CPR1000核電廠邏輯圖與模擬圖設(shè)計(jì)研究
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陳衛(wèi)華 呂愛國 黃偉軍
（深圳中廣核工程設(shè)計(jì)有限公司，廣東深圳518172）
摘要：針對(duì)CPR1000核電機(jī)組沒有成熟的邏輯圖與模擬圖設(shè)計(jì)規(guī)則這一問題，在研究SAMA圖與梯形圖的基礎(chǔ)上，結(jié)合系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提出了一套適用于CPR1000機(jī)組的儀控設(shè)計(jì)制圖規(guī)則。以閉路冷卻水系統(tǒng)為例，通過分析工藝需求、設(shè)計(jì)原則，確定了相關(guān)設(shè)備的控制邏輯；結(jié)合設(shè)計(jì)流程，最終形成了工藝系統(tǒng)的邏輯圖與模擬圖。整個(gè)制圖過程驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)規(guī)則的可行性，對(duì)今后同類機(jī)組的儀控設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。
關(guān)鍵詞：CPR1000儀控系統(tǒng)閉路冷卻水系統(tǒng)DCS邏輯圖模擬圖工程組態(tài)圖梯形圖
中圖分類號(hào)：TH - 39；TP273DOI:10. 16086/j．cnki. issn 1000 - 0380. 201606024
0引言
目前，國內(nèi)外設(shè)計(jì)院對(duì)于儀控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，已有成熟的SAMA圖或者梯形圖，其中最典型的有時(shí)序圖、梯形圖、功能圖等設(shè)計(jì)，國內(nèi)各大設(shè)計(jì)院現(xiàn)在仍然使用這些方法。由于CPR1000核電機(jī)組在國內(nèi)設(shè)計(jì)起步較晚，對(duì)于儀控系統(tǒng)設(shè)計(jì)在邏輯、順控等方面的制圖方法尚沒有成熟的規(guī)則可以遵循。本文在研究SAMA圖與梯形圖的基礎(chǔ)上，結(jié)合工作中的閉式冷卻水系統(tǒng)(syst6me d'eau de refroidissement ferm6，SRI)設(shè)計(jì)，形成了一套適用于CPR1000機(jī)組的儀控設(shè)計(jì)制圖規(guī)則。
本文以閉路冷卻水系統(tǒng)為例，通過分析工藝需求、設(shè)計(jì)原則，確定了相關(guān)設(shè)備的控制邏輯；結(jié)合設(shè)計(jì)流程，最終形成了工藝系統(tǒng)的邏輯圖。整個(gè)制圖過程驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)規(guī)則的可行性，對(duì)今后同類機(jī)組的儀控設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。
1 LD/AD的內(nèi)容與用途
①邏輯圖(logic diagram，LD)是一種用符號(hào)形式表示某一系統(tǒng)或者設(shè)備的儀表控制邏輯示意圖，是設(shè)計(jì)者邏輯思維的一種書面表達(dá)形式。它主要用于控制器、傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的邏輯功能和對(duì)有關(guān)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的邏輯處理（報(bào)警、指示器、通斷數(shù)據(jù)、計(jì)算機(jī)等），以及與其他系統(tǒng)交換的邏輯信號(hào)。
②模擬圖（analogic diagram，AD）是一種用符號(hào)形式表示一個(gè)系統(tǒng)的測(cè)量和控制通道的示意圖，是設(shè)計(jì)者模擬思維的一種書面表達(dá)形式。它主要用于系統(tǒng)控制和測(cè)量通道的過程，包括通道的所有能動(dòng)部件（傳感器、繼電器、開關(guān)、轉(zhuǎn)換器、模塊、加法器、調(diào)節(jié)器等），同時(shí)還顯示初始模擬信號(hào)的處理過程以及這些信號(hào)在監(jiān)視系統(tǒng)運(yùn)行和控制過程中的應(yīng)用。
