基于PLC的堵板密封装置控制系统设计

郭林林,朱存平,罗辉国,许 英

(1.深圳东方锅炉控制有限公司成都分公司,四川 成都 610000;2.深圳东方锅炉控制有限公司,广东 深圳 518000)

0 引言

蒸汽发生器是核电厂的核心设备之一。在核电厂大修期间，对蒸汽发生器进行在役检修或检查的过程中，人员或工具需进入蒸汽发生器一次侧水室。为了防止人员、工具等落入主管道内，需在蒸汽发生器一次侧水室内安装堵板密封装置对主管道进行临时封堵。在堆芯高水位进行在役检修或检查时，也需要采用堵板密封装置对主管道进行封堵，以防止一回路冷却剂从蒸汽发生器一次侧泄漏[1-3]。

目前，国内外有关厂家产品工作原理多为手动调节减压阀：将减压阀调整在一定的输出压力，动态调整堵板组件中密封胶囊各腔室的压力。但该方法无法监控分析密封胶囊的工作状态。密封胶囊各腔室压力调节过程依赖于操作人员的经验，且无密封失效导致的效冷却剂泄漏报警功能。本文主要介绍堵板密封装置控制系统。该系统具有堵板密封组件胶囊腔室压力自动控制、密封胶囊腔室压力低自动补充、堵板密封组件泄漏报警、自动补气次数过多报警、提醒操作人员对回路中的故障点进行检查等功能，可实现装置无人值守。某核电厂3#、4#号机组一次侧接管堵板密封装置主要由控制系统、堵板密封组件两部分组成。

1 堵板密封装置控制要求

控制系统为密封胶囊提供3路压力可调、可控的压缩空气输出。干腔室、湿腔室充气压力范围为350 000～450 000 Pa，运行压力为400 000 Pa，中间腔室充气压力范围为50 000～150 000 Pa，运行压力为100 000 Pa。通过监控中间腔室的压力判断干腔室和湿腔室的密封效果，可确保检修期间主管道内的冷却剂不会泄漏到蒸汽发生器的一次侧。控制系统需具备必要且充足的报警提示功能，以及运行数据存储功能。

2 堵板密封装置设备组成

堵板密封装置主要包括堵板密封组件、可编程逻辑控制器(programmable logic controller,PLC)控制系统。

堵板密封组件分为金属堵板和密封胶囊两部分。金属堵板由中间金属堵板、左/右金属堵板组成。中间金属堵板和密封胶囊通过浇筑的螺栓组合为整体。金属堵板由2024-T351铝制材料制造，中间金属堵板和密封胶囊组合后总质量不超过15 kg，左/右金属堵板质量各约10 kg，便于分别从人孔递入蒸汽发生器。安装人员能够轻易地搬运和安装堵板，节约堵板安装时间。密封胶囊由稀土改性高强度、高韧性、耐辐射三元乙丙橡胶及无接缝特殊制造工艺一次性制成，通过一体加工的进气口接头与压缩空气管道连接，实现对密封胶囊各个腔室的充气及气压监测。胶囊可折叠，以便于从人孔侧递入蒸汽发生器一次侧。

控制系统由S7-1200系列PLC[4]、触摸屏、开关电源、不间断电源、储气罐、电磁阀、比例阀、压力表、压力传感器、漏水检测装置、无线报警器等组成。控制系统用于实现堵板密封组件中密封胶囊的充气、气压监测、气压低低报警、气压高报警、气压低自动补气、排气、漏水报警等功能。

PLC为仪控系统的核心。其预留远程监控接口，可根据用户的需求选择接入。PLC通过以太网接口与触摸屏通信，所有操作均在触摸屏完成。系统采集到的胶囊各腔室压力数据，在触摸屏集中显示并存储。PLC根据操作员在触摸屏设置和采集到的胶囊各腔室压力，自动调整比例阀和电磁阀，以调节胶囊各腔室的压力，实现胶囊的密封功能。如果因胶囊密封失效而导致液体泄漏，漏水传感器会将漏水信号传送给PLC，使系统发出漏水报警。系统中的任何报警都是在控制柜触发声光报警，同时系统自动拨打电话、发送短信给多个特定的手机号码，提醒操作人员进行处理。气路系统分3路，分别向胶囊的3个腔室供应压缩空气。PLC控制系统根据触摸屏的设置和采集到的各腔室的压力数据，自动调整电磁阀和比例阀以调节各腔室的压力，从而达到密封效果。

