一种核电站汽动主给水泵的转速控制系统及方法与流程

本发明涉及核电站技术领域，尤其涉及一种核电站汽动主给水泵的转速控制系统及方法。

背景技术：

在核电站工艺系统设计中，主给水系统用于向蒸汽发生器供水，保证蒸汽发生器的给水母管和蒸汽母管之间的压差等于一个随机组负荷变化的整定值，以便维持给水流量控制系统调节阀前后差压近似恒定，满足蒸汽发生器的供水流量要求。蒸发器主给水流量控制是一个串级pid闭环调节系统，其内环即为以汽动主给水泵转速为控制目标的pid控制系统。在串级pid闭环调节系统中，内环pid对串级pid闭环调节系统响应的快速性有至关重要的作用。

在部分核电站汽动主给水系统中，汽动主给水泵完整的转速控制系统包括启动控制子系统和带载调速子系统。如图1所示，启动控制子系统由可编程控制器(plc)控制启动阀，带载调速子系统的电气转换器(ep)和机械调速器控制蒸汽调节阀(抽汽阀1、抽汽阀2和新蒸汽阀均是蒸汽调节阀，在对蒸汽调节阀进行调节时，可以选择这三种蒸汽调节阀中的一个进行调节)。在转速控制系统启动前，蒸汽调节阀处于关闭位置、启动阀处于全开位置，给定转速信号对应的转速给定值为4ma，信号油压小于所有蒸汽调节阀的开启阈值。当可编程控制器完成对汽动主给水泵启动自检后，开始控制启动阀使其开度逐渐关小，信号油压力逐渐上升，蒸汽调节阀逐渐打开，汽动主给水泵的转速逐渐上升，直至汽动主给水泵转速达到最小转速要求。汽动主给水泵到达最小转速后，启动阀继续关闭，蒸汽调节阀为维持汽动主给水泵的转速恒定渐渐开启，当启动阀达到全关位置时，核电站汽动主给水系统完成启动。此后启动阀保持全关，启动控制子系统退出转速控制，转速控制由蒸汽调节阀实现。

后续汽动主给水泵升速带载时，电气转换器接收4～20ma给定转速信号并将其线性转换为0.2～1.0bar的气信号送给机械调速器，机械调速器内部设计有飞锤结构用于检测汽动主给水泵实际转速，机械调速器根据给定转速信号与实际转速信号之间的偏差，输出力矩以调节引漏阀开度，控制信号油压力，信号油压力控制新蒸汽阀开度，以调节进汽量，最终实现汽动给水泵转速控制。

上述电气转换器(ep)加机械调速器的带载调速子系统，结构复杂，存在调节精度差、响应慢、调试困难、故障点多、故障排除难、人机交互友好性差等问题。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提供一种核电站汽动主给水泵的转速控制系统及方法，可以提高汽动主给水泵转速调节的精度，优化转速控制系统的可靠性。

本发明提供的一种核电站汽动主给水泵的转速控制系统，包含有：数字控制器、保护跳闸电路、驱动器、执行器以及两个转速传感器；

所述两个转速传感器，用于分别采集汽动主给水泵的转速，并生成对应的转速脉冲信号，且将所述转速脉冲信号输送至所述数字控制器；

所述数字控制器，用于根据所述两个转速传感器对应的两个转速脉冲信号，确定汽动主给水泵的实测转速值，并根据所述实测转速值和给定转速信号，生成对应的控制信号，且将所述控制信号输送至所述驱动器；

所述驱动器，用于根据所述控制信号和所述执行器的反馈信号生成对应的驱动电流，并将所述驱动电流输出至所述执行器，驱动所述执行器动作，以调节蒸汽调节阀的阀门开度，通过调节蒸汽调节阀的阀门开度调节所述汽动主给水泵的转速。

优选地，所述数字控制器还用于根据所述两个转速脉冲信号和所述两个转速传感器的电耗情况判断所述两个转速传感器是否发生故障，且当其中一个转速传感器发生故障时，则所述数字控制器控制报警模块发出故障报警；当所述两个转速传感器均发生故障时，则通过所述保护跳闸电路，触发所述汽动主给水泵的跳闸保护。

