樓昕皓，張 巍，王希河，錢 敏

（中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300）

0 引言

隨著DCS（Distributed Control System，即分布式控制系統(tǒng)）在核電廠應用程度的不斷提升，核電廠的數(shù)字化水平持續(xù)提高，已形成建設“數(shù)字化核電廠”的趨勢。數(shù)字化核電廠將DCS 作為監(jiān)視和控制的核心，由DCS完成主要儀控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和處理、過程控制、信息顯示及操作等功能，并結合緊急操作裝置和后備盤，保證機組維持在安全狀態(tài)。

在數(shù)字化核電廠的原設計中，并非全部設備都實現(xiàn)了數(shù)字化，仍然有一部分設備因各種原因未接入DCS，再加上出現(xiàn)可靠性差、設備老化等問題，主控對這類設備的監(jiān)視、控制、干預手段有限。特別是其中的關鍵重要設備，一旦故障將不利于機組安全穩(wěn)定運行，對其進行數(shù)字化改造迫在眉睫[1]。

1 GHE系統(tǒng)

方家山核電廠的發(fā)電機密封油系統(tǒng)（GHE）設計用于向發(fā)電機密封件供給潤滑油，進而防止轉子軸與發(fā)電機外殼之間油封處的發(fā)電機氫冷卻劑的泄漏，并通過防止大氣污染使氫冷卻劑純度得以保持。

圖1 液位調節(jié)器GHE402MNFig.1 Liquid level regulator，GHE402MN

為了防止污染發(fā)電機，軸封供應油中不得含有溶解氣體。GHE 系統(tǒng)設計了一個真空箱GHE001CW，把油噴到該真空箱內以去除油中所含的溶解氣體。真空箱GHE001CW內的液位由液位控制閥GHE001VH 控制，來自潤滑油箱的潤滑油進行過濾后，經GHE001VH 和一組噴嘴進入GHE001CW。若GHE001CW 液位升 高，則GHE001VH 關??；反之，若GHE001CW 液位降低，則GHE001VH 開大。

2 GHE真空箱液位控制系統(tǒng)原設計存在的問題

2.1 液位調節(jié)器無法遠程控制，設備故障后主控無法手動干預

GHE001VH 由液位調節(jié)器GHE402MN 控制，該液位調節(jié)器屬于基地式調節(jié)儀，包括氣動控制器、氣動傳送器、電子傳送器及機械液位開關，用于測量與控制液位、比重及液體界面，控制原理為阿基米德定律?？刂苾x器上使用一個置換器，置換器配掛在一個扭力管組件上，該扭力管組件可簡單準確地將置換器動力傳輸?shù)綑C械裝置上[2]。

液位調節(jié)器GHE402MN 屬于就地設備，主控無法監(jiān)視GHE001VH 閥門指令和反饋等被控參數(shù)，也無法遠程控制。一旦該液位調節(jié)器出現(xiàn)故障，可能導致GHE 真空箱液位出現(xiàn)波動，此時主控無法手動干預，只能通知維修人員檢修。

2.2 GHE真空箱液位無遠傳信號，主控無法實時監(jiān)測液位

GHE 真空箱旁安裝了一個磁翻板液位計GHE302LN，可以就地監(jiān)測液位，但未設計遠傳信號，主控無法實時監(jiān)測。如果出現(xiàn)某些故障需要確認GHE 真空箱液位情況，只能安排人員前往現(xiàn)場讀數(shù)，既耗費人力，又使響應滯后。

2.3 GHE真空箱液位開關可靠性較差，無冗余功能

磁翻板液位計GHE302LN 本體上安裝了兩個液位開關構成了相關泵的保護停運邏輯，一個是真空箱液位高開關GHE505SN，用于自動停運真空泵GHE401PO/GHE402PO中的運行泵（真空泵正常為一用一備）；另一個是真空箱液位低開關GHE605SN，用于自動停運主油泵GHE101PO。這些液位開關屬于磁性開關，可靠性較差，多次發(fā)生因開關故障問題導致誤跳真空泵/主油泵的缺陷。因液位開關無冗余功能，真空泵、主油泵的保護停運功能過于依賴單個液位開關的可靠性，一旦液位開關故障，再疊加GHE 真空箱液位主控無法實時監(jiān)測，容易造成主控操作員對GHE真空箱液位情況產生誤判。

