閥門在核電站應(yīng)用

【摘 要】本文主要描述在中國實驗快堆核島廠房通風(fēng)控制系統(tǒng)中，采用兩套冗余的系列隨著我國國民經(jīng)濟的持續(xù)快速發(fā)展，對我國能源行業(yè)提出了非常緊迫的要求。目前，從保證我國的能源安全、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、支持國民經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展等多方面迫切需要出發(fā)，我國已制訂立足于火電，大力發(fā)展水電，適度開發(fā)新型能源的政策，如核電和風(fēng)力發(fā)電等。我國核電的建設(shè)正從試驗性、補償性調(diào)整為向戰(zhàn)略性和進取性的發(fā)展。這對于我國的核電事業(yè)是一個*的發(fā)展機會，而核電站閥門的巨大需求則給國內(nèi)外閥門生產(chǎn)廠商帶來了廣闊的市場前景。

     2 核電行業(yè)的發(fā)展前景

     2.1 上核電發(fā)展現(xiàn)狀

    在世界范圍內(nèi)，核電已經(jīng)是成熟的技術(shù)。截止2002年底統(tǒng)計，*運行中的核電機組有441個，總裝機容量3.5~3.6億kW，約占供電量的16.1%。有17個國家核電占其本國總發(fā)電量1/4以上，如法國為77%，韓國38%，日本36%，英國28%，美國也達到了20%。但由于受美國三哩島核事故和前蘇聯(lián)切爾諾貝利災(zāi)難性核事故的影響，使核電建設(shè)在其安全性方面產(chǎn)生了理論上的爭論，并對其建設(shè)速度和規(guī)模帶來了一定的影響。例如，1970年， 核發(fā)電量在發(fā)電總量中僅占2%。到了1988年，這個份額急劇增長到16%。而這兩次事故后，到2002年，核電的發(fā)展一直停留在這個水平上。

    2.2 我國核電發(fā)展現(xiàn)狀

    自從1985年我國自行設(shè)計開發(fā)建造秦山一期300MW壓水堆以來，先后通過自行設(shè)計開發(fā)、引進等多種方式建造了秦山一期、大亞灣、秦山二期、秦山三期、嶺澳和田灣等6座核電站，總裝機容量達到870萬kW （表1）。

    2002年，秦山二期1號機組2月并網(wǎng)發(fā)電，廣東嶺澳核電站1號機組5月投入商業(yè)運行，秦山三期（重水堆）核電站1號機組也成功并網(wǎng)發(fā)電。在“九五"期間，我國開工建設(shè)的核電機組就有8套。預(yù)計這8套機組全部建成后，我國的核電裝機容量將達到900萬kW，約占全國總發(fā)電能力的2%，并形成浙江秦山、廣東大亞灣、江蘇田灣三大核電基地。

表1 我國現(xiàn)有核電站統(tǒng)計  

核電廠 堆型 / 容量 建設(shè)時間/年.月 投入運行時間/年.月

秦山一期 自主開發(fā)壓水堆 /300 MW 1985.03 1991.12

大亞灣 法馬通壓水堆 /2×900 MW 1987.08 1994.01 和 1994.06

秦山二期 自主開發(fā)壓水堆 /2×642 MW 1996.06 2002.02 和 2004.06

秦山三期 加拿大 CANDU6 重水堆 /2×728 MW 1998.06 2002.11 和 2003.07

嶺澳 法馬通壓水堆 /2×984 MW 1997.05 2002.05 和 2003.03

田灣 俄羅斯 VVER-1000 壓水堆 /2×1060 MW 1999.10 2004~2005

合計 運行210萬kW ，在建660萬kW ?？傆?70萬kW

    另外還計劃籌建下列4座核電站： （1）秦山核電一期：可擴建一至兩臺30萬kW 機組的核電站； （2）秦山核電二期：預(yù)留3、4號機組廠址已完成“四通一平"工作； （3）三門核電：規(guī)劃建設(shè)6臺百萬kW 級核電機組，目前，正積極爭取一期工程兩臺百萬kW 級新項目。 （4）田灣核電站：廠址規(guī)模按4臺百萬kW 級核電機組規(guī)劃，并留有再建2到4臺的余地。 由于核電站具有前期建設(shè)投資高的特點，作為發(fā)展中國家，發(fā)展核電站的主要困難在于技術(shù)儲備不足，特別是缺少建設(shè)資金。為了解決資金不足問題，我國核電站建設(shè)采取了多元化融資，結(jié)果造成核工業(yè)企業(yè)負債率過高，出現(xiàn)了多種核電站技術(shù)并存的局面。廣東大亞灣兩套機組采用法國技術(shù)和設(shè)備，秦山三期引進加拿大重水堆機組，江蘇連云港田灣核電站用的是俄羅斯VVER堆，就是這一特點的表現(xiàn)。從規(guī)模上看，我國發(fā)電裝機容量已達3.56億kW，居*2位。其中核電機組裝機容量僅占0.7%，核能在一次能源消費中僅占0.4%，遠低于世界16.1%的平均水平。目前核能在我國能源結(jié)構(gòu)中仍滯留在試驗性、補償性的地位，核電在總發(fā)電量中所占比重仍不過0.7%，在一次能源中所占比重則更是微不足道。從速度上看，我國20年建造了6座核電站，而法國在1979年1980年之間就投資開工了7座百萬kW 級核電站。

