DCS在核岛消防系统的应用及控制优化.pdf

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1、DCS 在核岛消防系统的应用及控制优化 马斌;杨子华;臧维乔;王熙;杜从波【摘 要】The distributed control system(DCS)used more and more widely in the domestic new power plant.Fangjiashan and Fuqing nuclear power project choose mature two generation plus M310 type,and for the first time in China use the Invensyss DCS platform in the unit.T

2、he new DCS control system has brought new problems.During the commissioning of Fangjiashan nuclear power project,the author found that the nuclear island fire protection system has the possibility of“failure of operate”,the defect cannot timely start nuclear island fire protection equipment in case

3、of fire,and caused immeasurable losses on unit.Through the change of DCS control cabinet hardware,the author solved the problems.This solution has reference significance for the same power plant;at the same time,the author also suggested that the current between DCS and local devices are considered

4、in the early design of power plant,to ensure the system in normal control.%全厂数字化控制系统（DCS）在国内新建电站的应用越来越广泛。方家山和福清核电工程选用成熟的“二代加”技术 M310 堆型，并采用了 Invensys 公司的 DCS 平台参与机组的控制。该 DCS 平台是国内核电机组的首次应用，新的 DCS 控制系统带来了新问题。在方家山核电工程调试期间，发现核岛消防系统有“拒动”的可能性。该缺陷可能在火灾情况下无法及时启动核岛消防设备，并对机组造成不可估量的损失。通过对DCS 控制柜的硬件变更，解决了该隐患。此

5、类解决方案对同类电站具有参考意义。同时，也建议在电站设计初期考虑 DCS 与就地设备的额定电流匹配问题，保证电站各系统在正常可控状态。【期刊名称】仪器仪表用户【年(卷),期】2017(034)001【总页数】4 页(P87-90)【关键词】DCS;核岛消防;控制优化【作 者】马斌;杨子华;臧维乔;王熙;杜从波【作者单位】中核核电运行管理有限公司，浙江 海盐 314300;中核核电运行管理有限公司，浙江 海盐 314300;中核核电运行管理有限公司，浙江 海盐 314300;中核核电运行管理有限公司，浙江 海盐 314300;中核核电运行管理有限公司，浙江 海盐 314300【正文语种】中 文

6、国内核电站的发展历程已超 30 年，防止核事故的发生，即核安全问题是核电站建设和运行过程中的重点。核电运行经验表明，消防安全亦有可能引起核安全问题。根据来自美国、法国和俄罗斯等国的统计，核电厂发生火灾的概率为28%，火灾引起核安全相关系统事故的概率为44%，在核电站运行的任何工况下，都必须保证核安全功能不会因火灾而丧失或削弱1。尤其在 2011 年福岛核事故后，消防系统在核电站正成为愈来愈重要的关键性设备，消防工作也对核电厂的安全运行有着极其重要的作用。核安全法规 HAF102核动力厂设计安全规定1.1.2 中提出了设计核动力厂对防火安全的要求，核安全导则 HAD102/11核电厂防火对满足上

7、述要求进行了指导。在 HAF102 中，制定了核动力厂运行防火安全的要求。秦山核电厂扩建项目（方家山核电工程）采用防火分区的概念设计火灾报警和消防系统，并通过全厂数字化控制系统（DCS）完成报警和控制相应，满足法规的要求。方家山核电工程设计建造 2 台百万千瓦级三环路压水堆核电站。电站采用“二代加改进技术，以广东岭澳一期为参考电站并适当改进”的技术路线，根据国内外核电厂的运行经验，对系统设备进行了多项设计改进，并采用了先进的全厂数字化控制系统 DCS，提高了自动化控制水平和可操作性。方家山核电工程 DCS 划分为两层：实现操作与监视的 2 层（L2）和实现控制方案的 1 层(L1)2，其中 1

8、E 级 DCS L1采用了美国 Invensys 的 TRICON 平台、NC/NC+级 DCS L1 采用了该公司的 I/A Series 平台，L2 的显示及控制采用ATOS 公司的 ADACS-N 平台（以下简称 KIC 系统）。方家山核岛消防系统（JPI）的控制和逻辑报警由 NC+级 DCS 完成。JPI 系统是为了扑灭在核岛内可能发生的火灾而设立的，该系统涉及的区域包括：反应堆厂房、核燃料厂房、核辅助厂房和连接厂房。JPI 系统是与安全有关的系统，参与安全防火验证，故 JPI 系统在设备制造、安装和运行过程中满足 Q3 的质保等级要求。同时，JPI 通过纵深防御设计保证火灾不会影响电

9、站安全停堆功能的执行，并保证在火灾时将放射性物质释放到环境中去的可能性及对人员的危险性降至最低，并减少由于火灾带来的财产损失3。核电厂反应堆冷却剂泵（主泵）和上充泵因其功率大和自带润滑油系统的特点，成为 JPI 系统重点考虑的消防对象。方家山核电工程每个机组各有 3 台主泵和 3 台上冲泵，当发生火灾时对其消防响应采用 2 个阶段执行。第 1 阶段采用水喷雾系统进行灭火，该系统通过 1 个除盐水箱进行供水，除盐水箱通过 CO2 来加压，系统平均喷水强度能达到 15L/min/m2，水喷雾时间可持续 3min。该系统启动可由主控室远距离操作、火灾报警系统（JDT）模拟盘操作或在就地启动释放阀实现