优选地，所述数字控制器，还用于当所述两个转速传感器均发生故障时，通过两组通道分别发出的跳闸指令；其中，每一组通道包含有两个通道；

所述保护跳闸电路包含有两个跳闸判断回路，所述两个跳闸判断回路分别与所述两组通道电性连接；其中，每一个跳闸判断回路用于当其对应连接的一组通道中的两个通道均输出跳闸指令时，则输出跳闸指令至保护系统，通过所述保护系统将核电站汽动主给水系统中的保护油泄放，实现所述汽动主给水泵的跳闸保护。

优选地，还包括冗余供电电路；

所述冗余供电电路，与所述数字控制器、所述驱动器和所述保护跳闸电路电性连接，用于接收交流电源输出的交流电和直流电源输出的直流电，并将所接收的交流电和直流电转化为规定电压等级的直流电给所述转速控制系统供电。

优选地，所述冗余供电电路包括：滤波器、浪涌保护器、dc/dc转换器、ac/dc转换器、冗余模块；

所述滤波器的输入端接入直流电源，输出端与所述dc/dc转换器的输入端连接，所述dc/dc转换器的输出端与所述冗余模块连接；

所述浪涌保护器的输入端接入交流电源，输出端与所述ac/dc转换器的输入端连接，所述ac/dc转换器的输出端与所述冗余模块连接；

所述冗余模块包含有两个二极管，所述两个二极管的阳极分别与所述dc/dc转换器的输出端以及所述ac/dc转换器的输出端连接，所述两个二极管的阴极相连接作为所述冗余供电电路的输出端。

优选地，所述数字控制器包含有两个隔离单元、两个转速故障诊断单元、两个转速计算单元和pid控制单元；

每一所述隔离单元分别与一个所述转速传感器和一个所述转速计算单元电性连接，用于将所述转速传感器输出的高等级转速脉冲信号转换为低等级转速脉冲信号输出至所述转速计算单元，且将所述低等级转速脉冲信号与所述高等级转速脉冲信号进行电气隔离；

所述转速计算单元，与所述转速故障诊断单元电性连接，用于根据所述低等级转速脉冲信号，计算汽动主给水泵的实测转速值，并将所述低等级转速脉冲信号和汽动主给水泵的实测转速值输送至所述转速故障诊断单元；

所述转速故障诊断单元，用于根据所述汽动主给水泵的实测转速值和转速传感器的电耗情况，判断所述转速传感器是否出现故障，若否，则将所述低等级转速脉冲信号输送至所述pid控制单元；

所述pid控制单元，以所述两个转速传感器对应的所述汽动主给水泵的两个实测转速值的高选结果和给定转速信号为输入，计算给定转速信号对应的给定转速值与实测转速值之间的偏差，再将所述给定转速值与所述实测转速值之间的偏差经pid算法运算后生成对应的控制信号，并将所述控制信号送至所述驱动器。

优选地，还包括有信息记录模块；

所述信息记录模块，与所述数字控制器通信连接，用于接收来自所述数字控制器的所述给定转速信号、所述实际转速信号、所述驱动信号以及报警信息，并对所述给定转速信号、所述实际转速信号、所述驱动信号以及所述报警信息进行循环记录。

本发明还提供一种核电站汽动主给水泵的转速控制方法，包括下述步骤：

通过两个转速传感器分别采集汽动主给水泵的转速，并生成对应的转速脉冲信号，且将所述转速脉冲信号输送至数字控制器；

所述数字控制器根据所述两个转速传感器对应的转速脉冲信号确定汽动主给水泵的实测转速值，并根据所述实测转速值和给定转速信号，生成对应的控制信号，且将所述控制信号输送至驱动器；

所述驱动器根据所述控制信号和执行器的反馈信号生成对应的驱动电流，并将所述驱动电流输出至所述执行器，驱动所述执行器动作，通过所述执行器调节蒸汽调节阀的阀门开度，通过调节蒸汽调节阀的阀门开度调节所述汽动主给水泵的转速。

优选地，还包括下述步骤：

所述数字控制器根据所述两个转速脉冲信号和所述两个转速传感器的电耗情况判断所述两个转速传感器是否发生故障，且当其中一个转速传感器发生故障时，所述数字控制器控制报警模块发出故障报警，当所述两个转速传感器均发生故障时，则通过所述保护跳闸电路，触发所述汽动主给水泵的跳闸保护。

