文獻標識碼：B文章編號：1003-0492（2025）08-092-05中圖分類號：TP29

★吳麗娟，王瀟，肖明，王志嘉，劉波（北京廣利核系統工程有限公司，北京100094）

關鍵詞：FirmSys；主蒸汽隔離閥；快關動作；設備維護；精度

主蒸汽隔離閥是保障核電站安全運行的關鍵設備，其快關時間作為閥門的重要性能指標，具有嚴格的設計要求。當發生管道破損或爆管事故導致主蒸汽泄漏時，隔離閥必須在規定的時間范圍內快速關閉，以保障核電站的安全運行。如果閥門動作過慢（例如大于5s），蒸汽將從破口大量排出，最終可能導致堆芯重返臨界，嚴重影響機組的安全運行^[1]。

核電站主蒸汽隔離閥通過數字化控制系統（DCS）實現控制和監視。GB/T5024-2021《核電廠安全系統定期試驗與監測》要求，需要手動控制閥及其他電氣部件的電氣運行并記下它們的快關動作時間。如果可能，在電廠停運期間，應例行地實施全行程試驗^[2-4]。為了確保閥門的快關時間滿足設計要求，DCS需要設計快關動作試驗功能，以支持現場調試及運行維護期間試驗人員對閥門進行驗證。

某華龍一號核電站安全級DCS采用FirmSys平臺實現對現場閥門的控制功能。由于DCS平臺不同環節設備的信號采集特點以及異步運行特性，基于DCS的快關動作試驗方案在計時方面必然存在精度偏差的問題。本文基于DCS系統結構和平臺產品運行特點，結合主蒸汽隔離閥的動作特性及快關時間要求，設計了基于網絡通信和基于硬接線的主蒸汽隔離閥快關動作試驗方案，并對不同方案的計時精度偏差進行分析，得出更優方案，為后續核電站現場調試和維護提供了參考。

1　儀控系統概述

某華龍一號核電站安全級DCS系統架構簡圖如圖1所示。基于FirmSys平臺的安全級DCS由反應堆保護系統（RPS）和安全自動系統（SAS）構成^[5]，其中RPS主要用于執行反應堆緊急停堆和專設安全設施驅動等保護功能，SAS主要用于執行DBC2-4工況下將電站從可控狀態帶至安全狀態的手動/自動控制和監視功能。

對于主蒸汽隔離閥，當工藝保護參數達到限值或操縱員通過緊急控制盤（ECP）觸發手動命令時，RPS系統中專設安全設施驅動機柜（ESFAC）將產生主蒸汽隔離動作命令，并通過硬接線發送至設備接口機柜（CIC）。CIC機柜再通過硬接線將驅動命令發送至主蒸汽隔離閥對應的快關電磁閥。此外，操縱員也可以通過控制室中的安全控制顯示裝置（SCID）觸發手動控制命令，經SAS系統中的安全自動機柜（SAC）運算后，通過通信發送至CIC機柜。

圖1基于FirmSys平臺的安全級DCS系統架構

2　閥門動作原理和快關時間要求

某華龍一號核電站設計三臺主蒸汽隔離閥（VVP1220VV、VVP2220VV、VVP3220VV），分別安裝于三個不同序列的主蒸汽系統管道。每臺主蒸汽隔離閥有兩個卸油回路，每個卸油回路配置三個快關電磁閥和一個試驗電磁閥。主閥的動作由卸油回路中電磁閥的動作進行控制，電磁閥則由DCS直接進行控制。以A序列VVP1220VV為例，卸油回路電磁閥的控制與主閥控制關系如圖2所示。

圖2主蒸汽隔離閥控制原理圖

在電廠正常運行期間，閥門保持開啟狀態。當DCS產生關閥信號時，電磁閥在DCS驅動信號作用下失電動作，主閥隨之關閉，從而實現主蒸汽隔離功能。為了保證電站安全，主蒸汽隔離閥的動作時間要求為5s內快速關閉^[6,7]。