10、。水喷雾系统启动后，CO2 经过减压孔板使水箱得到 0.80MPa 的绝对压力，通过喷嘴提供满意的水喷雾。如果第 1 阶段灭火失败，则消防水分配系统（JPD）的除盐水作为水源进行第 2 阶段消防。该阶段需派人员打开管道上的常闭阀门进行消防供水。电站针对每台主泵和上冲泵的消防均设置一套 CO2 加压装置，消防时给除盐水箱加压。加压装置主要包括：1 个能保证喷水强度、喷水压力和喷水时间的 CO2 气瓶；1 个可远程和就地控制的 CO2 释放装置；1 个泄露控制器；1 个爆破膜；1 个流量控制器；1 个将 CO2 从 17.1MPa（表压）减压到 0.7MPa（表压）的减压孔板。流程图如图 1 所示

11、。流量控制器主要作用是探测 CO2 释放时的流量，当 CO2 加压装置开启后，爆破膜片破裂，CO2 气体不断地向消防水箱供气。此时，CO2 流量控制器发出动作信号反馈至 DCS。泄露控制器用于日常检测 CO2 加压装置的泄露情况，当泄露压力达到泄露控制器的设定值（0.2MPa）时，能发出泄露报警信号，表示 CO2 的储存钢瓶的气体已泄露，此时爆破膜可防止泄露的 CO2 气体进入消防水箱引起的系统误动作。如图 2 所示，CO2 加压装置设计了 1 套曲柄连杆机构，一边连接 CO2 释放阀，另一边为平衡重块，电启动器可由远程和就地控制（图 3），当远程启动时，电启动器得电 48V，电磁铁产生吸力使

12、分离杆动作，平衡重块下落，CO2 释放阀打开，除盐水在 CO2 的压力下开始喷淋。电启动器可由手动操作杆就地控制，也可在主控室火灾 JDT 模拟盘上远程控制。远程控制通过 DCS 逻辑实现，电启动器为抗震型，设计电压 48V，额定动作电流3.1A。以一号主泵消防为例，逻辑图如图 4 所示。方家山 NC+级 DCS 选用 INVENSYS 公司的 I/A Series 平台，如图 5 所示，开命令的下发通过 FBM242 实现。FBM242 是 DCS 中的通道隔离离散量输出接口模块，该模块具有 16 个输出通道，由外部供电，通道之间完全隔离，每个通道提供2A/60Vdc 的触点。该模块外壳为压

13、制铝，为电子线路提供物理保护，并能在 ISA 标准 S71.04 定义的恶劣环境下正常运行。FBM242 每个通道额定最大电流为 2A，而消防装置的启动电流要求 3.1A，从设备的物理特性来看，DCS 的硬件配置满足不了正常运行的要求，消防系统过高的运行电流可能导致保险丝熔断或 FBM242 故障，消防系统亦有拒动的可能性。如果机组出现极端的火灾情况，消防系统的拒动对核电站造成的损失将不可估量。针对 DCS 卡件无法满足就地消防设备启动电流高的要求，技术人员提出了变更，变更法案是在 DCS 机柜增加硬件，以满足现场设备的要求。变更具体方法为增加中间继电器，继电器触点满足高电流的要求，并增加端子

14、排、适当改变 DCS 内部接线，用来达到控制就地消防设备的目的。以 JPI040VG 为例，增加 ABB 的 AL9-30-10 的继电器参与控制，该继电器带三副常开触点，额定电流为 9A，高于现场 3.1A 的运行电流要求，继电器图例如图 6所示。在 DCS 原设计中，核岛消防系统 CO2 加压装置控制电路接线方式如图 7 所示，01P 端子常接 48 V+,当软件逻辑判断出消防需动作时，FBM242 光耦动作，接线端子的 01P 和 01+短接，48V 供电至现场，消防系统启动器动作使除盐水正常喷淋。在 DCS 硬件变更后，卡件 FBM242 改为控制继电器线圈的得失电状态，至现场的48V

15、 控制电源改为通过继电器触点送出。变更后的接线如图7 所示。现场通过该方案的变更，FBM242 在动作时通过的电流降低，并小于卡件允许最大电流值。通过核岛消防系统试验执行，就地消防设备能按照操作人员的要求及时响应并正常动作。因方家山核电工程采用了新的 DCS 平台参与机组的控制，新应用带来的问题在M310 堆型的参考电站无借鉴经验。方家山核电工程在 DCS 的设计中，技术规格书未对卡件的额定电流大小作明确的规定。在现场实际调试和运行中，DCS 开关量输出卡件额定最大电流须大于就地设备的额定电流是当做经验来普及和应用的。但设备额定电流值在核电站运行中是一个非常重要的技术指标，需电站人员重点关注。

16、笔者在对方家山核岛消防系统调试中遇到的问题进行了总结，并通过增加中间继电器的方法解决了 DCS 卡件额定最大电流无法满足要求的问题。该方案解决了核岛消防系统拒动的问题，符合设备正常运行的客观规律，可对其它电站的同类问题提供参考方法。目前国内新建电站以三代技术为主，DCS 在新建电站中正扮演愈来愈重要的角色。在新建核电站时，笔者建议在DCS 的设计初期增加就地设备额定电流的计算和统计工作，以防止DCS 卡件额定电流偏小而使就地设备“拒动”的问题出现。【相关文献】1王威核电厂的消防管理J电力安全技术，2012（11）2中国核电工程有限公司秦山核电厂扩建项目（方家山核电工程）全厂 DCS 设备技术规格书Z 3中国核电工程有限公司秦山核电厂扩建项目（方家山核电工程）核岛消防系统手册Z