优选地，通过所述保护跳闸电路，触发所述汽动主给水泵的跳闸保护，具体包括下述步骤：

当所述两个转速传感器均发生故障时，所述数字控制器通过两组通道分别发出的跳闸指令；其中，每一组通道包含有两个通道；

所述保护跳闸电路中的第一个跳闸判断回路在第一组通道中的两个通道均输出跳闸指令时，输出跳闸指令至保护系统，或所述保护跳闸电路中的第二个跳闸判断回路在第二组通道中的两个通道均输出跳闸指令时，输出跳闸指令至保护系统，通过所述保护系统将核电站汽动主给水系统中的保护油泄放，实现所述汽动主给水泵的跳闸保护。

实施本发明，具有如下有益效果：本发明通过实测采集汽动主给水泵的转速，根据汽动主给水泵的转速、给定转速以及执行器的反馈信号对蒸汽调节阀的阀门开度进行调节，进而实现对汽动主给水泵的转速进行实测调节，提高了汽动主给水泵转速调节的精度，优化了核电站汽动主给水泵的转速控制系统的可靠性。并且，本发明可以全自动调节蒸汽调节阀的阀门开度，可以提高汽动主给水泵的转速调节速度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本背景技术中核电站汽动主给系统的原理框图。

图2是本发明提供的核电站汽动主给水泵的转速控制系统原理框图。

图3是本发明提供的数字控制器、驱动器、执行器之间的交互示意图。

图4是本发明提供的冗余供电电路的原理框图。

图5是本发明提供的保护跳闸电路的运行逻辑图。

图6是本发明提供的数字控制器的原理框图。

具体实施方式

本发明提供一种核电站汽动主给水泵4的转速控制系统，如图2所示，该转速控制系统包含有：数字控制器1、保护跳闸电路8、驱动器2、执行器3以及两个转速传感器5。

两个转速传感器5用于分别采集汽动主给水泵4的转速，并生成对应的转速脉冲信号，且将转速脉冲信号输送至数字控制器1。

数字控制器1用于根据两个转速传感器5对应的两个转速脉冲信号，确定汽动主给水泵4的实测转速值，并根据实测转速值和上游系统送来的给定转速信号，生成对应的控制信号，且将控制信号输送至驱动器2。

驱动器2用于根据控制信号和执行器3的反馈信号生成对应的驱动电流，并将驱动电流输出至执行器3，驱动执行器3动作，通过执行器3调节蒸汽调节阀6的阀门开度，通过调节蒸汽调节阀6的阀门开度调节汽动主给水泵4的转速。执行器3的反馈信号，即是蒸汽调节阀6的当前阀门开度的信号。

这里，蒸汽调节阀6可以是图1中的任意一个抽汽阀或者新蒸汽阀。执行器3如何选择蒸汽调节阀6中的任意一个抽汽阀或者新蒸汽阀的阀门开度进行调节的执行逻辑属于本领域的现有技术，这里不做赘述。

如图3所示，数字控制器1中包含有用于输出控制信号的pid输出单元17和用于接收反馈信号的反馈接收单元10，执行器3包含有接收来自驱动器2的驱动电流的指令接收单元31，以及用于输出反馈信号的状态反馈单元32。

进一步地，数字控制器1还用于根据两个转速脉冲信号和两个转速传感器的电耗情况判断两个转速传感器5是否发生故障，且当其中一个转速传感器5发生故障时，则数字控制器1控制报警模块10发出故障报警，当两个转速传感器5均发生故障时，则通过保护跳闸电路8，触发汽动主给水泵4的跳闸保护。保护跳闸电路8综合考虑了拒动和误动的风险。

进一步地，核电站汽动主给水泵4的转速控制系统还包括冗余供电电路7。

冗余供电电路7与数字控制器1、驱动器2和保护跳闸电路电性连接，用于接收交流电源的交流电和直流电源输出的直流电，并将所接收的交流电和直流电转化为规定电压等级的直流电，将规定电压等级的直流电给转速控制系统供电。一般而言，这里规定电压等级的直流电为24v的直流电。