動作時間指的是設備從接收到觸發信號到完成整個動作所需的時間，包括信號傳遞、控制系統響應和設備的物理移動等多個階段。在閥門正式投用前，需對閥門的動作性能進行評估，以確保電廠在事故工況下，閥門響應及時，最大限度減少事故危害程度。而閥門的快關動作試驗就是用于對閥門動作性能評估的重要試驗項之一。

3　快關動作試驗方案設計

3.1　設計思路

快關動作試驗的目的是獲取被試驗閥門從接收到指令到閥門動作完成的時間，驗證閥門動作性能。為了達到上述目的，快關動作試驗方案需要確定以下內容：（1）試驗觸發路徑；（2）計時信號的選擇；（3）計時信號路徑和計時邏輯；（4）人機界面設計。

其中，試驗觸發的路徑需要結合DCS架構的特點確定。計時信號的選擇，以及計時信號路徑和計時邏輯的設計則需要重點考慮對計時精度的影響。試驗方案應在可行的范圍內，使計時精度盡可能高，避免因計時偏差過大影響閥門動作性能評估的準確性。

此外，試驗方案的設計應考慮如下內容：

（1）運行期間閥門因自動或手動命令正常動作時不進行計時，僅當進行快關動作試驗時觸發計時，減少不必要的系統運算^[8]。

（2）需考慮使計時邏輯復位的手段。當試驗人為干預復位時，計時應立即停止^[9]。

3.2　設計方案

（1）試驗觸發路徑設計

根據基于FirmSys平臺的安全級DCS系統架構以及主蒸汽隔離閥的控制特點，試驗的觸發可以通過SCID實現。試驗人員通過SCID觸發閥門動作指令，經SAC和CIC輸出并驅動現場電磁閥動作。

（2）計時信號的選擇

為了提高計時精度，計時起點信號和計時終點信號的選取位置，應盡可能選擇閥門的控制路徑上與DCS最接近且可采集的環節。針對主蒸汽隔離閥，選擇CIC機柜輸出位置的各電磁閥控制指令作為計時起點信號，選擇安全級機柜數字量采集（DI）板卡采集的主蒸汽隔離閥關反饋信號作為計時的終點信號。閥門的控制路徑可參考圖3。

（3）計時信號路徑和計時邏輯設計

計時信號路徑設計與計時邏輯實現的位置相關。HAD102/10-2021要求，安全儀控系統設計應避免不必要的復雜性^[10]。如果在安全級DCS內部進行閥門快關時間計時運算，將增加安全級系統控制站的應用軟件負擔，造成控制站負荷率上升、擴展裕量下降的后果，不利于安全級DCS穩定運行。因此，計時邏輯設計在非安全級DCS的網關或控制站中實現。

安全級機柜下發的控制指令，以及獲取閥門的狀態反饋信號，可以通過網絡通信和硬接線兩種方式發送至非安全級DCS。因此，采用網絡通信和硬接線兩種計時路徑：

·采用網絡通信路徑時，根據儀控系統架構，計時起點信號的路徑為CIC->SAC->SAS-DTC->GWC（安全級）->GWC（非安全級），計時終點信號的路徑為SAC->SAS-DTC->GWC（安全級）->GWC（非安全級）。

·采用硬接線路徑時，計時起點信號的路徑為CIC->控制站（非安全級），計時終點信號的路徑為SAC->控制站（非安全級）。

計時邏輯與電磁閥和主閥的控制關系相關。具體邏輯實現時，按照圖2所示控制原理圖，使用不同電磁閥的指令組合后作為計時器觸發的條件，使用主閥的關閉反饋信號作為計時終止的條件。此外，設置與人機畫面的接口，接收來自人機畫面的計時允許、計時復位信號，作為計時邏輯的允許條件和復位調節。

