核電設(shè)備國產(chǎn)化率的不斷提高是必然趨勢，根據(jù)國家核電中長期發(fā)展規(guī)劃，從2015-2020年(“十三五”)須完成8套百萬干瓦級(jí)機(jī)組設(shè)計(jì)和設(shè)備制造，國產(chǎn)化率達(dá)到60%；開工建設(shè)15套百萬千瓦級(jí)核電機(jī)組自主設(shè)計(jì)和設(shè)備制造，國產(chǎn)化率將達(dá)到80%。
作為核電主要配套設(shè)備之一的控制系統(tǒng)對核電的安全運(yùn)行起若重要作用。核電的控制分為核島和常規(guī)島兩部分，核島是指核電站安全殼內(nèi)的核反應(yīng)堆及與反應(yīng)堆有關(guān)的各個(gè)系統(tǒng)的統(tǒng)稱；常規(guī)島是指核電裝置中汽輪發(fā)電機(jī)組及其配套設(shè)施和它們所在廠房的總稱。常規(guī)島的主要功能是將核島產(chǎn)生的蒸汽的熱能轉(zhuǎn)換成汽輪機(jī)的機(jī)械能，再通過發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)變成電能。
目前國內(nèi)核電常規(guī)島的汽輪機(jī)島控制系統(tǒng)(TCS)領(lǐng)域中，仍然是國外品牌占領(lǐng)主要地位，例如西門子公司、ABB公司、西屋公司等等。國外的控制系統(tǒng)價(jià)格相當(dāng)昂貴，且在價(jià)格談判中非常強(qiáng)勢，嚴(yán)重制約了核電項(xiàng)目降本的需求。同時(shí)，在項(xiàng)目中采用進(jìn)口產(chǎn)品，控制及保護(hù)系統(tǒng)的技術(shù)要求如有變化，往往不能得到進(jìn)口系統(tǒng)廠商及時(shí)的響應(yīng)，嚴(yán)重影響項(xiàng)目的成功實(shí)施。
為了保持和增強(qiáng)上海電氣在核電領(lǐng)域的競爭力。確保核電項(xiàng)目的順利實(shí)施，我國必須適應(yīng)市場需求開發(fā)新產(chǎn)品，迎接新挑戰(zhàn)。上海電氣集團(tuán)上海自動(dòng)化儀表有限公司與上海電氣電站集團(tuán)上海汽輪機(jī)廠緊密合作，研發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的百萬千瓦等級(jí)核電TCS系統(tǒng)，項(xiàng)目通過了上海市核電辦公室組織的新產(chǎn)品鑒定會(huì)，鑒定意見為“通過對百萬千瓦等級(jí)核電TCS系統(tǒng)的引進(jìn)、消化、吸收，采用國產(chǎn)硬件平臺(tái)研發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的、核電汽輪機(jī)組控制保護(hù)系統(tǒng)，包括汽輪機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)、汽輪機(jī)保護(hù)系統(tǒng)、汽輪發(fā)電機(jī)組輔助控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了真正的國產(chǎn)化。擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，填補(bǔ)了我國百萬千瓦等級(jí)核電TCS系統(tǒng)的空白。項(xiàng)目在國內(nèi)具有新穎性、總體達(dá)到國際先進(jìn)水平”。
目前，本百萬千瓦等級(jí)核電TCS系統(tǒng)已應(yīng)用于巴基斯坦卡拉奇K2百萬千瓦級(jí)核電項(xiàng)目，一舉打破國外系統(tǒng)的壟斷狀態(tài)，在核電汽輪機(jī)島控制系統(tǒng)領(lǐng)域中實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)控制系統(tǒng)的首臺(tái)突破！擁有該領(lǐng)域國產(chǎn)百萬千瓦等級(jí)核電TCS系統(tǒng)的唯一業(yè)績！并成功通過了上海市高端智能裝備首合突破和示范應(yīng)用項(xiàng)目的驗(yàn)收。
