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鎧裝熱電偶

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鎧裝熱電偶的設計與研製

來源:www.kimmosasi.net作者:發表時間:2019-11-05 16:01:01

    【內容摘要】鎧裝熱電偶是用於百萬千瓦級核電站華龍一號輔助給水汽動泵轉速控製的關鍵設備,在汽動輔助給水泵正常運行時起著關鍵作用。本文重點介紹 鎧裝熱電偶的設計方案和原理,經此設計方案而研製成功的產品具有高可用性和高可靠性,可有效防範共因失效故障,並經過了 1E 級鑒定試驗驗證。

    一、引言
    輔助給水汽動泵是保證核電廠安全運行的關鍵設備,核電廠正常運行時調速控製器處於熱備用狀態,緊急情況時應在 25 秒內快速啟動汽動泵。目前國內尚無適用於核電廠的1E[1 ~ 2]級調速控製器設備,為進一步提高華龍一號相關設備的國產化率並滿足巴基斯坦卡拉奇核電廠二號/三號機組的出口需求,自主研發核電廠用調速控製器有助於實現核電儀控產品的國產化,提升核電裝備的核心競爭力。

   鎧裝熱電偶用於應急工況下輔助給水汽動泵的快速啟動和控製,其控製器參數可根據機械驅動要求進行現場組態,同樣適用於各種不同小型拖動汽輪機機組的控製。具有極高的穩定性、可靠性、實時性、可操作性、抗幹擾能力。

    二、功能要求
    (一) 緊急啟動。緊急情況發生時,蒸汽頂開速關閥,輔助給水汽動泵開始衝轉升速。調速控製器應能控製汽泵轉速,使之在 25 秒內達到並穩定在額定轉速。調速控製器應具有自動 複 位 功 能,以保證周期試驗後執行器處於初始閥位。

    (二) 轉速控製。通過人機接口( HMI) ,來控製輔助給水汽動泵的轉速,以滿足試車、超速試驗和運行等一係列工況要求。

    (三) 遠程轉速控製。通過一個外部模擬量信號( 4 ~ 20mA) ,來改變轉速設定值,以調節輔助給水汽動泵的轉速。

    (四) 閥位限製。調速控製器上電啟動後或周期測試完成後按閥位限製參數控製調節執行器開度,限製啟動過程中的調節汽閥的閥位避免輔助給水汽動泵超速。

    (五) 流量限製。當運行過程中發生爆管,導致給水流量大增,超過組態限製值時,調速控製器應能自動關小調節汽閥,降低轉速,使給水流量維持在限製值以下。調速控製器具有流量開方功能,能直接輸入流量變送器的壓差信號。

    (六) 超速保護。正常運行過程中,當轉速達到額定轉速的 110% 時,調速控製器應發出停機信號並停機。進行電子超速試驗時,當轉速達到 HMI 現場額定轉速設定值,調速控製器應發出停機信號。進行機械超速試驗時,當轉速達到額定轉速的 HMI 現場設定值,調速控製器應發出停機信號。
 
    (七) 超速試驗。通過人機接口( HMI) 對輔助給水汽動泵的機械超速保護裝置和電子超速保護裝置進行超速跳閘試驗。如: 當執行電子超速保護試驗時,超速保護值為額定轉速 110% ~ 109% 。當執行機械超速保護試驗時,超速保護值設定為額定轉速 120% 。

    三、技術方案及原理
    1E 調速控製器由主控製模塊和 HMI 組成,主控製模塊和HMI 之間采用安全鎖進行隔離以防止人因錯誤影響調速器正常運行。其中,主控製模塊為安全 1 級係統,以 TMS570LS1227微控製器為核心進行設計,軟件符合 IEC 60880 標準的要求; HMI 為安全 3 級係統,以 STM32F103 微控製器為核心進行設計,軟件符合 IEC 62138 標準的要求。

    (一) 技術方案。1E 調速控製器用於輔助給水汽動泵控製,核電廠正常運行時控製器處於熱備用狀態,緊急情況時快速啟動輔助給水汽動泵,調速控製器應具有緊急啟動、啟動過程中防超速功能、轉速控製、遠程轉速控製、流量限製、超速保護和超速試驗功能,其控製係統圖如圖 1 所示。

 

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    (二) 控製邏輯。1E 調速控製器具有轉速閉環和流量閉環兩個獨立回路,兩個回路的輸出信號和閥位限製器輸出信號經低選器( LSS) 選擇其中較低者作為實際輸出用於控製調節汽門的開度,基本控製邏輯框圖如圖 2 所示。

 

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    轉速閉環回路的給定值可通過就地人機接口( HMI) 或者遠程 4 ~ 20mA 信號給定。為了提高控製器的可靠性,轉速信號具有雙傳感器輸入能力,雙傳感器輸入信號經高選器(HSS) 選擇其中較高輸入者作為實際輸入用於調速控製。

