李映林，田 苗

（中国核电工程有限公司，北京 100840）

0 引言

随着核电厂主控室数字化技术的发展，电厂运行自动化程度不断提高，传统的操作盘台已很少运用在新建核电厂上，取而代之的是集成度高、操作方便的全厂数字化仪控系统（DCS）[1-4]。

在核电厂中，常规岛的数字电液控制系统（DEH）是二回路最复杂的控制系统，操作员通过DEH系统能够实现对汽轮发电机组的控制与保护。DEH已在核电项目上成熟广泛地应用，但随着核电厂DCS及先进主控室技术的不断发展，DEH在新建机组上的使用也更加优化和多元化。目前，很多汽轮机厂家将汽轮机辅机系统加入了传统的DEH系统，形成了更为完善的一体化控制系统——汽轮机及其辅机控制系统（TCS），此系统在汽轮机的控制方面自动化程度更高，集成度更好。然而，由于核电厂一、二回路控制系统一般分开采购与设计，不同的厂商在控制系统的设置、结构和人机接口上都存在差异，导致不同厂家的DEH与不同电厂的DCS产生了一些新的兼容性问题，如何处理好TCS与DCS的融合成为一个亟需解决的问题。

本文以先进核电厂TCS与DCS的关系为研究对象，通过分析先进核电厂与国内运行核电厂TCS与DCS两者之间的关系，并以其中较为复杂的情况为例，说明先进核电厂汽轮机及其辅机控制系统的设计、配置对核电厂运行操作的影响，并给出初步的解决方案，以解决或降低DEH与DCS之间的兼容性问题。

1 系统介绍

数字电液控制系统（DEH）主要用于完成汽轮机冲转、并网、正常运行等全范围控制与调节操作。正常运行期间，由DEH通过改变调门开度，对负荷指令进行限速、限幅，闭锁增、减等处理后得出实际负荷指令，维持机组的汽水平衡，使机组在期望的功率水平下安全稳定运行，以满足电网对发电机功率的要求。

然而，随着控制技术的不断发展，汽轮机及其辅机控制系统（TCS）应运而生，即在传统的DEH上增加汽机辅机系统。新的TCS控制范围涵盖了传统常规DEH所包含的汽轮机调节系统和汽轮机保护系统，同时还新增加了包括汽机本体部分、发电机本体温度监测以及其他汽轮发电机组的辅助系统等。

TCS中新增系统在汽轮发电机组启动和停运时具有相当重要的作用，是汽轮发电机组成功启动的前提，也是汽轮发电机组安全停运的保证。在原有设计中，上述系统涵盖在DCS控制范围，将这部分系统从DCS中剥离，增加到DEH中并形成新的TCS系统，必须考虑到DCS与TCS之间的相互关系以及新的TCS对运行操作策略和对机组安全生产等方面的影响。

2 目前国内核电机组DCS与TCS（DEH）的关系分析

目前运行的核电站中，因为各电厂DCS系统的一层、二层结构及布置不尽相同，TCS（DEH）的概念也存在差异，故两者的关系存在多种复杂的不同关系：

1）DEH与DCS系统采用相同的控制系统即一层、二层均采用相同的硬件设备，DEH可与DCS无缝连接；DEH系统的所有操作、监控都将在DCS操作员站上完成。此方式在福清、方家山、岭澳二期、田湾、AP1000项目中应用，是目前的主流方案，也是最具有优势的方式。

2）DEH采用与DCS相互独立的控制系统（主要指一层-控制层），二层（人机接口层）DEH与DCS系统整合到一起，统一画面、统一操作，在主控室的主要操作由全厂DCS完成，根据需要适当配置后备DEH操作员站，以避免DEH与DCS通讯故障时不能对DEH系统进行完全监控，而正常操作都将在DCS操作员站上完成。目前海南[5]、阳江核电项目采用此类方案。

3）DEH与采用模拟技术的控制系统相独立，即独立的一层、二层，在主控室单独配置独立的DEH操作员站，对电厂的控制采用常规盘台的开关按钮操作方式，此方式在秦山二期采用[6]。经过技术的成熟与积累，在秦山二扩项目时，对二回路的控制方面有了一定的改进，二回路正常运行时的日常操作通过DCS进行，硬盘台作为备用，配合DEH对电厂汽轮机组进行控制。

具体情况详见表1。

表1 国内核电机组DCS与TCS（DEH）一览表Table 1 List of DCS and TCS (DEH) of domestic nuclear power plants

3 DCS与TCS配置方案对运行操作的影响分析及初步方案

鉴于DCS与TCS（DEH）关系的复杂性，本文将从其中较为复杂的情况（DCS与TCS一层相互独立、二层无法完全统一，但可以部分实现双向通信的先进核电厂）入手作为研究对象[7]，分析两者的配置对运行操作的影响，为后续新建核电厂DCS和TCS方案的确定提供参考。

3.1 对主控室整体布局的影响

在福清、方家山、海南昌江项目中，主控室内一、二回路操作员站、协调员站和安工站4个工作站是完全相同的，可实现完全地替换，任意一个或两个工作站失效都有简单的退防策略，可以由其他工作站代替，失效的工作站做限期维修即可，不会影响机组的发电，机组可利用率高。

而本文研究的核电厂主控室主要通过DCS系统配合独立的TCS操作员站控制电厂状态，DCS系统作为电厂操作与监视的主要手段，所以在二回路操作员站旁边需设置TCS站，以实现汽机的顺控启动。

但是添加TCS操作员站后的二回路DCS操作员站与其他工作站在布置和功能上都产生了差异，无法实现完全替换，对退防和机组可利用率有影响。

针对此问题，建议在二回路DCS操作员站旁设置TCS操作员站的同时，在安工站旁也设置一套独立的TCS操作员站，实现二回路操作员站与安工站的互为备用，以提高机组的可利用率。

