閥門在核電站應用

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

     2 核電行業的發展前景

     2.1 上核電發展現狀

    在世界范圍內，核電已經是成熟的技術。截止2002年底統計，*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切爾諾貝利災難性核事故的影響，使核電建設在其安全性方面產生了理論上的爭論，并對其建設速度和規模帶來了一定的影響。例如，1970年， 核發電量在發電總量中僅占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，核電的發展一直停留在這個水平上。

    2.2 我國核電發展現狀

    自從1985年我國自行設計開發建造秦山一期300MW壓水堆以來，先后通過自行設計開發、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月并網發電，廣東嶺澳核電站1號機組5月投入商業運行，秦山三期（重水堆）核電站1號機組也成功并網發電。在“九五"期間，我國開工建設的核電機組就有8套。預計這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 我國現有核電站統計  

核電廠 堆型 / 容量 建設時間/年.月 投入運行時間/年.月

秦山一期 自主開發壓水堆 /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 。總計870萬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：預留3、4號機組廠址已完成“四通一平"工作； （3）三門核電：規劃建設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：廠址規模按4臺百萬kW 級核電機組規劃，并留有再建2到4臺的余地。 由于核電站具有前期建設投資高的特點，作為發展中國家，發展核電站的主要困難在于技術儲備不足，特別是缺少建設資金。為了解決資金不足問題，我國核電站建設采取了多元化融資，結果造成核工業企業負債率過高，出現了多種核電站技術并存的局面。廣東大亞灣兩套機組采用法國技術和設備，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。從規模上看，我國發電裝機容量已達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構中仍滯留在試驗性、補償性的地位，核電在總發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，常規島（CI）用閥門1.3萬臺， 電站輔助設施（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 數量（萬臺）

1 核島（NI ） 43.5% 1.3

2 常規島（CI ） 45% 1.35

3 電站輔助設施（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 調節控制閥 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

