环节。针对主蒸汽隔离阀，选择CIC机柜输出位置的各电磁阀控制指令作为计时起点信号，选择安全级机柜数字量采集（DI）板卡采集的主蒸汽隔离阀关反馈信号作为计时的终点信号。阀门的控制路径可参考图3。

（3）计时信号路径和计时逻辑设计

计时信号路径设计与计时逻辑实现的位置相关。HAD102/10-2021要求，安全仪控系统设计应避免不必要的复杂性^[10]。如果在安全级DCS内部进行阀门快关时间计时运算，将增加安全级系统控制站的应用软件负担，造成控制站负荷率上升、扩展裕量下降的后果，不利于安全级DCS稳定运行。因此，计时逻辑设计在非安全级DCS的网关或控制站中实现。

安全级机柜下发的控制指令，以及获取阀门的状态反馈信号，可以通过网络通信和硬接线两种方式发送至非安全级DCS。因此，采用网络通信和硬接线两种计时路径：

·采用网络通信路径时，根据仪控系统架构，计时起点信号的路径为CIC->SAC->SAS-DTC->GWC（安全级）->GWC（非安全级），计时终点信号的路径为SAC->SAS-DTC->GWC（安全级）->GWC（非安全级）。

·采用硬接线路径时，计时起点信号的路径为CIC->控制站（非安全级），计时终点信号的路径为SAC->控制站（非安全级）。

计时逻辑与电磁阀和主阀的控制关系相关。具体逻辑实现时，按照图2所示控制原理图，使用不同电磁阀的指令组合后作为计时器触发的条件，使用主阀的关闭反馈信号作为计时终止的条件。此外，设置与人机画面的接口，接收来自人机画面的计时允许、计时复位信号，作为计时逻辑的允许条件和复位调节。

（4）人机界面设计

人机界面包括用于试验触发的SCID人机界面以及用于计时允许、复位和读取计时结果的可视单元（VDU）人机界面。SCID人机界面设置试验开关按钮，用于实现试验指令的触发；VDU人机界面设置计时允许、复位按钮，同时设置时间显示模块以显示计时的结果。

图3快关动作试验设计方案

综上，主蒸汽隔离阀的快关动作试验方案设计如图3所示。在计时允许时，可通过SCID上的试验开关，发出相应的关阀指令，非安全级网关或控制站中的计时逻辑开始计时；在阀门动作完成后，安全级机柜接收到来自主阀的关闭反馈信号，并将其通过网络通信或硬接线路径发送至非安全级网关或控制站中，计时结束。试验人员可以在VDU人机画面中查看对应的快关动作时间计时结果显示信息。

4　快关动作试验方案应用分析

4.1　计时精度分析

根据图3所示快关动作试验方案，无论是基于网络通信路径，还是基于硬接线路径，计时起点信号S1和计时终点信号S2均需要经过一系列的DCS设备传输后，方可参与计时运算。受DCS设备的响应速度和异步运行特性影响，每个信号在传输的过程中，均存在一个特定的误差区间，该误差将对最终的计时结果造成影响。

假设阀门真实动作的时间为X，计时起点信号S1从产生到传递至计时逻辑所在设备（非安全级网关或控制站）的最优、最差时间分别为T1b和T1w，计时终点信号S2从产生到传递至计时逻辑所在设备的最优、最差时间分别为T2b和T2w，则最短计时的时间为[(X+T2b)-T1w]，最长计时的时间为[(X+T2w)-T1b]，如图4所示。计时精度的误差范围即为(T2b-T1w)~(T2w-T1b)。

图4计时精度误差计算原理

根据仪控系统架构、FirmSys平台产品特点，以及计时信号传输路径，计时起点信号S1、计时终点信号S2的最优最差计算方法如下。

（1）基于网络通信路径的计时精度分析

采用网络通信路径时，S1信号的传输路径涉及CIC、SAC、SAS-DTC、GWC（安全级）和GWC（非安全级）。根据FirmSys仪控系统运行特点，信号路径中每个设备的最优和最差响应时间与平台产品特性、周期配置相关，依据路径中所有设备的最优和最差时间，即可获得信号传输的最优和最差时间。以某华龙一号核电站配置情况为例，T1b/T1w的时间计算方式为TCIC+TIO通信+TSAC+T网络通信+TSAS-DTC+T网络通信+TGWC（安全级）+T网关网络通信+TGWC（非安全级）。根据每个环节设备的最优最差响应时间，可计算出T1b和T1w分别为396.5ms和946.5ms。

S2信号的传输路径涉及SAC、SAS-DTC、GWC（安全级）和GWC（非安全级）。采用相同的计算方法，计算出T2b和T2w分别为394.2ms和945.2ms。

根据计时精度误差计算原理分析，基于网络通信路径的计时精度误差范围为-552.3ms至548.7ms。

（2）硬接线计算精度分析

采用硬接线路径时，S1信号的传输路径涉及CIC、非安全级控制站，S2信号的传输路径涉及SAC、非安全级控制站。结合信号路径中各设备的响应时间，可计算出T1b和T1w分别为140ms和178ms；T2b和T2w分别为140ms和178ms。

因此，基于硬接线路径的计时精度误差范围为-38ms至38ms。

4.2　应用分析

在工程实践中，对于动作响应速度要求不高、动作时间较长的阀门，为了减少系统间的硬接线数量、降低工程实施难度，通常采用基于网络通信路径的快关动作试验方案。但是，主蒸汽隔离阀的动作速度要求较高（5s内完成关闭动作），如果采用网络通信路径进行计时信号的传输，并在非安全级网关中完成计时，最大约±0.6s的偏差明显不利于对于阀门动作性能的判断。

采用硬接线路径传输计时信号，由于信号路径较短，因此可以将计时精度误差控制在100ms以内，大幅优于基于网络通信传输路径的计时方案。虽然增加了少量的硬接线进行信号传输，但对于整个DCS系统来说也是可以接受的。目前，该方案已应用于多个华龙一号核电机组的DCS系统中，并取得了良好的应用效果。某华龙一号核电站基于该方案执行主蒸汽隔离阀快关动作试验，试验结果为阀门快关时间最大4.368s，最小3.141s，满足阀门的快关动作试验时间验收要求。假设采用网络通信的计时路径，受DCS计时精度以及阀门自身因素影响，极端情况下试验读取的阀门动作时间可能会达到5s，影响试验人员对阀门实际性能状态的判断。

本文所述方案也可以用于核电站其他的安全级阀门。对于这些阀门，可以根据其动作响应和计时精度的要求，选择采用基于网络通信或采用基于硬接线的动作时间试验方案。

5　总结

本文通过对基于FirmSys平台的仪控系统架构以及主蒸汽隔离阀动作原理进行分析，提出了阀门快关动作试验功能的设计思路，设计了一套包括快关动作试验触发路径、计时信号的选择、计时信号路径和计时逻辑、人机界面设计的完整快关动作试验功能方案，并通过对基于网络通信路径和基于硬接线路径的两种实现方式的计时精度分析，在实际项目中选择并应用了基于硬接线的计时方案，将DCS的计时误差控制在百毫秒以内，有效保障了主蒸汽隔离阀动作性能验证的准确性。该方案已在多台华龙一号核电机组的DCS系统实际应用，取得了良好实践效果，对同类型阀门的动作时间试验功能设计具有指导和借鉴意义。

作者简介：

吴丽娟（1985-），女，河南人，工程师，工学硕士，现就职于北京广利核系统工程有限公司，主要从事核安全级仪控系统的DCS设计工作。

参考文献：

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摘自《自动化博览》2025年8月刊