    3 核電閥門市場前景與分析

    3.1 市場需求

    一座有2套百萬kW級核電機組的核電站需各類閥門3萬臺，其中核島（NI）用閥門1.3萬臺，常規(guī)島（CI）用閥門1.3萬臺， 電站輔助設(shè)施（BOP）用閥門0.35萬臺（表2、表3、表4）。按每年有250萬kW核電機組開工計算，則每年核電閥門的需求在3.75萬臺。

    3.2 購置費用

表2 典型兩套百萬 kW 級機組規(guī)模壓水堆電站的閥門用電量

序號 壓水堆核電站組成 閥門配置比例 數(shù)量（萬臺）

1 核島（NI ） 43.5% 1.3

2 常規(guī)島（CI ） 45% 1.35

3 電站輔助設(shè)施（BOP ） 11.5% 0.35合計 3表3 核島（CI ）的閥門配置情況

序號 閥門類型 閥門配置比例 數(shù)量 （ 臺 ）

1 截止閥 33.6% 4368

2 隔膜閥 26.2% 3406

3 球閥 12.8% 1664

4 止回閥 7.2% 936

5 蝶閥 5.7% 741

6 閘閥 5.05 650

7 調(diào)節(jié)控制閥 3.5% 455

8 安全閥 2.5% 325

9 疏水閥 0.3% 39

10 減壓閥 0.2% 26

11 其他閥門 3% 390

【關(guān)鍵詞】冗余 雙服務(wù)器 數(shù)據(jù)同步 腳本 優(yōu)先級概述
1. 公司背景介紹
中國四聯(lián)儀器儀表集團有限公司以重慶川儀為核心組建，是一個集科研、生產(chǎn)制造、銷售、進出口貿(mào)易、投資為一體的國家計劃單列的大型企業(yè)集團。也是55家國家試點集團之一，現(xiàn)為國內(nèi)規(guī)模大、產(chǎn)品門類全、系統(tǒng)集成能力強的綜合性自動化儀表制造企業(yè)，榮獲中國電子信息 100 強、中國機械工業(yè)100 強、中國電氣工業(yè) 100 強、重慶工業(yè) 50 強。公司主要生產(chǎn)和經(jīng)營工業(yè)自動化控制系統(tǒng)及儀表、控制軟件、分析儀器及成套系統(tǒng)、樓宇自動化系統(tǒng)、電氣自動化系統(tǒng)、電子及儀表元器件、IT集成電路、功能材料、工藝工裝設(shè)備、汽車/摩托車零部件及汽車、光學(xué)儀器、環(huán)境試驗備、電腦加油機等十幾個大類產(chǎn)品，是經(jīng)重慶市科學(xué)技術(shù)委員會認定的企業(yè)。公司堅持“川儀在用戶身邊，用戶在川儀心中”的服務(wù)宗旨。依托遍布全國各主要城市的40多個經(jīng)營網(wǎng)點，以*產(chǎn)品竭誠為廣大用戶提供服務(wù)。“十五”期間，公司緊緊抓住宏觀經(jīng)濟增長和西部大開發(fā)
機遇，加快結(jié)構(gòu)調(diào)整和產(chǎn)業(yè)升級，技術(shù)創(chuàng)新成效顯著，營銷體系更加健全，經(jīng)營機制日趨靈活，管理水平不斷提高，公司經(jīng)營規(guī)模穩(wěn)居行業(yè)，企業(yè)綜合實力進一步增強。面向“十一五”，公司將以*儀器儀表研發(fā)與制造基地建設(shè)為契機，重點推進以新一代自動化控制系統(tǒng)及智能現(xiàn)場儀表、工程應(yīng)用軟件、系統(tǒng)集成為主體的研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化，繼續(xù)大力發(fā)展的科學(xué)儀器、微電子
器件、電子功能材料和具有競爭規(guī)模的汽車/摩托車零部件，在不斷鞏固和擴大電力、冶金、石化等傳統(tǒng)市場領(lǐng)域的同時，著力培育核電、城市軌道交通、汽車電子、生物醫(yī)療及環(huán)保分析儀器、運動控制設(shè)備及裝置等新的市場領(lǐng)域，努力把公司建成體制完備、運轉(zhuǎn)、技術(shù)、管理科學(xué)、文化、效益良好，具有競爭力和可持續(xù)發(fā)展能力的企業(yè)集團。
2. 項目背景介紹
中國原子能科學(xué)研究院創(chuàng)建于1950 年，是我國核科學(xué)技術(shù)的發(fā)祥地和先導(dǎo)性、基礎(chǔ)性、前瞻性的綜合研究基地。中國實驗快堆工程是由國家科技部、國防科工委及核工業(yè)集團公司出資興建，中國原子能科學(xué)研究院負責(zé)設(shè)計、建造和日后的運行。中國實驗快堆以鈉為冷卻劑，熱功率6.5萬千瓦，凈電功率2萬千瓦。采用一回路池式結(jié)構(gòu)和鈉 —— 鈉 ——水三回路傳熱系統(tǒng)，并設(shè)立非能動事故余熱排除系統(tǒng)。工程建筑面積達 4.4萬平方米。中國實驗快堆是由快中子引起原子核裂變鏈式反應(yīng)的反應(yīng)
堆。它是解決未來后續(xù)能源供應(yīng)可供選擇的堆型。“快堆的一個重要特點是，在消耗核燃料的同時，又產(chǎn)生多于消耗的核燃料，實現(xiàn)核燃料的增殖，所以又稱快中子增殖
反應(yīng)堆。”
在天然鈾中占 99％ 以上的鈾 —— 238 不能被充分利用，因此壓水堆的進一步發(fā)展將受到鈾資源的限制。發(fā)展快堆可將鈾資源的利用率從單一發(fā)展壓水堆的約 1％ 提高到60％ 至 70％。快堆電站在發(fā)電的同時可將鈾——238轉(zhuǎn)化成可裂變?nèi)剂项?——239，钚 —— 239又可為新的快堆核電站供初裝料。這樣周而復(fù)始，形成核燃料閉式循環(huán)體系，就能夠使核能大規(guī)模持續(xù)發(fā)展，免除燃料短缺的后顧之憂。