（4）人機界面設計

人機界面包括用于試驗觸發的SCID人機界面以及用于計時允許、復位和讀取計時結果的可視單元（VDU）人機界面。SCID人機界面設置試驗開關按鈕，用于實現試驗指令的觸發；VDU人機界面設置計時允許、復位按鈕，同時設置時間顯示模塊以顯示計時的結果。

圖3快關動作試驗設計方案

綜上，主蒸汽隔離閥的快關動作試驗方案設計如圖3所示。在計時允許時，可通過SCID上的試驗開關，發出相應的關閥指令，非安全級網關或控制站中的計時邏輯開始計時；在閥門動作完成后，安全級機柜接收到來自主閥的關閉反饋信號，并將其通過網絡通信或硬接線路徑發送至非安全級網關或控制站中，計時結束。試驗人員可以在VDU人機畫面中查看對應的快關動作時間計時結果顯示信息。

4　快關動作試驗方案應用分析

4.1　計時精度分析

根據圖3所示快關動作試驗方案，無論是基于網絡通信路徑，還是基于硬接線路徑，計時起點信號S1和計時終點信號S2均需要經過一系列的DCS設備傳輸后，方可參與計時運算。受DCS設備的響應速度和異步運行特性影響，每個信號在傳輸的過程中，均存在一個特定的誤差區間，該誤差將對最終的計時結果造成影響。

假設閥門真實動作的時間為X，計時起點信號S1從產生到傳遞至計時邏輯所在設備（非安全級網關或控制站）的最優、最差時間分別為T1b和T1w，計時終點信號S2從產生到傳遞至計時邏輯所在設備的最優、最差時間分別為T2b和T2w，則最短計時的時間為[(X+T2b)-T1w]，最長計時的時間為[(X+T2w)-T1b]，如圖4所示。計時精度的誤差范圍即為(T2b-T1w)~(T2w-T1b)。

圖4計時精度誤差計算原理

根據儀控系統架構、FirmSys平臺產品特點，以及計時信號傳輸路徑，計時起點信號S1、計時終點信號S2的最優最差計算方法如下。

（1）基于網絡通信路徑的計時精度分析

采用網絡通信路徑時，S1信號的傳輸路徑涉及CIC、SAC、SAS-DTC、GWC（安全級）和GWC（非安全級）。根據FirmSys儀控系統運行特點，信號路徑中每個設備的最優和最差響應時間與平臺產品特性、周期配置相關，依據路徑中所有設備的最優和最差時間，即可獲得信號傳輸的最優和最差時間。以某華龍一號核電站配置情況為例，T1b/T1w的時間計算方式為TCIC+TIO通信+TSAC+T網絡通信+TSAS-DTC+T網絡通信+TGWC（安全級）+T網關網絡通信+TGWC（非安全級）。根據每個環節設備的最優最差響應時間，可計算出T1b和T1w分別為396.5ms和946.5ms。

S2信號的傳輸路徑涉及SAC、SAS-DTC、GWC（安全級）和GWC（非安全級）。采用相同的計算方法，計算出T2b和T2w分別為394.2ms和945.2ms。

根據計時精度誤差計算原理分析，基于網絡通信路徑的計時精度誤差范圍為-552.3ms至548.7ms。

（2）硬接線計算精度分析

采用硬接線路徑時，S1信號的傳輸路徑涉及CIC、非安全級控制站，S2信號的傳輸路徑涉及SAC、非安全級控制站。結合信號路徑中各設備的響應時間，可計算出T1b和T1w分別為140ms和178ms；T2b和T2w分別為140ms和178ms。

因此，基于硬接線路徑的計時精度誤差范圍為-38ms至38ms。

4.2　應用分析

在工程實踐中，對于動作響應速度要求不高、動作時間較長的閥門，為了減少系統間的硬接線數量、降低工程實施難度，通常采用基于網絡通信路徑的快關動作試驗方案。但是，主蒸汽隔離閥的動作速度要求較高（5s內完成關閉動作），如果采用網絡通信路徑進行計時信號的傳輸，并在非安全級網關中完成計時，最大約±0.6s的偏差明顯不利于對于閥門動作性能的判斷。

