杜克核电站的数字化控制升级

摘要：安全运行是核电站的重中之重，而可靠性则是安全的基石。Duke Power电力公司Oconee核电站使用的模拟汽轮机控制系统随着年龄的增加部件已经陈旧并且单一故障频发，Duke开始把目光投向数字控制。

      杜克电力（Duke Power）公司运营三座核电站，一百多年来一直在为美国卡罗莱纳州提供安全、可靠、价格实惠的电力。该公司为遍布22000平方英里的服务区域内的200多万客户提供大约17000兆瓦的电力，并且在满足该地区不断增长的电力需求的同时，注意环保。
      Duke位于美国南卡罗莱纳州的奥科尼（Oconee）核电站拥有2538兆瓦的发电能力。自建立以来，Oconee已经发出了超过4950亿千瓦小时的电力，在美国的核电站当中首屈一指。2000年，Oconee再获殊荣，作为美国第二个许可证续展申请获得美国原子能管理委员会（Nuclear Regulatory Commission）批准的核电站，其可以再继续运行20年。

模拟控制的挑战
      安全运行是核电站的重中之重，而可靠性则是安全的基石。30多年前，当大多数国家的核电站开始投入使用的时候，模拟控制系统是当时最先进的，并且可以确保发电站的可靠性。但是，模拟控制系统也有一些局限性，如果一个部件在正常情况下突然出现故障，那么整个系统都将陷入瘫痪。这将增加停机的风险，造成每天数万美元的损失。
       Oconee核电站的仪表和控制工程师Marlon Dempsey说：“我们发现我们的模拟汽轮机控制系统是造成跳闸和浪涌电压的三个主要原因之一，这主要是因为其部件中的某一点上出现了故障。我们知道在关键的点上增加更多冗余将大大提高可靠性，并且发现数字技术可以提供这些冗余，同时降低停机成本。”
      在对众多的汽轮机控制解决方案进行了评估之后，杜克能源（Duke Energy）公司开始实施一套由英维思过程系统（Invensys Process Systems，IPS）提供的容错控制系统，以促进发电站的安全和可靠运行。

数字化势在必行
      Duke Power电力公司对于发电站的安全性和可靠性极其重视，并且努力将生产成本控制在美国核电站的最低水平。Oconee发电站使用的是由其汽轮机供应商提供的模拟汽轮机控制系统，随着设备年龄的增加，部件已经陈旧并且单一故障频发，Duke开始把目光投向数字控制的替代产品。Duke将包括IPS在内的几个控制系统供应商所提供的备选产品进行了比较。

找到合适的技术
      除了要找到一个控制解决方案来消除关键的核能发电运行中的任何单点故障以外，Duke还需要有一个更好的选择来代替其目前的硬质面板界面（开关仪表，运行测试，以及获取读数都比较麻烦）。Duke选择了IPS的汽轮机控制系统来满足他们所有的技术要求，并且凭借其灵活性和专业水准来简化和降低实施成本。
       IPS系统通过与磁场传感器保持通讯来控制变量，例如汽轮机的速度和阀门操作。它还简化了季度汽轮机阀门运动测试和月度跳闸测试，以确保机组在必要时能够跳闸以保护系统。基于三元模块冗余（Triple-Modular Redundant，TMR）架构，TRICON系统使用三个分离的平行控制系统，并将许多的诊断功能集成到一个系统中。该系统采用“三取二”表决，以提供高完整、无差错、不间断的过程操作和没有任何的单点故障。
      除了成本优势以及IPS愿意调整其产品以满足客户的需求以外，该产品吸引Duke的原因还有其技术特性，功能及其对于核工业的适用性。
       发电站仪表和控制工程师Marlon Dempsey说：“不仅仅控制器是三重冗余，而且在可能的情况下我们也可以使临界磁场输入实现三重冗余。这一级别的冗余通常只能在核安全相关系统中找到，而旧的模拟控制系统是无法实现的。当你考虑到汽轮机可能使整个发电站跳闸时，那么采用最高质量的系统也就变得理所当然了。”

保留机柜和布线
      由于IPS是安全关闭技术的领先供应商，所以其工程团队拥有丰富的经验，并且具备较高的素质，可以提供严格的测试，而且十分关注细节，这对于安全可靠的电力运行来说是十分必要的。
       一旦到达现场，IPS和Duke的工程师们就会进行彻底的现场验收测试，以确保任何部件在运输过程中都没有受到损坏。完成后，IPS就会把系统从模拟机箱转移到发电站的现场机柜，工程师在开机之前会进行验收测试，然后才会允许发电站操作人员将系统联机运转。
       在整个项目中使用已有的机柜和布线是极其重要的。其他方法需要将汽轮机控制系统迁到新的位置，这将增加项目的成本、时间和风险。不需要新的机柜和布线使得总项目成本明显降低。
      “他们的系统经过外部调整就能够适应我们已有的机柜，这使我们印象深刻。他们使用我们已有的布线机柜，那里的回旋余地很小，但是他们预先进行了额外的设计工作，从而解决了这一问题。而且我们已有的布线情况良好。安装一个全新的机柜并进行重新布线不仅费钱而且费时。

改进控制设计
       模拟系统中的逻辑是分别来自于单个的电路板，大约需要花一个星期来进行校准。而通过使用新的TRICON数字系统，则不需要进行重新校准了。
       据Dempsey称，“得益于数字逻辑，我们基本上已经不再需要进行校准了。现在，我们只是需要验证设备中运行的逻辑版本是否与控制副本相匹配，这就极大地解放了工作人员，使他们有更多的时间来处理其他工作。”Dempsey补充说：“我们可以自己进行逻辑更改，因为数字技术使它变得更容易。不必依赖外部供应商是一个很大的好处。我们有更多的控制权来修改系统的逻辑设计，以满足我们发电站的需求。我们旧的模拟系统不支持更改，因为它是硬连线的。而使用数字控制系统，我们就可以轻松地进行改进了。”
       内部工程团队使用控制器来实现在启动过程中汽轮机汽室和外壳升温的自动化，使得操作人员不必坐在控制器旁边来手动操作这一过程。除了传统的第一阶段压力反馈方法以外，操作人员现在还可以使用控制器来改进运动测试，并实施“前馈”控制策略。这就消除了造成跳闸和浪涌电压的一个主要原因，提升了诊断水平，并且升级到数字控制系统，使操作人员能够自行对配置进行更改，不必再求助于供应商。此外，升级后的系统还提供了一个平台，使Duke Power能够将自动化扩展到其他过程。

全文详细内容请见《工控观察》200904期

http://magazine.gongkong.com/e_magazine/2009/0904/index.htm