如图4所示，冗余供电电路7包括：滤波器71、浪涌保护器72、dc/dc转换器(直流-直流转换器)73、ac/dc转换器(交流-直流转换器)74、冗余模块75。

滤波器71的输入端接入直流电源，滤波器71的输出端与dc/dc转换器73的输入端连接，dc/dc转换器73的输出端与冗余模块75连接。

浪涌保护器72的输入端接入交流电源，输出端与ac/dc转换器74的输入端连接，ac/dc转换器74的输出端与冗余模块75连接。

冗余模块75包含有两个二极管，两个二极管的阳极分别与dc/dc转换器73的输出端以及ac/dc转换器74的输出端连接，两个二极管的阴极相连接作为冗余供电电路7的输出端。dc/dc转换器73的输入端与ac/dc转换器74的输入端可直接连接。这样，当dc/dc转换器73输出的直流电的电位更高时，则将dc/dc转换器73输出端的直流电进行输出，当ac/dc转换器74输出的直流电的电位更高时，则将ac/dc转换器74输出端的直流电进行输出。

冗余供电电路7充分考虑了冗余和容错，可靠性高。

进一步地，数字控制器1还用于当两个转速传感器5均发生故障时，通过两组通道分别发出的跳闸指令；其中，每一组通道包含有两个通道。如图5所示，数字控制器1上的第一通道和第二通道为一组，第三通道和第四通道为一组。

保护跳闸电路8包含有两个跳闸判断回路，如图5所示的第一跳闸判断回路和第二跳闸判断回路，两个跳闸判断回路分别与两组通道电性连接；其中，每一个跳闸判断回路用于当其对应连接的一组通道中的两个通道均输出跳闸指令时，则输出跳闸指令至保护系统，通过保护系统将核电站汽动主给水系统中的保护油泄放，实现汽动主给水泵4的跳闸保护。

每一个跳闸判断回路可以是两个继电器，这两个继电器的输入触点分别与同一组通道中的两个通道连接，且这两个继电器的输出触点相连接作为跳闸判断回路的输出端。当数字控制器1检测到任何一个继电器发生故障时，控制报警模块10进行报警。

数字控制器1通过两组通道发出跳闸指令，保护跳闸电路8通过两个跳闸判断回路输出跳闸指令，可以充分考虑冗余和容错，可靠性高。

如图6所示，数字控制器1包含有两个隔离单元11、两个转速故障诊断单元12、两个转速计算单元13和pid控制单元14。

每一隔离单元11分别与一个转速传感器5和一个转速计算单元13电性连接，用于将转速传感器5输出的高等级转速脉冲信号(例如电压在0～24v之间的转速脉冲信号)转换为低等级转速脉冲信号(例如电压为5v、3v以及1.5v中一种的转速脉冲信号)，且将低等级转速脉冲信号输出至转速计算单元13，且将低等级转速脉冲信号与高等级转速脉冲信号进行电气隔离。

转速计算单元13与转速故障诊断单元12电性连接，用于根据低等级转速脉冲信号，计算汽动主给水泵4的实测转速值，并将低等级转速脉冲信号和汽动主给水泵的实测转速值输送至转速故障诊断单元12。

转速故障诊断单元12用于根据汽动主给水泵4的实测转速值和转速传感器的电耗情况，判断转速传感器5是否出现故障，若否，则将低等级转速脉冲信号输送至pid控制单元14。

pid控制单元14以两个转速传感器5对应的汽动主给水泵4的两个实测转速值的高选结果和给定转速信号为输入，计算给定转速信号对应的给定转速值与实测转速值之间的偏差，再将给定转速值与实测转速值之间的偏差经pid算法(按偏差的比例进行控制)运算后生成对应的控制信号，并将控制信号送至驱动器2。

数字控制器1还包含有故障管理单元15、报警和跳泵管理单元16。

故障管理单元15与两个转速故障诊断单元12电性连接，每一个转速故障诊断单元12均分别将对应的转速传感器5的故障判断结果输送至故障管理单元15，故障管理单元15用于根据判断是一个转速传感器5发生故障，还是两个速传感器5均发生故障，若其中一个转速传感器5发生故障，则通过报警和跳泵管理单元16控制报警模块10进行报警，当两个转速传感器5均发生故障，则通过报警和跳泵管理单元16，控制保护跳闸电路8触发汽动主给水泵4的跳闸保护。

进一步地，核电站汽动主给水泵4的转速控制系统还包括有信息记录模块9。

信息记录模块9与数字控制器1通信连接，用于接收来自数字控制器1的给定转速信号、实际转速信号、驱动信号以及报警信息，并对给定转速信号、实际转速信号、驱动信号以及报警信息进行循环记录，并用于故障的原因分析。这里，报警信息包含有汽动主给水泵4的跳闸保护信息，以及至少两个转速传感器5至少两个转速传感器5均发生故障的综合报警信息。