工藝描述
1. 基本功能
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檢測與控制功能總要求
根據(jù)項目工藝過程要求，所有檢測參數(shù)都送通風(fēng)控制室的計算機系統(tǒng)進行集中顯示、報警、控制、報表打印、數(shù)據(jù)記錄及趨勢曲線顯示，其中 PTL40、PTL70、PTL76、PUV01、PUV03等五個系統(tǒng)可以同時在主控制室顯示和報警。在主控制室對以上五個系統(tǒng)進行控制，優(yōu)先權(quán)高。多點控制時優(yōu)先權(quán)從高到底的排列是主控制室、通風(fēng)控制室。消防控制系統(tǒng)所控制的防火閥的狀態(tài)也在通風(fēng)控制室的計算機上顯示。
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夏季、冬季溫度調(diào)節(jié)功能夏季時控制系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)冷水閥門，將房間的溫度控制在合適的范圍內(nèi)；冬季時控制系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)熱水閥門，將房間溫度控制在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)。夏季冬季溫度控制的轉(zhuǎn)換為手動轉(zhuǎn)換。溫度設(shè)定值可以在線設(shè)定。只在冬季對房間溫度進行調(diào)節(jié)，夏季不調(diào)節(jié)溫度。溫度設(shè)定值可以在線設(shè)定。
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濕度控制功能在冬季里，當(dāng)房間內(nèi)濕度不滿足要求時，通過啟動/停止加濕泵的方法將房間內(nèi)的濕度控制在一定的范圍內(nèi)。
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閥門的控制與連鎖功能所有被控閥門均為電動閥門。在通風(fēng)控制室、主控制室的計算機可監(jiān)視閥門狀態(tài)，并對閥門進行遠距離控制。所有閥門根據(jù)工藝條件的要求實現(xiàn)連鎖功能。
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風(fēng)機的控制與連鎖功能所有風(fēng)機均有手動和遠程控制兩種控制方式，手動方式在電工種配電間進行，遠程控制方式在通風(fēng)控制室實現(xiàn)；部分風(fēng)機在主控制室也能控制。遠程控制方式可以實現(xiàn)遠程手動和自動控制功能，并且可以與相關(guān)閥門實現(xiàn)連鎖功能。在電工種配電間設(shè)有遠程和就地控制切換開關(guān)，在計算機上可以顯示該開關(guān)的狀態(tài)。當(dāng)運行風(fēng)機故障時，控制系統(tǒng)將切除故障風(fēng)機，同時關(guān)閉相應(yīng)的閥門；自動啟動備用風(fēng)機，同時打開相應(yīng)的閥門，并給出警告信號。
正常情況時，大功率風(fēng)機運行。當(dāng)廠房內(nèi)斷電時，切除大功率風(fēng)機，同時關(guān)閉相應(yīng)的閥門；自動啟用小功率風(fēng)機，同時打開相應(yīng)的閥門，并給出相應(yīng)的警告信號。當(dāng)運行機組的風(fēng)機故障時，控制系統(tǒng)將切除故障機組，同時關(guān)閉相應(yīng)的閥門；自動啟用備用機組，同時打開相應(yīng)的閥門，并給出相應(yīng)的警告信號。
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過濾器自動切換功能具有兩路過濾器的系統(tǒng)，當(dāng)運行的一路過濾器的壓差報警時，自動切除該路過濾器并關(guān)閉相應(yīng)的閥門，同時投入備用過濾器并打開相應(yīng)的閥門。
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新風(fēng)機組自動投入功能當(dāng)空調(diào)機組進風(fēng)口放射性劑量超標時，代有凈化功能的新風(fēng)機組將自動投入。
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電加熱器的控制與連鎖功能所有電加熱器都可以在計算機上實現(xiàn)手動和自動控制。運行條件滿足時，電加熱器自動投入或切除。所有電加熱器均為三段控制，當(dāng)溫度測量值低于設(shè)定值時，依次投入*段電加熱器、第二段電加熱器、第三段電加熱器；當(dāng)溫度測量高于設(shè)定值時，按相反順序切除電加熱器。電加熱器后溫度過高和風(fēng)道無風(fēng)時，電加熱器自動切除。