控制系统仪控结构如图1所示。

图1 控制系统仪控结构图 Fig.1 I&C structure diagram of control system

3 控制系统的设计

堵板密封装置控制系统设计分为以下几个部分：控制系统硬件设计、控制系统软件设计、人机界面组态设计。首先，通过分析工艺流程，对系统中需要控制调节的关键变量进行统计，完成系统的硬件配置。控制系统软件主要实现逻辑判断、数据处理、控制执行等功能[5]。人机界面组态软件主要用于设定运行参数和报警参数，实时采集并显示密封胶囊各腔室的压力、外部电源状态、外部气源状态，并及时作出报警和记录。

3.1 控制系统的硬件组成

该控制系统采用西门子S7-1200 PLC和TP900精智面板触摸屏作为控制系统的核心。西门子S7-1200控制器采用模块化、紧凑型设计，具有功能强大、可靠性高、灵活度高的特点，具备高标准工业通信接口[6]。TP900精智面板坚固耐用，支持多种通信协议，项目数据和设备参数将被保存在设备中的数据卡，并保持自动更新。控制系统硬件满足堵板密封组件的控制需求。系统共使用4个数字量输入信号、7个数字量输出信号、8个模量输入信号、3个模拟量输出信号。控制系统I/O配置如表1所示。控制系统配置24 V DC/3.4 A不间断电源，可保证在外部电源失去的情况下正常运行30 min以上。

表1 控制系统I/O配置表 Tab.1 I/O allocation for control system

3.2 控制系统软件设计

控制系统主要完成堵板密封组件中胶囊腔室充气、压力低自动补气、排气、密封胶囊腔室压力监测及报警、密封失效导致的漏液报警等功能。程序编写采用模块化编程，由主程序调用多个子程序来实现密封胶囊各腔室的自动充气及报警。

PLC控制主程序流程如图2所示。

图2 PLC控制主程序流程图 Fig.2 Flowchart of the main program of PLC control

3.3 人机界面组态设计

根据堵板密封组件的工艺要求，共设计了9个控制界面，分别是工艺画面、历史数据、干腔室充气、湿腔室充气、中间腔室充气、干腔室排气、湿腔室排气、中间腔室排气、超欠压设置。每个界面下方均有切换按钮，便于各操作界面之间的切换[7-8]。

工艺画面显示系统的整体工艺流程，各运行参数的在线显示，所有数据均可与控制柜面板上的数字显示压力传感器和机械压力表进行对照。在干腔室充气界面进行参数设置，包括目标压力值、充气启动/停止按钮、自动补气压力值、自动补气开关按钮等。操作人员可在历史数据界面查看系统运行的密封胶囊各腔室压力数据。控制系统根据密封胶囊各腔室在一定时间段内的压力补充次数，以判断密封胶囊潜在的漏气情况。历史数据以表格的形式存储在触摸屏的存储卡中，可在计算机端对数据进行整理、分析。

4 系统试验

控制系统与堵板密封组件在蒸汽发生器一次侧管座密封环模拟装置[9-10]进行了三个月的联调试验、程序优化。期间，控制系统精确的气体压力控制能力和数据记录功能，为密封胶囊的生产工艺改进提供了数据支撑，降低了密封胶囊的气体渗漏量，使得改进后的密封胶囊补气周期从4 h以下提升到18 h以上(从450 000 Pa降到400 000 Pa)；同时，24 h水腔室108 000 Pa长效密封试验，密封胶囊干腔室、湿腔室、中间腔室压力稳定，密封效果良好，无液体泄漏；控制系统还协同堵板密封组件进行了主动密封试验、水压强度试验、被动密封试验等，均满足出厂试验大纲的技术要求。

5 结论

本文在分析了堵板密封组件工作原理的基础上，设计了完整的控制系统。试验结果表明，该控制系统方案设计合理，人机界面简洁直观、操作方便、运行可靠，实现了蒸汽发生器一次侧密封过程的自动控制、数据自动记录、报警信息自动发送。该设计降低了操作人员的工作强度，能够有效地配合堵板密封组件完成核电厂大修期间蒸汽发生器一次侧的密封工作。下一步，将对该控制系统进行小型化和轻量化改进设计，进一步提升系统本体管路的密封性能。展望未来，该设计方案可推广应用到国内外其他核电厂，在核电厂检修领域发挥重要的作用，具有一定的应用前景[11]。