2.4 GHE真空箱液位控制性能不佳

GHE 真空箱液位控制主要存在兩方面的問題：

一方面，GHE 真空箱液位波動范圍超標。根據(jù)系統(tǒng)設計要求，GHE 真空箱液位應控制在中心線±100 mm，即可接受的液位波動正常范圍是不超過200 mm。但根據(jù)設備實際允許情況看，實際液位波動范圍約為300 mm，已經超出了正常范圍的50%。維修人員曾嘗試通過提升基地式調節(jié)儀的響應速度來改善液位控制器控制性能，但效果不明顯。

另一方面，GHE 真空箱液位控制系統(tǒng)抗擾動能力差。當機組存在大的工況變化（如啟停機），會對GHE 真空箱液位造成擾動，此時實際液位波動呈發(fā)散振蕩趨勢，容易觸發(fā)GHE 真空箱液位高/低保護停泵邏輯，不利于控制系統(tǒng)的穩(wěn)定。

進一步分析，上述問題的根本原因為液位調節(jié)器GHE402MN 設備可靠性差、響應遲滯，維修人員調整GHE402MN 調節(jié)參數(shù)后，問題有所緩解，但未能徹底解決。

可見，雖然GHE 真空箱液位控制系統(tǒng)原設計能夠實現(xiàn)液位自動控制的功能，但存在多種問題。當機組處于穩(wěn)定運行工況時，GHE 真空箱液位相對平穩(wěn)，但如果出現(xiàn)工況變化、設備故障等情況，容易出現(xiàn)GHE 真空箱液位過高或過低的情況，增加了非停的風險，不利于機組安全穩(wěn)定運行。

3 數(shù)字化改造的技術方案

3.1 技術方案的可行性分析

為解決GHE 真空箱液位控制系統(tǒng)原設計存在的各類問題，可以通過應用數(shù)字化技術開展數(shù)字化改造，將GHE 真空箱液位控制功能通過DCS 實現(xiàn)[3]。包括以下內容：

1）維持原有的液位控制閥GHE001VH 閥體不變，用智能閥門定位器取代基地式調節(jié)儀，指令和反饋信號接入DCS，采用PID 控制，通過DCS 實現(xiàn)遠方手自動控制功能。

2）用雷達液位計取代磁翻板液位計和磁性液位開關，液位信號接入DCS 參與控制，實現(xiàn)遠程監(jiān)視功能，通過液位信號的模擬量定值實現(xiàn)保護跳泵邏輯。

圖2 液位計改造示意圖Fig.2 Schematic diagram of level gauge transformation

經過詳細的調研，方家山核電廠的多個液位控制系統(tǒng)已實現(xiàn)了DCS 控制，包括高壓給水加熱器系統(tǒng)、凝結水抽取系統(tǒng)、汽水分離再熱器系統(tǒng)等重要系統(tǒng)，雷達液位計、智能閥門定位器廣泛應用于這些系統(tǒng)的液位控制中，屬于非常成熟的DCS 工程應用案例[4]。和原基地式調節(jié)儀的設計方案相比，這些實現(xiàn)了DCS 控制的液位控制系統(tǒng)的可靠性、冗余性存在明顯優(yōu)勢，且設備故障率更低、后備人為干預手段更多。

因此，GHE 真空箱液位控制系統(tǒng)的數(shù)字化改造在技術上是可行的。

3.2 現(xiàn)場設備改造技術方案

對于液位調節(jié)器，將原基地式調節(jié)儀及相關附件拆除，替換為智能閥門定位器，并重新安裝減壓閥與供氣管線。新增的智能閥門定位器和液位控制閥GHE001VH 閥體相匹配，執(zhí)行機構控制輸入和閥位反饋輸出信號均為4 mA DC～20 mA DC。

