核电汽轮机仪控机柜升级的方案研究

李吉吉1 上海交通大学机械与动力学院 (200240)2 西门子(中国)有限公司 (200082)

0 前言

阳江核电站位于粤西沿海的阳江市，是国家核电中长期发展规划项目，采用CPR1000改进型压水堆核电技术，总投资近700亿元人民币。国家确定“积极推进核电建设”方针后，广东核电集团继岭澳核电站二期、大连红沿河核电站、福建宁德核电站之后建设的第四座核电站。作为我国一次核准开工建设容量较大的核电项目，阳江核电站工程建设6台MW级核电机组，首台机组于2013年建成投产，全部机组建成后，综合国产化率可达到83%，年发电量450亿kW·h。阳江核电站项目的开工建设，有利于提高我国核电自主化水平，推动核电产业升级；有利于优化能源结构，促进节能减排，保障能源安全；也有利于拉动相关产业投资，带动制造业发展，扩大国内需求，促进经济增长。

1 项目背景

阳江核电项目常规岛使用的是上海电气引进德国西门子技术的MW级半速汽轮机。汽轮机控制系统（TCS）选用西门子SPPA-T2000系统，控制系统共有15个机柜，其中涵盖汽轮机控制、保护，发电机保护，汽轮机辅助系统（阀门、汽封、控制油等）控制，振动测量等汽轮机组所需的各种功能。

机柜内的所有模件均为固态电路，具有标准化，模件化和插入式的结构。模板的插拔有导轨和联锁，模件的编址不受机柜内插槽位置的影响。机柜内的过程通道模件能带电插拔而不影响其他模件的正常工作。执行控制和逻辑功能的处理器模件冗余配置，一旦某个工作的处理器模件发生故障，系统能自动地以无干扰方式快速切换至其他的处理模件，并在图像站报警。处理器模件中的随机储存器采用 RAM作为数据储存的后备电源。电源更换不影响模件，并设置电池用完指示灯。冗余配置的处理器模件与系统有分别的接口，均能接受系统对它们进行组态和组态修改。处于备用状态的处理器能跟踪运行处理器的组态和变化。冗余处理器模件的切换时间和数据更新周期，保证系统的控制和保护功能不会因冗余切换而丢失或延迟。冗余输入的信号处理均由不同的I/O模件来完成。在系统电源丧失时，至执行机构的输入信号控制执行机构保持失电前的位置，以处于一种安全位置。

在阳江一号机调试的过程中，现场调试人员发现几个机柜的柜内温度接近操作手册里规定的额定工作温度的上限。同时监测机柜GME里的震动监测卡件已经发生了由于温度过高而信号丢失的现象。长时间的超温会导致卡件工作不稳定，缩短工作寿命，更可能使整个卡件损坏。当时电子设备间环境平均温度为26～28°C，温度最高的GME机柜柜内温度为58～60°C左右，同样的情况也出现在其他几个电源柜。这一现象在控制系统出厂试验的时候是没有出现过的。

2 原因分析

2.1 环境温度

当时电子设备间的整体温度控制在27°C左右，由于空调需要调试等原因，无法保证24h的运行，可能导致不定期的电子设备间环境温度升高。

2.2 发热量

核电站的电子设备间因为屏蔽要求比较高，所以设计相对于常规电站而言比较紧凑。在项目初期，汽轮机控制系统的初始设计是需要16个机柜。但是因为现场场地所限，业主要求缩减到15个。两个GME机柜为此合并为一个（图1）。这无疑使得GME机柜的柜容相对于初始设计的布置密度增大，柜内卡件总发热量增大，降低了原始设计的柜内空气通量和降温效果。对于电源柜，则是有些元件在现场工作比在厂内试验时发热量大大增加。

2.3 防护等级

所有机柜出厂设计的防护等级1为IP202（图2），但因为核电项目的特殊性，在机柜发到现场后经与厂商协调，把所有机柜的防护等级都升级到了IP313（图3）。防护等级的提高是通过增加门板上的防尘罩和滤网增强了机柜的密封性。但是这减少了外部空气进入机柜内部的通风量，柜内温度因此而升高。

2.4 电缆

现场采用的就地电缆比初始的设计屏蔽层更厚，直径更粗，从另一方面增加了柜内部件的占用率，减少了空气流通面积。

图1 监测机柜（GME）

图2 机柜防护等级20

图3 机柜防护等级31

3 解决方案

3.1 测试热点

为了寻找解决方案，先要找出柜内温度最高的地方，也叫热点。在模拟现场所有的机柜都是紧密相靠，用螺栓锁死的状态。在实验中，机柜上下左右都用聚氨酯塑料板覆盖，柜内各处共安放了20个热电偶，用以测量各处温度。在环境温度为27°C时，经过1h的测量，GME机柜内最高点为61.5°C，超过卡件允许的最高工作温度（60°C）。电源柜的情况类似，柜内各处共安放了15个热电偶，在环境温度为27°C时，经过1h的测量，柜内最高点温度为61.9°C，比GME机柜还略高，超出允许温度范围，如图4、图5所示。