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與消防控制系統(tǒng)通信功能該功能應(yīng)能接受消防控制系統(tǒng)控制的有關(guān)信息。
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與主控制室計算機系統(tǒng)通信功能該功能應(yīng)能將通風(fēng)控制系統(tǒng)的有關(guān)信息送往主控制室計算機信息控制系統(tǒng)。
2. 冗余配置
采用雙冗余服務(wù)器熱備方式，主從服務(wù)器的數(shù)據(jù)能夠進行熱備份，組態(tài)軟件能夠?qū)崿F(xiàn)在主服務(wù)器出現(xiàn)故障時自動切換到從服務(wù)器。網(wǎng)絡(luò)采用10M/100M Ethernet TCP/IP冗余工業(yè)以太網(wǎng)配置。PLC 控制器采用雙機熱備冗余配置，在故障時能夠?qū)崿F(xiàn)主站到后備站的可靠的平穩(wěn)切換。
3. 通信
系統(tǒng)具與消防控制系統(tǒng)的通信能力。系統(tǒng)具與主控制室計算機信息系統(tǒng)通信的功能。總體設(shè)計中國實驗快堆核島廠房通風(fēng)控制系統(tǒng)采用分層分布式結(jié)
構(gòu)：系統(tǒng)層和過程控制層。
1. 通風(fēng)控制系統(tǒng)設(shè)計原則
系統(tǒng)采用雙機熱備冗余配置，單個部件故障不影響整個系統(tǒng)功能執(zhí)行；當(dāng)系統(tǒng)模板出現(xiàn)故障時，保證安全；具有在線自檢功能，實時顯示系統(tǒng)狀態(tài)。系統(tǒng)本身出現(xiàn)故障時，自動給出報警；所有模板允許帶電更換，雙機熱電系統(tǒng)的模板在故障或更換時自動實現(xiàn)無擾切換；系統(tǒng)的平均*運行時間大于20年，平均故障修復(fù)時間小于15min。
2. 通風(fēng)控制系統(tǒng)系統(tǒng)層的設(shè)計
系統(tǒng)層包括：冗余配置的系統(tǒng)數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)；服務(wù)器 2臺；操作員站1臺；打印機1臺；系統(tǒng)軟件和工程軟件。服務(wù)器在應(yīng)用系統(tǒng)建立過程站中是進行系統(tǒng)組態(tài)的平臺，是工程技術(shù)人員用于系統(tǒng)生成、安裝、調(diào)試、維護的設(shè)備。工程師站上配備有功能齊全的工作平臺，完成計算機信息系統(tǒng)功能組態(tài)、數(shù)據(jù)下裝等工作。在運行期間，服務(wù)器用于完成在線組態(tài)、歷史數(shù)據(jù)庫存儲處理、就地監(jiān)測數(shù)據(jù)的人工錄入、通風(fēng)系統(tǒng)處理過程的運行管理等功能。服務(wù)器站及監(jiān)控軟件主要完成以下功能：系統(tǒng)配置；數(shù)據(jù)庫生成；動態(tài)流程畫面生成；控制算法及順序邏輯組態(tài)；報表生成及管理；系統(tǒng)運行管理和數(shù)據(jù)庫下載；實現(xiàn)畫面及流程顯示，實時監(jiān)控管理；實現(xiàn)對通風(fēng)系統(tǒng)各種工藝流程的操作；實現(xiàn)對部分設(shè)備的中控室集中手動；系統(tǒng)運算狀態(tài)監(jiān)視；控制調(diào)節(jié)和參數(shù)整定支持，將PLC 組態(tài)的用于調(diào)節(jié)系統(tǒng)的所有參數(shù)用畫面開放出來，用來讀取工藝值，整定參數(shù)，PID 輸出趨勢圖顯示等；人機對話管理；報警顯示打?。挥嬎銠C化的報警處理和操作支持；通風(fēng)系統(tǒng)運行管理等。
打印機功能：打印數(shù)據(jù)報表、圖形拷貝等。
3. 通風(fēng)系統(tǒng)過程控制層的設(shè)計
過程控制層由連接在系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)上的各個I/O控制站組成。按“合理分散”原則，根據(jù)通風(fēng)系統(tǒng)組成、運行監(jiān)控特點和要求，在過程控制層設(shè)置了2個冗余控制站及33個 I/O控制站功能組。I/O控制站用于采集各類過程監(jiān)測儀表的信號，并進行信號處理、實現(xiàn)各種數(shù)值計算、閉環(huán)控制和開環(huán)邏輯控制、開關(guān)量與模擬量信號輸出。站中設(shè)有系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，并實時地通過系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)將信息發(fā)送到需要使用的站點上、以及系統(tǒng)層的工程師站和通風(fēng)系統(tǒng)所需節(jié)點上。
系統(tǒng)實現(xiàn)
根據(jù)中國實驗快堆核島廠房通風(fēng)控制系統(tǒng)的總體設(shè)計，通過硬件、軟件的設(shè)置以及編譯下載，使系統(tǒng)實現(xiàn)，達到用戶的功能要求。這里主要闡述冗余控制站設(shè)置、服務(wù)器冗余、雙服務(wù)器和操作員站的操作優(yōu)先級現(xiàn)。