對于液位計，將原磁翻板液位計和磁性液位開關拆除，并從GHE 真空箱原液位管道一次隔離閥后加裝新管道、三通、彎頭、二次隔離閥、測量筒、儀表支架等附件，最后水平并排安裝3 個雷達液位計GHE403MN、404MN、405MN，其中一個雷達液位計配置了磁翻板液位計，便于就地讀數(shù)。

新增現(xiàn)場設備后，需要將5 個信號接入DCS 控制機柜，包括密封油箱液位GHE403MN、404MN、405MN 與液位控制閥GHE001VH 的指令、反饋信號。由于DCS 機柜在設計時已預留了一定的裕量，上述5 個信號送至GHE 系統(tǒng)所在的KCP562AR 機柜，并分布至柜內3 塊I/O 卡件的空通道中，無需新增I/O 卡件，機柜側實施成本極低。

3.3 DCS控制邏輯改造技術方案

密封油箱液位GHE403MN、404MN、405MN 選用的雷達液位計量程為0～1100 mm，零點與原設計一致。每一個密封油箱液位GHE403MN、404MN、405MN 都設計了HH（高高）、H（高）、LL（低低）、L（低）定值，并據(jù)此設計了以下定值控制邏輯：

1）真空油箱GHE001CW 液位高高

該邏輯取代了真空箱液位高開關GHE505SN 的原設計功能，通過3 取2 邏輯塊，當GHE403MN、404MN、405MN 中至少兩個液位達到了HH 定值（1010 mm）時，會觸發(fā)報警GHE007KA“真空油箱GHE001CW 液位高高”，同時自動停運真空泵GHE401PO/GHE402PO 中的運行泵。

2）真空油箱GHE001CW 液位高

該邏輯為新增邏輯，通過3 取2 邏輯塊，當GHE403MN、404MN、405MN 中至少兩個液位達到了H定值（950 mm）時，會觸發(fā)報警GHE107KA“真空油箱GHE001CW 液位高高”，提醒主控真空箱液位存在異常，需要進行檢查和干預。

3）真空油箱GHE001CW 液位低低

該邏輯取代了真空箱液位低開關GHE605SN 的原設計功能，通過3 取2 邏輯塊，當GHE403MN、404MN、405MN 中至少兩個液位達到了LL 定值（700mm）時，會觸發(fā)報警GHE006KA“真空油箱GHE001CW 液位低低”，同時自動停運主油泵GHE101PO。

4）真空油箱GHE001CW 液位低

該邏輯為新增邏輯，通過3 取2 邏輯塊，當GHE403MN、404MN、405MN 中至少兩個液位達到了L定值（800 mm）時，會觸發(fā)報警GHE106KA“真空油箱GHE001CW 液位低”，提醒主控真空箱液位存在異常，需要進行檢查和干預。

同時，每一個密封油箱液位GHE403MN、404MN、405MN 都啟用了質量位功能，設計了質量位自動退防與報警邏輯：當GHE403MN、404MN、405MN 其中1 個信號觸發(fā)了質量位后，該信號自動剔除，真空油箱GHE001CW液位高/ 低3 取2 跳泵邏輯自動退防為2 取2；當GHE403MN、404MN、405MN 其中2 個信號觸發(fā)了質量位后，這2 個信號自動剔除，真空油箱GHE001CW 液位高/低3 取2 跳泵邏輯自動退防為1 取1；當GHE403MN、404MN、405MN 其中3 個信號都觸發(fā)了質量位后，真空油箱GHE001CW 液位高/低3 取2 跳泵邏輯自動退防為不動作。另外，當GHE403MN、404MN、405MN 任意1 個信號觸發(fā)了質量位后，都會觸發(fā)GHE102KA“密封油箱油位傳感器故障”，提醒主控真空箱液位計存在故障，需要進行檢查和維修。