3.2 制约因素

为了有效地降低机柜内部温度，可在机柜上增加风扇来进行主动式降温，但必须解决几个制约因素。

由于核电安全规范限制，外部220V电源不允许使用，只能使用柜内24V电压作为风扇电源。这使得风扇输出功率受限于电源输出功率。

机柜有严格的防护等级要求，在柜门或者柜壁上开口加风扇绝对不可能，而现场机柜底部已全部固定在支架上，要加很有难度。所以只能考虑从顶部着手。

机柜的就地电缆都是从柜顶进入，现场大部分的就地电缆已经连接完毕，柜顶所加的风扇不能影响到这些电缆。

风扇的安装、运行必须相对易行、独立，不影响现有的控制系统。

图4 GME机柜温度及热点 (改造前)

图5 电源机柜温度及热点 (改造前)

3.3 优化选择

对于风扇的选择应该是在允许的条件下，选择通流面积和功率尽可能大的风扇。机柜顶部的面积有限，最大可使用面积为625cm2。而这个大小的风扇输入电压都超过24V，在机柜允许电压之外。两个风扇的布置则无法充分使用柜顶面积。于是选择了4个面积为144cm2的风扇。其功率和通流符合所需条件。

每一个的功率为：

总的通流为：

3.4 设计新盖板

风扇是安装在机柜顶部的盖板上，为了不影响已经连接的就地电缆，盖板也必须重新设计。新的盖板（图6）分成左右两部分，右半部分包含了安装风扇的孔，以及一个用来遮挡滴水的顶盖。顶盖是用来保证水滴无法进入机柜，这是IP31防护等级的要求，同时顶盖的通风设计也保证了空气能够及时从柜内流出。左边部分包含了电缆孔。这样，现场安装时只需要将左右两部分从机柜两侧插入并用螺母固定链结，不影响现场任何工作。

图6 带风扇的顶部盖板

3.5 第二次测试热点

在安装完新的机柜顶部盖板和加入风扇后，再一次测试了GME机柜和电源柜的温度。经过50min的测试，其柜内温度和热点温度如图7、8、9、10所示。电源柜的热点温度经改造后稳定在53.3°C。考虑到环境温度28.2°C略高于正常室温，同时电源柜对于温度敏感性较低，该温度可以接受。而对于GME机柜，热点仍然存在于汽轮机监测系统上方，其温度为55.1°C，还是高于期望值。为了保证VM6004的正常运作，要求周围温度能够稳定在50°C左右。于是又对GME机柜进行了第二次改造。

图7 GME机柜热点温度（一次改造后）

图8 GME机柜温度（一次改造后）

图9 电源柜热点温度（改造后）

图10 电源柜温度（改造后）

3.6 调整机柜内部结构

GME监测机柜如图1所示，两个VM600监测系统上下放置。下方发电机监测系统的热量从框架顶部散发出去，这导致上方汽轮机监测系统的温度更高，即使用了风扇也无法进一步降低热点温度。当然这也是汽轮机监测系统发生丢失信号之类故障的原因。为了更好地解决GME机柜超温问题，把汽轮机监测系统里的 MPC45卡件数量作了调整，减少了3块，腾出了空间，增加了VM600周围空间的流通效率（图11）。

图11 针对VM600的修改

3.7 第三次测试热点

经过二次改造，再一次测试了GME机柜内的温度，发现原本位于VM600支架顶部中侧的热点已经消失，其温度降到了37.3°C，效果显著。原本的位于支架左侧的次热点也降低到了50.0°C成为了新的热点，已经在允许的范围以内（图12、图13）。

图12 GME机柜热点温度（二次改造后）

图13 GME机柜温度（二次改造后）

4 结 论

该机柜改造方案有如下几个优点：

(1)机柜内的危险热点被控制，柜内所有的元件都能在允许的温度范围内工作，可延长柜内元件使用寿命。

(2)改造方案实施过程不影响机柜的正常运作。

(3)此方法适宜于同种类型的各种机柜。

①防护等级：来源是国际电工委员会的标准IEC60529，这个标准在2004年也被采用为美国国家标准。在这个标准中，针对电气设备外壳对异物的防护，IP等级的格式为IPXX，其中XX为两个阿拉伯数字，第一标记数字表示接触保护和外来物保护等级，第二标记数字表示防水保护等级，

②IP20：防止大于12mm之物体侵入 防止手指碰到灯具内部零件。对水滴无防护 。

③IP31: 防止大于2.5mm之物全侵入防止直径大于2.5mm的工具，电线或物体侵入。防止垂直滴下之水滴。

④VM600：在建CPR1000核电站GME系统均采用瑞士Vibro-Meter的VM600监视系统，以监测卡件MPC4及AMC8实现GME系统中参数的监测和保护。

⑤MPC4卡件：主要用于动态参数的监测和保护，如振动、轴向位移、键相、胀差、偏心等。

[1]国际电工委员会标准IEC 529 – 598.

[2]国标GB 700 – 86.

[3]EJ 574-91 核电厂安全级控制仪表盘（屏）和机架的设计与鉴定.

[4]GB/T 13629-2008.核电站安全系统中数字计算机的适用准则.

[5]伍广俭，卓文标.岭澳核电站常规岛控制系统的技术特点[J].广东电力，2003，16（1）：23-26,45.