1.1 LD/AD的主要內(nèi)容
LD以邏輯命令的形式，即用通／斷信號(hào)(狀態(tài)1/0)來描述運(yùn)行過程。邏輯圖中需提供通／斷信號(hào)的傳感器和操作員使用的控制器（開關(guān)、按鈕、操作鍵、手動(dòng)操作器等）。由傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制器等發(fā)出的通／斷信號(hào)以及這些裝置共同發(fā)出的信號(hào)組成控制邏輯。這些邏輯主要包括：許可功能、閉鎖功能、保護(hù)功能、控制開關(guān)功能、記憶功能、受控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)、操作員使用的通／斷信息（報(bào)警、指示、計(jì)算機(jī)輸入等）、與其他系統(tǒng)的接口邏輯數(shù)據(jù)。
AD以模擬量的形式描述通道中的所有部件。模擬圖中需提供模擬傳感器（熱電偶、熱電阻、流量／液位傳感器、壓力表等）、接口卡（用于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換）、計(jì)算和控制模塊（PID調(diào)節(jié)器、開方器、加法器、動(dòng)態(tài)模塊、記憶模塊等）、控制裝置／自動(dòng)／手動(dòng)操作站／定值站、指示器／記錄議、計(jì)算機(jī)輸入、電動(dòng)氣動(dòng)轉(zhuǎn)換器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)、與其他系統(tǒng)的接口模擬數(shù)據(jù)等。
1.2LD/AD的主要用途
LD主要用于描述系統(tǒng)內(nèi)執(zhí)行機(jī)構(gòu)在控制、監(jiān)測(cè)、保護(hù)方面的邏輯動(dòng)作，以及所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)（這些數(shù)據(jù)構(gòu)成系統(tǒng)控制的邏輯部分）。其詳細(xì)描述不同系統(tǒng)之間的信息交換（用于確定接口），繪制電氣示意圖，制定運(yùn)行程序，并在發(fā)生故障時(shí)確定故障原因。
AD主要用于描述與系統(tǒng)控制和保護(hù)有關(guān)的模擬動(dòng)作及產(chǎn)生的信息（該信息構(gòu)成系統(tǒng)控制中的模擬部分）。其詳細(xì)描述不同系統(tǒng)之間的信息交換（用于確定接口），制定運(yùn)行程序，并在發(fā)生故障時(shí)確定故障原因。
2 LD/AD設(shè)計(jì)中關(guān)注的問題和原則
2.1設(shè)計(jì)中關(guān)注的問題
2.1.1設(shè)計(jì)中關(guān)注的基本問題
設(shè)計(jì)是將許多部件通過一定的邏輯關(guān)系有機(jī)地組合在一起，從而形成一個(gè)系統(tǒng)；該系統(tǒng)可大可小，與系統(tǒng)的具體功能有關(guān)。在進(jìn)行設(shè)計(jì)之前，須明確系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能以及希望達(dá)到的目的、系統(tǒng)的工藝流程、系統(tǒng)中各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的作用、各執(zhí)行機(jī)構(gòu)如何協(xié)調(diào)運(yùn)行以實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的功能、本系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的接口等。
根據(jù)LD/AD的主要內(nèi)容，系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程基本應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面。