【關鍵詞】冗余 雙服務器 數據同步 腳本 優先級概述
1. 公司背景介紹
中國四聯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、生產制造、銷售、進出口貿易、投資為一體的國家計劃單列的大型企業集團。也是55家國家試點集團之一，現為國內規模大、產品門類全、系統集成能力強的綜合性自動化儀表制造企業，榮獲中國電子信息 100 強、中國機械工業100 強、中國電氣工業 100 強、重慶工業 50 強。公司主要生產和經營工業自動化控制系統及儀表、控制軟件、分析儀器及成套系統、樓宇自動化系統、電氣自動化系統、電子及儀表元器件、IT集成電路、功能材料、工藝工裝設備、汽車/摩托車零部件及汽車、光學儀器、環境試驗備、電腦加油機等十幾個大類產品，是經重慶市科學技術委員會認定的企業。公司堅持“川儀在用戶身邊，用戶在川儀心中”的服務宗旨。依托遍布全國各主要城市的40多個經營網點，以*產品竭誠為廣大用戶提供服務。“十五”期間，公司緊緊抓住宏觀經濟增長和西部大開發
機遇，加快結構調整和產業升級，技術創新成效顯著，營銷體系更加健全，經營機制日趨靈活，管理水平不斷提高，公司經營規模穩居行業，企業綜合實力進一步增強。面向“十一五”，公司將以*儀器儀表研發與制造基地建設為契機，重點推進以新一代自動化控制系統及智能現場儀表、工程應用軟件、系統集成為主體的研發及產業化，繼續大力發展的科學儀器、微電子
器件、電子功能材料和具有競爭規模的汽車/摩托車零部件，在不斷鞏固和擴大電力、冶金、石化等傳統市場領域的同時，著力培育核電、城市軌道交通、汽車電子、生物醫療及環保分析儀器、運動控制設備及裝置等新的市場領域，努力把公司建成體制完備、運轉、技術、管理科學、文化、效益良好，具有競爭力和可持續發展能力的企業集團。
2. 項目背景介紹
中國原子能科學研究院創建于1950 年，是我國核科學技術的發祥地和先導性、基礎性、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集團公司出資興建，中國原子能科學研究院負責設計、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。采用一回路池式結構和鈉 —— 鈉 ——水三回路傳熱系統，并設立非能動事故余熱排除系統。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的反應
堆。它是解決未來后續能源供應可供選擇的堆型。“快堆的一個重要特點是，在消耗核燃料的同時，又產生多于消耗的核燃料，實現核燃料的增殖，所以又稱快中子增殖
反應堆。”
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展將受到鈾資源的限制。發展快堆可將鈾資源的利用率從單一發展壓水堆的約 1％ 提高到60％ 至 70％。快堆電站在發電的同時可將鈾——238轉化成可裂變燃料钚 ——239，钚 —— 239又可為新的快堆核電站供初裝料。這樣周而復始，形成核燃料閉式循環體系，就能夠使核能大規模持續發展，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
根據項目工藝過程要求，所有檢測參數都送通風控制室的計算機系統進行集中顯示、報警、控制、報表打印、數據記錄及趨勢曲線顯示，其中 PTL40、PTL70、PTL76、PUV01、PUV03等五個系統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進行控制，優先權高。多點控制時優先權從高到底的排列是主控制室、通風控制室。消防控制系統所控制的防火閥的狀態也在通風控制室的計算機上顯示。
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夏季、冬季溫度調節功能夏季時控制系統通過調節冷水閥門，將房間的溫度控制在合適的范圍內；冬季時控制系統通過調節熱水閥門，將房間溫度控制在適當的范圍內。夏季冬季溫度控制的轉換為手動轉換。溫度設定值可以在線設定。只在冬季對房間溫度進行調節，夏季不調節溫度。溫度設定值可以在線設定。
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濕度控制功能在冬季里，當房間內濕度不滿足要求時，通過啟動/停止加濕泵的方法將房間內的濕度控制在一定的范圍內。
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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。在通風控制室、主控制室的計算機可監視閥門狀態，并對閥門進行遠距離控制。所有閥門根據工藝條件的要求實現連鎖功能。
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風機的控制與連鎖功能所有風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控制室實現；部分風機在主控制室也能控制。遠程控制方式可以實現遠程手動和自動控制功能，并且可以與相關閥門實現連鎖功能。在電工種配電間設有遠程和就地控制切換開關，在計算機上可以顯示該開關的狀態。當運行風機故障時，控制系統將切除故障風機，同時關閉相應的閥門；自動啟動備用風機，同時打開相應的閥門，并給出警告信號。
正常情況時，大功率風機運行。當廠房內斷電時，切除大功率風機，同時關閉相應的閥門；自動啟用小功率風機，同時打開相應的閥門，并給出相應的警告信號。當運行機組的風機故障時，控制系統將切除故障機組，同時關閉相應的閥門；自動啟用備用機組，同時打開相應的閥門，并給出相應的警告信號。