通過采用國產(chǎn)系統(tǒng)平臺(tái)開發(fā)適用于百萬等級(jí)核電汽輪機(jī)的控制及保護(hù)系統(tǒng)，可以幫助我國盡快實(shí)現(xiàn)核電汽輪機(jī)組控制及保護(hù)系統(tǒng)技術(shù)的全面國產(chǎn)化。并實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的多樣化，擺脫長期依賴進(jìn)口系統(tǒng)廠商的種種技術(shù)及貿(mào)易限制。同時(shí)，國產(chǎn)化百萬千瓦等級(jí)核電TCD系統(tǒng)從性能上完全可以替代進(jìn)口產(chǎn)品并擁有自己的特色，價(jià)格上更是不到進(jìn)口產(chǎn)品的一半！極具價(jià)格競爭力，便得本控制系統(tǒng)在核電領(lǐng)域具有廣闊的市場應(yīng)用前景。
百萬千瓦核電汽輪機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)原理圖
本系統(tǒng)硬件及軟件的先進(jìn)性已完全可以適應(yīng)核電汽輪機(jī)控制保護(hù)系統(tǒng)的技術(shù)要求，且其系統(tǒng)完全可以根據(jù)不同的控制及保護(hù)系統(tǒng)的技術(shù)要求及時(shí)進(jìn)行靈活的改進(jìn)及調(diào)整，確保項(xiàng)目的成功實(shí)施。
同時(shí)，采用國產(chǎn)化系統(tǒng)平臺(tái)也可適應(yīng)我國核電控制系統(tǒng)全面國產(chǎn)化的需要，今后在我國核電機(jī)組中國產(chǎn)DCS系統(tǒng)將占有越來越多的市場份額，作為其中最為重要部分之一的汽輪機(jī)控制保護(hù)系統(tǒng)，如能夠越來越多地采用自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的TCS系統(tǒng)來實(shí)施，不僅能夠豐富核電產(chǎn)品序列，提高國產(chǎn)產(chǎn)品內(nèi)配程度，增強(qiáng)國產(chǎn)品牌在核電領(lǐng)域的競爭優(yōu)勢，也能夠使我國掌握和升級(jí)核電關(guān)鍵設(shè)備設(shè)計(jì)、制造核心技術(shù)，對國家提升核電裝備國產(chǎn)化率戰(zhàn)略做出積極響應(yīng)。
在巴基斯坦卡拉奇K2項(xiàng)目中，核電TCS系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)監(jiān)視、操作、控制汽輪發(fā)電機(jī)組的正常啟動(dòng)、運(yùn)行、停機(jī)過程，保障汽輪發(fā)電機(jī)組的設(shè)備安全，記錄機(jī)組運(yùn)行參數(shù)以及分析查找故障原因等功能。主要內(nèi)容如下：
1、核電TCS系統(tǒng)硬件部分：
FASTIO系統(tǒng)部分由快速處理器(TCU)、多功能輸入輸出通道模塊(FastIO)、模擬量端子板、數(shù)字量端子板和其他配件構(gòu)成。完成對汽輪機(jī)閥門的控制。
◆TCU模塊主要技術(shù)指標(biāo)
主從處理器構(gòu)架
IO掃描周期最快1ms
可運(yùn)行模塊數(shù)：16000個(gè)模塊
冗余通訊方式：雙100Mbps以太網(wǎng)
冗余切換時(shí)間：小于2ms
FASTIO模塊通道：
4路4-20mA電流輸出通道
2路±50mA電流輸出通道
12數(shù)字信號(hào)輸入通道
8路數(shù)字信號(hào)輸出通道
1路脈沖信號(hào)輸大通道