    流量閉環回路對輸入的流量信號進行開方處理,流量給定值由 HMI 接口組態設定,流量 PID 輸出實現流量限製功能。

    閥位限製器主要在啟動時防止蒸汽壓力過高導致超速停機。調速控製器在熱備用時閥位限製器保持在初始閥位,當啟動時轉速 PID 開始控製轉速後閥位限製器按組態升速率上升至最大閥位。

    (三) 轉速控製。1E 調速控製器轉速控製功能框圖如圖3 所示,控製回路接受兩個轉速輸入經 HSS 後輸出的轉速值作為給水泵當前轉速,並與轉速給定值進行比較,實現閉環控製,轉速給定可由 HMI 鍵盤、MODBUS 指令或 4 ~ 20mA 模擬輸入設置,轉速設定方式包括以下幾種。

    1. 目標轉速設定。由 HMI 鍵盤、MODBUS 指令設定目標轉速,控製器根據升/降速邏輯按照組態指定的升/降速曲線自動計算實際的轉速給定值,直至調速至目標轉速。

    2. 給定值直接設定。由 HMI 鍵盤、MODBUS 指令直接控製給定值,或者在遠程給定使能條件下,通過 4 ~ 20mA 模擬輸入實現遠程轉速給定,此時升/降速速率由給定裝置控製。

    轉速給定值有效範圍由組態編程確定,正常運行轉速範圍由“控製器下限轉速設定值”和“控製器上限轉速設定值”配置,超速試驗轉速由獨立的“超速試驗轉速上限”限定,與正常運行轉速範圍無關。

    (四) 流量限製功能。1E 調速控製器流量限製功能框圖與圖 2 類似,僅被控製物理量不同。流量控製輸出引入 LSS參與轉速控製,從而可實現流量限製功能。獨立的流量控製功能未來係統進行功能擴展時再行實現。

    (五) 超速保護功能。1E 調速控製器超速保護包括主動保護和被動保護兩種情形。

 

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    1. 主動保護。控製器啟動運行後輔助給水汽動泵處於熱備用狀態,此時隔離閥關閉轉速為零,轉速 PID 和流量 PID輸出為 100% ,閥位限製輸出為初始閥位。給水汽動泵調節閥開度由低選總線控製,當隔離閥打開後給水汽動泵開始衝轉升速,轉速上升至最低控製轉速後閥位限製器按限製曲線如圖 5 所示控製調節閥開度,同時轉速 PID 和流量 PID 根據給定值和當前測量值控製其輸出,三路輸出低選可避免衝轉過程中蒸汽壓力過大引起汽動泵超速。主動超速保護邏輯如圖 4 所示。

 

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    2. 被動保護。非超速試驗狀態下,轉速超過額定轉速110% ,觸發停機; 超速試驗條件下,轉速超過額定轉速120% ,觸發停機。

    (六) 超速試驗功能。1E 調速控製器超速試驗包括電超速與機械超速試驗兩類,由外部超速試驗使能觸點使能,進入超速試驗需滿足: 一是轉速閉環 PID 處於控製狀態; 二是退出流量限製、禁用 MODBUS 給定以及遠程轉速給定功能;三是給水泵工作於額定轉速。超速試驗狀態下,按住“超速”按鈕後再按“升速”按鈕升速,直至達到超速試驗目標轉速,如 108% 額定轉速,此時,若超速按鈕鬆開,則控製器電跳動作,觸發停機,若超速按鈕保持,則可繼續升速至機械超速保護跳閘( 110% 額定轉速) ,為避免電超速與機械超速保護失靈導致超速事故,當轉速超過 120% 額定轉速時,由控製器強製觸發停機。

    四、結語
    壓水堆核電站輔助給水汽動泵是電站核輔助係統的“心 髒”,是專設安全係統的重要部件之一,而核 鎧裝熱電偶用於百萬千瓦級核電站華龍一號輔助給水汽動泵轉速調節,在汽動輔助給水泵正常運行時起著關鍵作用的主要部件。核電站關鍵儀表的研製是一項具有較高難度的係統工程,對鍛煉核電設備設計隊伍、提高我國生產製造單位的核設備設計製造能力、提升國際核電市場上的競爭力均具有重要意義。

    1E 調速控製器的成功研製培養出了一批優秀的管理、研 發、生產人才,研發組在資料收集、方案論證等多方麵做了大量基礎工作,並在實踐中得到應用和證明,大大提高了專業技術人員和管理人員的理論水平,使得理論和實際能緊密聯係,並通過不斷總結積累了豐富的經驗,為其他新產品的開發奠定了良好的基礎。

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