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過濾器自動切換功能具有兩路過濾器的系統，當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閉相應的閥門，同時投入備用過濾器并打開相應的閥門。
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新風機組自動投入功能當空調機組進風口放射性劑量超標時，代有凈化功能的新風機組將自動投入。
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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，當溫度測量值低于設定值時，依次投入*段電加熱器、第二段電加熱器、第三段電加熱器；當溫度測量高于設定值時，按相反順序切除電加熱器。電加熱器后溫度過高和風道無風時，電加熱器自動切除。
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與消防控制系統通信功能該功能應能接受消防控制系統控制的有關信息。
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與主控制室計算機系統通信功能該功能應能將通風控制系統的有關信息送往主控制室計算機信息控制系統。
2. 冗余配置
采用雙冗余服務器熱備方式，主從服務器的數據能夠進行熱備份，組態軟件能夠實現在主服務器出現故障時自動切換到從服務器。網絡采用10M/100M Ethernet TCP/IP冗余工業以太網配置。PLC 控制器采用雙機熱備冗余配置，在故障時能夠實現主站到后備站的可靠的平穩切換。
3. 通信
系統具與消防控制系統的通信能力。系統具與主控制室計算機信息系統通信的功能。總體設計中國實驗快堆核島廠房通風控制系統采用分層分布式結
構：系統層和過程控制層。
1. 通風控制系統設計原則
系統采用雙機熱備冗余配置，單個部件故障不影響整個系統功能執行；當系統模板出現故障時，保證安全；具有在線自檢功能，實時顯示系統狀態。系統本身出現故障時，自動給出報警；所有模板允許帶電更換，雙機熱電系統的模板在故障或更換時自動實現無擾切換；系統的平均*運行時間大于20年，平均故障修復時間小于15min。
2. 通風控制系統系統層的設計
系統層包括：冗余配置的系統數據通訊網絡；服務器 2臺；操作員站1臺；打印機1臺；系統軟件和工程軟件。服務器在應用系統建立過程站中是進行系統組態的平臺，是工程技術人員用于系統生成、安裝、調試、維護的設備。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功能組態、數據下裝等工作。在運行期間，服務器用于完成在線組態、歷史數據庫存儲處理、就地監測數據的人工錄入、通風系統處理過程的運行管理等功能。服務器站及監控軟件主要完成以下功能：系統配置；數據庫生成；動態流程畫面生成；控制算法及順序邏輯組態；報表生成及管理；系統運行管理和數據庫下載；實現畫面及流程顯示，實時監控管理；實現對通風系統各種工藝流程的操作；實現對部分設備的中控室集中手動；系統運算狀態監視；控制調節和參數整定支持，將PLC 組態的用于調節系統的所有參數用畫面開放出來，用來讀取工藝值，整定參數，PID 輸出趨勢圖顯示等；人機對話管理；報警顯示打印；計算機化的報警處理和操作支持；通風系統運行管理等。
打印機功能：打印數據報表、圖形拷貝等。
3. 通風系統過程控制層的設計
過程控制層由連接在系統網絡上的各個I/O控制站組成。按“合理分散”原則，根據通風系統組成、運行監控特點和要求，在過程控制層設置了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測儀表的信號，并進行信號處理、實現各種數值計算、閉環控制和開環邏輯控制、開關量與模擬量信號輸出。站中設有系統數據庫，并實時地通過系統網絡將信息發送到需要使用的站點上、以及系統層的工程師站和通風系統所需節點上。
系統實現
根據中國實驗快堆核島廠房通風控制系統的總體設計，通過硬件、軟件的設置以及編譯下載，使系統實現，達到用戶的功能要求。這里主要闡述冗余控制站設置、服務器冗余、雙服務器和操作員站的操作優先級現。

應用總結
中國實驗快堆核島廠房通風控制系統采用全冗余方案：冗余過程控制站、冗余控制網絡、冗余以太網通訊、冗余服務器。在自動化控制系統集成項目中實屬罕見。通過對整個系統工藝的了解、總體設計以及功能實現，對于全冗余的自動化控制系統有了一個比較深刻的認識，拓寬了知識面，提高了技術能力。核島廠房通風控制系統跟其它的系統不一樣，給用戶創造的價值不會體現得那么。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。反應堆是一個不可分割的整體，從鈾——238 到钚——239，從裂變燃料到熱源載體——鈉，從反應裝置到三廢處理，每一環節都*，它們的共同目的就是實現安全發電。通風系統在里面發揮的作用就是，保證作業人員的身體健康及生產設備的安全，特別是在發生火災時，減少人員傷亡、防止受災范圍擴大。使用GE Fanuc的CIMPLICITY HMI和系列90-30 PLC全冗余方案，對通風控制系統進行監控，使系統具備高可靠性，對整個中國實驗快堆運行的安全作了進一步地鞏固。與本文相關的論文有：閥門在電廠各系統的應用。