3.2 对操作员操作习惯的影响

在核电厂的运行过程中，操作员的熟练程度以及一、二回路操作员的配合至关重要。将汽机辅机系统加入到TCS后，对操作员的操作习惯产生了一定的影响。特别是对于有经验的操作员（值长、高级操作员等）来说，需要改变思路，经过不断地练习，熟悉拆分后新的DCS与TCS。而对于一、二回路操作员的相互配合与协调来说，经过研究得到的双向传输数据应能在一定程度上缓解操作员改变长期形成的操作习惯所带来的不便，经过不断地配合与练习，应能建立全新的配合默契。

3.3 对运行操作策略的影响

核电站的运行，主要分为正常运行、瞬态应对、故障及事故处理几个方面。

对于汽机控制系统而言，瞬态应对及故障处理方面的操作可以被事故运行所包络，故本文只分析正常运行与事故运行时DCS与TCS之间关系的改变对运行操作策略的影响。

3.3.1 正常运行

在电厂正常运行时，机组的操作主要分为日常操作及定期试验、日常维修、机组启停（状态变化）操作以及大修。

选取典型的总体规程进行逐步分析研究[8]，发现DCS与TCS之间关系的改变对运行操作策略有影响。在原有的操作策略中根据总体规程“链接定义”栏中的链接，点击进入相应的规程画面进行操作，拆分后的DCS无法实现对TCS内系统参数的控制，只能单独从TCS操作员站调画面操作，这样对操作员的操作形成很大不便。

为避免正常运行时由于在DCS和TCS间的来回操作，可将总体规程中有关汽机辅机系统的操作数据反向传回TCS，实现DCS与TCS之间数据点的双向传输，使DCS操作员站对TCS的关键设备进行操作控制。

对总体规程的操作步骤进行“TCS操作”“DCS检查”“DCS操作”的分类，认为：

1）需在“TCS操作”的数据点必须实现双向通信，以尽量少地改变运行操作策略与操作员的操作习惯。

2）需在“DCS检查”的数据点虽然存在操作员干预的可能，但随着机组自动化程度的提高以及双向传输点数量的考虑，暂不实现双向传输。

3）需在“DCS操作”的数据点本来属于DCS系统，无需考虑传输问题。

基于以上原则，可得到由总体规程导出的TCS与DCS间需双向通信的设备，详见表2。

表2 正常运行时需反向传输的设备Table 2 Equipment requiring reverse transmission during normal operation

3.3.2 事故运行

当遇到瞬态、故障或事故情况时，需要执行故障或事故规程。考虑瞬态应对及故障规程相关操作可以被事故规程所包络。因此，挑取典型事故规程，以分析DCS与TCS之间关系的改变对运行操作策略的影响。

在事故处理时，时效性是影响事故发展的重要因素。故在事故情况下，必须保证事故规程中的链接有效且快速可用，需要将事故规程中有关汽机辅机系统的操作数据反向传回TCS，实现DCS对停机后撤关键设备的操作控制，以避免事故处理时由于在DCS和TCS间来回操作而延误对事故的处理，将此改变对事故的处理的不利因素降到最低。

由此可见，在DCS与TCS之间实现数据点的双向传输是必要的。

事故规程必须在DCS上执行，故在事故规程中涉及的二回路汽机及其辅机系统的操作必须实现双向通信。通过对代表事故规程的分析，可得到由事故规程导出的需要双向传输的数据。

根据以上对正常运行及事故运行的分析，将正常运行与事故运行分析得到的双相传输点进行合并，即可得到最终DCS必须向TCS反向传输的设备，详见表3。

表3 事故运行时需反向传输的设备Table 3 Equipment requiring reverse transmission during accident operation

3.3.3 解决方案

通过对核电厂正常运行和事故运行的分析，可以基本涵盖电厂所有需要TCS控制的运行工况。因此，将正常运行与事故运行分析得到的双相传输设备进行合并梳理，即是DCS与TCS一层相互独立、二层无法完全统一但可以部分实现双向通信的先进核电厂DCS必须向TCS反向传输的最终设备清单，详见表4[9]。

表4 需反向传输的设备清单Table 4 List of equipment to be transmitted in reverse

同时，关于TCS与DCS的兼容性解决方案，考虑到DCS对全厂的全范围监视和控制以及操作员的操纵习惯和运行策略，将二层TCS与DCS系统之间的重要信号通过硬接线连接，TCS汽轮机流程画面中的工艺参数点单向通讯到DCS显示，DCS操作员站可以对TCS进行全范围的监视，并将重要信号反向送回TCS，使DCS操作员站可以对TCS重要设备进行操作，实现DCS在电厂正常运行、瞬态及事故运行期间对汽轮机的操作与控制。

以上结果可作为量级和系统功能等方面的参考，具体工程实施会因机组设计和规程编制而产生传输数据差异。因此，应以机组设计输入为准，并建议留有一定量级的备用通道以便新的传输设备时的需要。

4 结论

先进核电厂数字电液控制系统（TCS）与全厂数字化仪控系统（DCS）的关系对运行操作具有很大的影响，包括对主控室整体布局、操作员操作习惯以及运行操作策略等方面的影响。在对以上影响进行分析的基础上，本文提出了将二层DEH的数据信号传输给DCS，并将两者之间的重要信号双向传输，实现DCS操作员站对TCS的全范围监视和重要设备操作的解决方案，以确保DCS在电厂正常运行、瞬态及事故运行期间对汽轮机的操作与控制，减少TCS配置方案对运行操作的影响。