①設(shè)計(jì)基準(zhǔn)：主要描述系統(tǒng)設(shè)計(jì)的初始條件，即系統(tǒng)初始狀態(tài)的參數(shù)，如功率、壓力、流量、液位、溫度、系列、標(biāo)高等。
②設(shè)備設(shè)計(jì)：確定系統(tǒng)中的設(shè)備組成，系統(tǒng)的基本工藝流程等。
③材料選擇：確定系統(tǒng)中構(gòu)筑物和主要設(shè)備（泵、容器、閥門、管道、熱交換器）材料等。
④設(shè)備說明：包括工藝流程圖，與其他系統(tǒng)的接口，主要設(shè)備在系統(tǒng)中的功能與特性，相關(guān)儀表、管系、閥門以及系統(tǒng)布置等。
⑤運(yùn)行參數(shù)：包括正常運(yùn)行（運(yùn)行中相關(guān)參數(shù)、報(bào)警監(jiān)視等）、特殊穩(wěn)態(tài)運(yùn)行、特殊瞬態(tài)運(yùn)行、啟動(dòng)和正常停運(yùn)，控制原則（儀控系統(tǒng)如何實(shí)現(xiàn)控制功能）等。
⑥運(yùn)行控制原則：對(duì)運(yùn)行參數(shù)中的控制原則進(jìn)行詳細(xì)的區(qū)劃。
2.2.2設(shè)計(jì)中的核安全考慮
對(duì)于核電站的設(shè)計(jì)，除了常規(guī)考慮外，還需要考慮核安全。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，當(dāng)涉及到核島部分時(shí)，要特別考慮是否會(huì)影響到核安全。因此，須主要考慮以下幾個(gè)方面：①監(jiān)測(cè)反應(yīng)堆運(yùn)行的特征參數(shù)是否達(dá)到限值；②識(shí)別保護(hù)參數(shù)的狀態(tài)，決定是否須采用保護(hù)動(dòng)作、采用何種保護(hù)動(dòng)作；③按照順序要求，發(fā)出所有需要的安全動(dòng)作（停止控制棒動(dòng)作、停堆、工程安全設(shè)施動(dòng)作）。
2.2須遵循的設(shè)計(jì)原則
根據(jù)CPR1000核電站的設(shè)計(jì)理念，設(shè)計(jì)必須遵循以下原則。
①系統(tǒng)保護(hù)原則。系統(tǒng)保護(hù)原則是指整個(gè)設(shè)計(jì)中以系統(tǒng)保護(hù)為目的所進(jìn)行的總保護(hù)。如當(dāng)汽輪機(jī)疏水箱水位高時(shí)，保護(hù)的不是水箱，而是整個(gè)汽輪機(jī)系統(tǒng)；這時(shí)候須發(fā)出停機(jī)保護(hù)信號(hào)。
②設(shè)備保護(hù)原則。相對(duì)于系統(tǒng)保護(hù)，設(shè)備保護(hù)原則的層次要低一些。它起到的保護(hù)作用是局部的。如對(duì)于SRI101PO，當(dāng)高位水箱水位低時(shí)，禁止泵啟動(dòng)。該保護(hù)可以防止泵空轉(zhuǎn)，對(duì)于泵而言是一種設(shè)備保護(hù)。
③過程保護(hù)原則。過程保護(hù)原則是系統(tǒng)在運(yùn)行過程中所進(jìn)行的一種保護(hù)。如在機(jī)組運(yùn)行過程中，當(dāng)某參數(shù)逐漸接近其設(shè)定值時(shí)，便會(huì)發(fā)出保護(hù)信號(hào)。該保護(hù)可以作為前兩種保護(hù)的結(jié)合。
④順序保護(hù)原則。順序保護(hù)原則是在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中所進(jìn)行的綜合考慮。如對(duì)于泵的啟動(dòng)控制，只有泵的上下游隔離閥都開啟，然后管道內(nèi)充水．才允許泵啟動(dòng)；又如汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)前預(yù)檢，只有相關(guān)信號(hào)都通過時(shí)，才允許沖轉(zhuǎn)。所有這些具有前后邏輯關(guān)系的保護(hù)，屬于順序保護(hù)。對(duì)于順序控制，可以自動(dòng)啟動(dòng)或由操作人員啟動(dòng)。當(dāng)順序控制設(shè)備完好時(shí)，被控制的單體設(shè)備不能手動(dòng)操作；反之，可以單體操作（切換方式是由監(jiān)視裝置自動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，而不是操作人員通過手動(dòng)／自動(dòng)切換開關(guān)實(shí)現(xiàn)）。