對于GHE 真空箱液位控制，分手動控制和自動控制兩種模式。

自動控制模式是機組正常運行時的主要控制模式，設計了單回路PID 控制邏輯，其基本原理是先在DCS 中通過1 個中選邏輯塊將GHE403MN、404MN、405MN 三者中的次高值作為實際液位值輸出，再通過PID 邏輯塊和主控操作員輸入的設定值進行比較，計算后輸出液位控制閥GHE001VH 的開度指令。當實際液位高于設定值時，將GHE001VH 關??；當實際液位低于設定值時，將GHE001VH 開大，保持實際液位在可控范圍之內，進而實現(xiàn)GHE 真空箱液位自動控制的功能。

圖3 GHE真空箱液位控制邏輯示意圖Fig.3 GHE,Schematic diagam of level control logic of empty tank

手動控制模式需要人為干預，該模式主要用于應對重大故障或異常工況，主控操作員可以隨時通過DCS 畫面將液位控制閥GHE001VH 切至手動控制模式，并輸入閥門目標開度指令直接控制GHE001VH 的開度，進而實現(xiàn)GHE 真空箱液位手動控制的功能。

4 數(shù)字化改造后GHE真空箱液位控制系統(tǒng)的優(yōu)勢

GHE 真空箱液位控制系統(tǒng)完成數(shù)字化改造后，和原設計相比優(yōu)勢明顯，主要包括以下幾點：

4.1 GHE真空箱液位具備DCS手/自動控制功能

新增的智能閥門定位器有遠傳功能，主控可以監(jiān)視GHE001VH 的指令、反饋信號，接入DCS 后，能夠實現(xiàn)DCS 手/自動控制功能。機組正常運行時，GHE 真空箱液位由DCS 自動控制；故障或異常工況下，主控可以直接干預，切至手動控制。

4.2 GHE真空箱液位具備遠傳功能，且提升了可靠性和冗余性

新增的3 個雷達液位計GHE403MN、404MN、405MN有遠傳功能，讀數(shù)可精確至0.1 mm，主控可以實時監(jiān)視密封油箱液位。雷達液位計取代了原液位開關GHE505SN、605SN 后，通過3 取2 控制邏輯、質量位邏輯參與跳泵，單個設備故障對控制系統(tǒng)不會造成明顯擾動，可靠性和冗余性大幅提升。

圖4 GHE真空箱液位階躍試驗歷史趨勢圖Fig.4 GHE,Historical trend chart of liquid level step test of empty tank

4.3 GHE真空箱液位控制性能提升

GHE 真空箱液位控制系統(tǒng)通過DCS 實現(xiàn)PID 控制后，實際液位波動范圍不超過10 mm，遠低于改造前的300 mm；同時，抗擾動能力明顯增強，當GHE 真空箱液位存在大幅波動時，實際液位波動呈衰減振蕩趨勢，可在兩個振蕩周期內將液位重新控制到穩(wěn)定范圍內。

5 結語

在核電行業(yè)數(shù)字化發(fā)展的大趨勢下，運用數(shù)字化技術提升系統(tǒng)設備的可靠性已經成為一種有效的解決方案。方家山核電廠GHE 真空箱液位控制系統(tǒng)的數(shù)字化改造項目中，在維持工藝系統(tǒng)功能不變的前提下，通過數(shù)字化技術，實現(xiàn)了遠程控制和監(jiān)視、手自動控制，及控制性能提升的目標，且未影響真空箱、閥門、油泵、真空泵等本體設備。該項目已在方家山核電廠1、2 號機組完成工程應用，系統(tǒng)運行業(yè)績良好，控制系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性、冗余性明顯提升，并增強了控制系統(tǒng)抵御單個設備故障的能力，為存在同類問題的設備開展數(shù)字化改造工作提供了經驗。

從長遠看，數(shù)字化核電廠的設備可靠性還有進一步提升的空間，推動數(shù)字化技術更深層次的應用是創(chuàng)造數(shù)字化核電廠一流運行業(yè)績的必經之路。