优选地，数字控制器1在接收不到给定转速信号时，控制报警模块10发出报警，且控制汽动主给水泵4维持在当前转速。数字控制器1还与整个系统的空调连接，当系统空调出现故障时，控制报警模块10报警。当数字控制器1自己死机时，控制保护系统将信号油的油压降为零，进行跳闸保护，当冗余供电电路7中有一路供电出现异常，则控制报警模块10发出报警，当冗余供电电路7中的两路供电都出现异常，则控制保护系统进行跳闸保护。

本发明还提供一种核电站汽动主给水泵4的转速控制方法，该方法包括下述步骤：

通过两个转速传感器5分别采集汽动主给水泵4的转速，并生成对应的转速脉冲信号，且将转速脉冲信号输送至数字控制器1；

数字控制器1根据两个转速传感器5对应的转速脉冲信号确定汽动主给水泵4的实测转速值，并根据实测转速值和给定转速信号，生成对应的控制信号，且将控制信号输送至驱动器2；

驱动器2根据控制信号和执行器的反馈信号生成对应的驱动电流，并将驱动电流输出至执行器3，驱动执行器3动作，通过执行器3调节蒸汽调节阀6的阀门开度，通过调节蒸汽调节阀的阀门开度调节汽动主给水泵4的转速。

进一步地，核电站汽动主给水泵4的转速控制方法还包括下述步骤：

数字控制器1根据两个转速脉冲信号和两个转速传感器5的电耗情况判断两个转速传感器5是否发生故障，且当其中一个转速传感器5发生故障时，则数字控制器1控制报警模块10发出故障报警，当两个转速传感器5均发生故障时，则通过保护跳闸电路8，触发汽动主给水泵4的跳闸保护。

进一步地，通过保护跳闸电路8，触发汽动主给水泵4的跳闸保护，具体包括下述步骤：

当两个转速传感器5均发生故障时，数字控制器1通过两组通道分别发出的跳闸指令；其中，每一组通道包含有两个通道；

保护跳闸电路8中的第一个跳闸判断回路在第一组通道中的两个通道均输出跳闸指令时，输出跳闸指令至保护系统，或保护跳闸电路8中的第二个跳闸判断回路在第二组通道中的两个通道均输出跳闸指令时，输出跳闸指令至保护系统，通过保护系统将核电站汽动主给水系统中的保护油泄放，实现汽动主给水泵4的跳闸保护。

综上，本发明通过两个转速传感器5采集汽动主给水泵4的转速，输出对应的两个转速脉冲信号，数字控制器1根据这两个转速脉冲信号确定汽动主给水泵4的实测转速值，并根据实测转速值和给定转速信号，生成对应的控制信号，通过控制信号和执行器的反馈信号控制驱动器2生成对应的驱动电流，通过驱动电流驱动执行动作，通过执行器3调节蒸汽调节阀6的阀门开度，实现调整汽动主给水泵4的转速调整。

本发明通过实时采集汽动主给水泵4的转速，根据汽动主给水泵4的转速和给定转速对汽动主给水泵4进行实时调节，此外还根据执行器3的反馈信号综合调节汽动主给水泵4的转速，在调试汽动主给水泵4的转速时，可以提高转速调节的响应速度，以及调节的精度，降低汽动主给水泵4转速调节的难度。

进一步地，数字控制器1还将给定转速信号、实际转速信号、驱动信号以及报警信息记录到信息记录模块9中，便于用户根据这些信息分析和解决问题以及调试。数字控制器1还可以对转速控制系统中遇到的不同问题进行报警，方便用户进行监测和排查转速控制系统中的问题，解决带载调速子系统故障排除难的问题。

数字控制器1还可以对应配置人机交互界面(例如显示器)，方便用户通过人机交互界面对数字控制器1输入汽动主给水泵4的额定转速值、最低转速值、pid算法的参数值，数字控制器1根据用户输入的这些参数来参与调节汽动主给水泵4的转速，具有良好的人机交互性能。用户还可以通过人机交互界面对转速控制系统的运行参数进行监视，并可以介入处理。

而且，数字控制器1上还可以预留用于功能拓展的接口，提高功能的扩展性。

本发明可以保证核电站二回路供水稳定，保证核电站运行的连续性和可靠性，提升核电站的经济效益。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。