以上原則是獨(dú)立的，適用于任何時(shí)間。如果出現(xiàn)故障，設(shè)計(jì)上應(yīng)使保護(hù)系統(tǒng)處于安全位置，且排在前面的保護(hù)優(yōu)先進(jìn)行。
對(duì)于設(shè)計(jì)的原則，如果針對(duì)某一具體設(shè)計(jì)，有時(shí)候并不能完全分清屬于哪一種保護(hù)，各種保護(hù)會(huì)結(jié)合到一起，共同參與系統(tǒng)保護(hù)。
3設(shè)計(jì)過程
確定設(shè)計(jì)原則后，根據(jù)既定的流程，便可以進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)。
3.1設(shè)計(jì)準(zhǔn)備
(1)制訂統(tǒng)一的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（已有通用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范除外）。①優(yōu)先權(quán)的劃分及實(shí)施方法；②不同安全級(jí)之間的隔離措施，同一安全級(jí)中不同級(jí)設(shè)備之間的隔離要求；③冗余回路的配置原則是除去TRAIN A/B的冗余要求，明確每一列的冗余配置要求；④控制室操作及顯示方式要求；⑤去BUP的信號(hào)如何表示；⑥設(shè)計(jì)制圖規(guī)定，包括LD/AD圖框、線型、文字描述、功能圖塊、圖符定義等。
(2)確定與工藝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)接口。①在大件設(shè)備上的儀控設(shè)備測(cè)點(diǎn)要求；②執(zhí)行部件的可控性要求，例如電動(dòng)門應(yīng)具備遙控／就地切換、開／關(guān)操作、控制電源、終端／行程開關(guān)、故障報(bào)警信號(hào)等；③電磁閥的控制電壓盡量統(tǒng)一；④氣動(dòng)隔膜閥帶開／閉終端開關(guān)；⑤其他控制要求。
在LD/AD的初期階段，應(yīng)對(duì)工藝專業(yè)提出上述要求，并要求將其寫入相關(guān)設(shè)備的規(guī)格書中，以防在后續(xù)使用中發(fā)生儀控與工藝設(shè)備不匹配。
(3)了解儀控專業(yè)自選設(shè)備的性能。①DCS的性能介紹，并提出進(jìn)行LD/AD時(shí)應(yīng)注意的問題；②儀控設(shè)備選型；③非標(biāo)準(zhǔn)儀控設(shè)備的生產(chǎn)落實(shí)。
3.2設(shè)計(jì)過程
(1)工藝系統(tǒng)確定。該階段需要以下設(shè)計(jì)輸入：①運(yùn)行參數(shù)；②設(shè)備清單；③工藝流程圖；④功能安全分級(jí)；⑤儀控總體結(jié)構(gòu)；⑥設(shè)計(jì)變更。
本階段需確定與其他系統(tǒng)的接口，自動(dòng)順序控制以及相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。初步設(shè)計(jì)流程圖如圖1所示。
(2)繪制LD/AD。對(duì)于有參考電站的LD/AD，首先須與參考電站進(jìn)行比較；如果沒有參考電站，則該步驟可以省略。繪制LD/AD，須進(jìn)行以下檢查：①系統(tǒng)手冊(cè)中的設(shè)計(jì)原則與繪制的LD/AD前后是否一致，這些原則涉及系統(tǒng)保護(hù)、設(shè)備保護(hù)、過程保護(hù)、自動(dòng)保護(hù)等，如果不一致，則須通過修改，保證前后的連貫性；號(hào)的冗余回路進(jìn)行檢查；③對(duì)信號(hào)的隔離進(jìn)行檢查；④對(duì)驅(qū)動(dòng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)模塊的合理性進(jìn)行檢查。