◆SUPSIS保護(hù)系統(tǒng)是用來監(jiān)視汽輪發(fā)電機(jī)組的關(guān)鍵參數(shù)，當(dāng)超過限值時(shí)，發(fā)出遮斷報(bào)警信號(hào)，動(dòng)作電磁閥，關(guān)閉全部進(jìn)汽閥門。SUPSIS保護(hù)系統(tǒng)由1個(gè)主機(jī)箱和1個(gè)擴(kuò)展機(jī)箱組成。
◆系統(tǒng)有三個(gè)序列構(gòu)成，每個(gè)序列包括輸入模塊、控制模塊(MPU)、輸出模塊。控制模塊對三個(gè)序列的輸入、運(yùn)算結(jié)果、輸出都執(zhí)行2oo3表決。
2、核電TCS系統(tǒng)軟件部分
TCS系統(tǒng)軟件主要功能模塊包括包括轉(zhuǎn)速控制、超加速控制、負(fù)荷控制、快速降負(fù)荷、遠(yuǎn)方負(fù)荷控制、蒸汽流量限制、圧力限制、熱應(yīng)力控制、閥門管理以及自啟停順序控制等等。本系統(tǒng)接收來自汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)，通過主控制器對轉(zhuǎn)速信號(hào)和其他信號(hào)進(jìn)行邏輯判斷和運(yùn)算，通過調(diào)節(jié)模塊的電流輸出來控制汽輪機(jī)的閥門，達(dá)到百萬千瓦級(jí)核電汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速控制的要求。轉(zhuǎn)速、負(fù)荷控制過程，可以通過改變設(shè)定值方式進(jìn)行干預(yù)。系統(tǒng)中對閥門控制方面，具有PID參數(shù)整定功能。閥門死區(qū)補(bǔ)償參數(shù)設(shè)定。汽輪機(jī)的啟停機(jī)運(yùn)行，進(jìn)行手自動(dòng)無擾切換，保證汽輪機(jī)在額定負(fù)荷和最小負(fù)荷之間的任意負(fù)荷工況下保持穩(wěn)定運(yùn)行。并能夠在任何時(shí)刻全部甩負(fù)荷或甩負(fù)荷到廠用電的瞬態(tài)工況下，不會(huì)引發(fā)意外停機(jī)。
3、核電TCS系統(tǒng)通過FastIO模塊的轉(zhuǎn)速通道接收來自汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)，通過TCU控制器對轉(zhuǎn)速信號(hào)和其他信號(hào)進(jìn)行邏輯判斯和運(yùn)算，通過FastIO模塊的AO通道輸出來控制汽輪機(jī)的閥門，達(dá)到汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速控制的要求。
◆核電TCS系統(tǒng)性能指標(biāo)
轉(zhuǎn)速回路控制桔度：±1r/min；
負(fù)荷回路控制結(jié)度：±0.5%額定功率；
轉(zhuǎn)速變化到伺服卡/智能卡AO輸出變化時(shí)間小于30ms；
控制器的CPU魚荷率小于40%；
系統(tǒng)可利用率：≥99.99%；
內(nèi)部存儲(chǔ)器的占有容量不大于50%，外部存儲(chǔ)器的占有容量不大于40%。
◆關(guān)鍵技術(shù)和水平
①系統(tǒng)響應(yīng)快，從汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)住變化到對閥門控制輸出變化時(shí)間小于等于30ms；
②系統(tǒng)響應(yīng)快，從油動(dòng)機(jī)反饋發(fā)生變化到對閥門控制輸出變化時(shí)間小于等于5ms；
③系統(tǒng)具有冗余功能，包括網(wǎng)絡(luò)冗余、主控模塊冗余和調(diào)節(jié)模塊冗余；
④具有自校正功能，能自動(dòng)測量出油動(dòng)機(jī)的死區(qū)、零位和滿位；
⑤具有智能選擇功能，油動(dòng)機(jī)的3路反饋中采取的選擇方法為3選中，2路選擇靠近指令，1路或者3路都異常時(shí)，關(guān)閉閥門；
⑥具有PI的零轉(zhuǎn)速和短路判別功能，區(qū)分汽輪機(jī)信號(hào)正常接入時(shí)0脈沖、汽輪機(jī)信號(hào)未正常接入的功能。
⑦線圈斷線短路檢測；