應(yīng)用總結(jié)
中國實驗快堆核島廠房通風(fēng)控制系統(tǒng)采用全冗余方案：冗余過程控制站、冗余控制網(wǎng)絡(luò)、冗余以太網(wǎng)通訊、冗余服務(wù)器。在自動化控制系統(tǒng)集成項目中實屬罕見。通過對整個系統(tǒng)工藝的了解、總體設(shè)計以及功能實現(xiàn)，對于全冗余的自動化控制系統(tǒng)有了一個比較深刻的認識，拓寬了知識面，提高了技術(shù)能力。核島廠房通風(fēng)控制系統(tǒng)跟其它的系統(tǒng)不一樣，給用戶創(chuàng)造的價值不會體現(xiàn)得那么。它不象一般的民用工程的投入，可以提率、提高精度、代替人工等等。反應(yīng)堆是一個不可分割的整體，從鈾——238 到钚——239，從裂變?nèi)剂系綗嵩摧d體——鈉，從反應(yīng)裝置到三廢處理，每一環(huán)節(jié)都*，它們的共同目的就是實現(xiàn)安全發(fā)電。通風(fēng)系統(tǒng)在里面發(fā)揮的作用就是，保證作業(yè)人員的身體健康及生產(chǎn)設(shè)備的安全，特別是在發(fā)生火災(zāi)時，減少人員傷亡、防止受災(zāi)范圍擴大。使用GE Fanuc的CIMPLICITY HMI和系列90-30 PLC全冗余方案，對通風(fēng)控制系統(tǒng)進行監(jiān)控，使系統(tǒng)具備高可靠性，對整個中國實驗快堆運行的安全作了進一步地鞏固。與本文相關(guān)的論文有：閥門在電廠各系統(tǒng)的應(yīng)用。