其他方面的檢查，包括確定手動(dòng)禁止信號(hào)、檢查一致性：執(zhí)行機(jī)構(gòu)／探頭與電廠顯示單元的一致性、LD/AD與電廠顯示單元的一致性、LD/AD與后備盤清單的一致性、LD/AD與報(bào)警單元的一致性、系統(tǒng)接口的一致性、所需的命令與信號(hào)、系統(tǒng)控制邊界、系統(tǒng)物理對(duì)稱性（如常規(guī)島閉路冷卻水系統(tǒng)SRI101PO泵的控制可以復(fù)制到SRI102PO泵）等。
本階段完成后，通過相應(yīng)的檢查，即可以完成LD/AD。LD/AD的設(shè)計(jì)流程圖如圖2所示。
(3)編制顯示與報(bào)警手冊(cè)，并且要確保命令與信號(hào)的一致性。此部分作為L(zhǎng)D/AD的后續(xù)章節(jié)，在此不作深入討論。
4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例
常規(guī)島閉路冷卻水系統(tǒng)( SRI)按照汽輪發(fā)電機(jī)連續(xù)輸出為984 MW的條件設(shè)計(jì)，能排出21 MW的熱量。SRI的設(shè)計(jì)壓力和溫度分別為0.6 M Pa和85℃。
除鹽水由3臺(tái)50%的臥式泵中的2臺(tái)進(jìn)行循環(huán)，余下的1臺(tái)為備用。每臺(tái)SRI冷卻器的進(jìn)口和出口管線設(shè)置手動(dòng)隔離閥，能使該臺(tái)冷卻器隔離。冷卻介質(zhì)來自海水。經(jīng)過冷卻的水通過1根母管并聯(lián)分配到各輔助冷卻器以及泵／電機(jī)的軸承，進(jìn)行相應(yīng)冷卻。所有的冷卻水最后聚集到泵的吸人口，通過泵打人冷卻器，構(gòu)成一個(gè)閉式循環(huán)。該系統(tǒng)有一臺(tái)高位水箱，可以使整個(gè)系統(tǒng)保持正的壓頭。
當(dāng)運(yùn)行中的任一臺(tái)泵發(fā)生故障時(shí)，備用泵自動(dòng)啟動(dòng)。
為使泵SRI101/201/301PO維持在最佳的工作點(diǎn)運(yùn)行，設(shè)計(jì)一臺(tái)旁路閥SRI060VD。通過調(diào)節(jié)該閥的開度，保證泵的出口流量恒定。系統(tǒng)流程圖如圖3所示。
從圖3可以清楚地看出整個(gè)系統(tǒng)中水的流向。當(dāng)一臺(tái)泵故障時(shí)，壓力可能會(huì)下降。為了保持整個(gè)回路的流量，在泵出口處設(shè)計(jì)一個(gè)壓力傳感器SRIOOISP．當(dāng)壓力下降時(shí)，備用泵會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)。
另外，系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了高位水箱水位報(bào)警、冷卻水溫度報(bào)警等常規(guī)功能。
控制方式1：旁路閥SRI060VD根據(jù)流量，使泵運(yùn)行在最佳工作點(diǎn)，如圖4所示。
從整個(gè)系統(tǒng)的工藝流程來看，為使泵在接近最佳效率點(diǎn)上運(yùn)行，設(shè)置輔助冷卻器的旁路閥SRI060VD。當(dāng)輔助冷卻器的流量需求減少，旁路閥開大時(shí)，旁路流量增大，流徑冷卻器的流量減小，保證了泵的出口流量保持不變。
控制方式2：由3臺(tái)泵實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制功能。
在該SRI系統(tǒng)中，正常運(yùn)行期間3臺(tái)泵不需要人為干預(yù)；在故障情況下，如果有一臺(tái)運(yùn)行中的泵故障，備用泵會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)。其實(shí)現(xiàn)邏輯圖如圖5所示。
從圖5中可以看出，SRI101PO自動(dòng)啟動(dòng)要具備以下條件。