采用硬接線路徑傳輸計時信號，由于信號路徑較短，因此可以將計時精度誤差控制在100ms以內，大幅優于基于網絡通信傳輸路徑的計時方案。雖然增加了少量的硬接線進行信號傳輸，但對于整個DCS系統來說也是可以接受的。目前，該方案已應用于多個華龍一號核電機組的DCS系統中，并取得了良好的應用效果。某華龍一號核電站基于該方案執行主蒸汽隔離閥快關動作試驗，試驗結果為閥門快關時間最大4.368s，最小3.141s，滿足閥門的快關動作試驗時間驗收要求。假設采用網絡通信的計時路徑，受DCS計時精度以及閥門自身因素影響，極端情況下試驗讀取的閥門動作時間可能會達到5s，影響試驗人員對閥門實際性能狀態的判斷。

本文所述方案也可以用于核電站其他的安全級閥門。對于這些閥門，可以根據其動作響應和計時精度的要求，選擇采用基于網絡通信或采用基于硬接線的動作時間試驗方案。

5　總結

本文通過對基于FirmSys平臺的儀控系統架構以及主蒸汽隔離閥動作原理進行分析，提出了閥門快關動作試驗功能的設計思路，設計了一套包括快關動作試驗觸發路徑、計時信號的選擇、計時信號路徑和計時邏輯、人機界面設計的完整快關動作試驗功能方案，并通過對基于網絡通信路徑和基于硬接線路徑的兩種實現方式的計時精度分析，在實際項目中選擇并應用了基于硬接線的計時方案，將DCS的計時誤差控制在百毫秒以內，有效保障了主蒸汽隔離閥動作性能驗證的準確性。該方案已在多臺華龍一號核電機組的DCS系統實際應用，取得了良好實踐效果，對同類型閥門的動作時間試驗功能設計具有指導和借鑒意義。

作者簡介：

吳麗娟（1985-），女，河南人，工程師，工學碩士，現就職于北京廣利核系統工程有限公司，主要從事核安全級儀控系統的DCS設計工作。

參考文獻：

[1]周媛,陳建峰,鐘華.主蒸汽隔離閥驅動裝置快關時間預測模型研究[J].機械設計與制造,2024:(10):221-225．

[2]鐘斌,劉肇陽,何大宇,等.CPR1000核電廠SEC系統改進項的T3試驗方案分析與應用[J].原子能科學技術,2014,(48):873-876．

[3]馬潔光,杜文艷.壓水堆核電廠儀控系統的定期試驗設計[J].電腦知識與技術,2019,(15):228-230．

[4]國家質量監督檢驗檢疫總局,國家標準化管理委員會.核電廠安全系統定期試驗和監測:GB/T5204-2021[S].北京:中國標準出版社,2021．

[5]張弋."華龍一號"核電技術自主化DCS設計與實現[J].自動化儀表,2021,(42):46-51．

[6]呂達夫,瞿虎威.主蒸汽隔離閥控制原理淺析[J].中國新通信,2014,(6):23-24．

[7]葉亮.主蒸汽隔離閥自主調試研究[J].中國電力教育,2013,(11):230-234．

[8]王巧燕,周葉翔,周衛華,等.CPR1000新項目T3試驗閥門計時實現方案研究[J].原子能科學技術,2014,(48):882-885．

[9]吳官寅,劉偉,張學剛.核電廠安全級執行機構定期試驗數字化人機接口設計研究[J].核科學與工程,2011,(31):89-92．

[10]中國機械工業聯合會.核動力廠儀表和控制系統設計:HAD102/10-2021[S].北京:中國標準出版社,2021.

摘自《自動化博覽》2025年8月刊