① 冷卻水母管壓力未曾過低且過去的4s內(nèi)無停泵命令、SRI101PO沒有運(yùn)行，此時(shí)如果301PO運(yùn)行過程中出口壓力低，則自動(dòng)啟動(dòng)SRI101PO。
②當(dāng)冷卻水母管壓力未曾過低且過去的4s內(nèi)無停泵命令時(shí)，如運(yùn)行中的201PO與301PO中的任意一臺(tái)出現(xiàn)故障，則自動(dòng)啟動(dòng)SRI101PO。
根據(jù)條件①，要啟動(dòng)SRI101PO，首先要保證曾經(jīng)建立起冷卻水母管壓力；因?yàn)楸脛倖?dòng)時(shí)，壓力較低，因此一定要保證曾經(jīng)建立過壓力。另外，當(dāng)手動(dòng)發(fā)出停泵命令時(shí)，泵停運(yùn)，壓力也要相應(yīng)降低，此時(shí)不允許備用泵自動(dòng)啟動(dòng)。如果SRI101PO在運(yùn)行，則無須再啟動(dòng)，因此這里有一個(gè)啟動(dòng)檢查確認(rèn)的信號(hào)。
根據(jù)條件②，如果201/301PO均在運(yùn)行，任何一臺(tái)泵故障即啟動(dòng)101PO。其目的還是為了防止出口壓力低。
控制方式3：保證每次啟動(dòng)時(shí)，只有一臺(tái)泵在接收啟動(dòng)命令信號(hào)。實(shí)現(xiàn)邏輯圖如圖6所示。
從圖6可知：在正常運(yùn)行時(shí)，出口壓力不低，其出口壓力記憶輸出置“1”，此時(shí)無自動(dòng)啟泵命令信號(hào)。當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，出口壓力會(huì)下降，此時(shí)根據(jù)順序控制，會(huì)發(fā)出一個(gè)自動(dòng)啟動(dòng)泵的命令信號(hào)。此信號(hào)有2s的前延時(shí)，即2s過后，出口壓力記憶會(huì)復(fù)位置“0”，不允許泵再啟動(dòng)。2s的延時(shí)保證了泵不會(huì)頻繁多次啟動(dòng)。
控制方式4：保證壓力正常低時(shí)，備用泵不會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)。實(shí)現(xiàn)邏輯圖如圖7所示。
從圖7中可以看出，其中設(shè)置了一個(gè)4s的前延時(shí)，即過去的4s內(nèi)無手動(dòng)停泵信號(hào)。這樣就能保證在停機(jī)狀況下，當(dāng)冷卻水出口母管壓力低時(shí)，不會(huì)使備用泵誤啟動(dòng)。
5結(jié)束語
LD/AD是將所有工藝系統(tǒng)的控制要求、運(yùn)行原則、故障保護(hù)要求通過圖例形式實(shí)現(xiàn)的過程。對(duì)于一個(gè)核電站，LD/AD圖紙的總數(shù)在3 000張左右，如何保證LD/AD質(zhì)量，其設(shè)計(jì)原則與設(shè)計(jì)過程至關(guān)重要。本文總結(jié)出系統(tǒng)保護(hù)原則、設(shè)備保護(hù)原則、過程保護(hù)原則、順序保護(hù)原則，并通過實(shí)例驗(yàn)證了在設(shè)計(jì)過程中各保護(hù)原則的有效性。這些原則為設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)
LD/AD奠定了基礎(chǔ)。
從以上實(shí)例可以看出，閉路冷卻水系統(tǒng)雖然簡(jiǎn)單，但通過對(duì)泵的設(shè)計(jì)原則與設(shè)計(jì)過程的合理運(yùn)用，證明了設(shè)計(jì)原則與設(shè)計(jì)過程的有效性。在泵的控制邏輯中，實(shí)現(xiàn)了順序控制、設(shè)備保護(hù)等功能。
本文的系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則與設(shè)計(jì)過程并非針對(duì)單個(gè)的系統(tǒng)，對(duì)于核電站其他LD/AD的設(shè)計(jì)也具有指導(dǎo)意義。
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