靳亚伟
福建宁德核电有限公司 培训部 福建 宁德市
摘要：针对汽轮机控制系统培训中存在的问题，提出了基于全范围模拟机开发核电站汽轮机控制系统专项培训模拟机的开发方案，分析了专项培训模拟机开发过程中的技术难点及解决措施。试运行证明，该专项培训模拟机设计合理、运行稳定，可简洁明了地呈现参考机组稳态运行和瞬态过程时汽轮机控制系统的动态计算过程，加深学员对汽轮机控制系统原理的直观认识，极大提升培训效果。
关键字：专项培训模拟机；汽轮机控制；全范围模拟机
1 绪论
核电站汽轮机控制系统（TGC）的作用是实现对机组的功率、频率、压力、应力控制，并在异常情况下提供停机或甩负荷手段，保证机组安全，是核电站重要的仪控系统。但是国内核电机组TGC多采用国外厂商开发的软硬件系统，该系统自成一体，通用性差，给电站运行和维护带来很大困扰，汽轮机控制系统培训就成了核电站运行等相关专业人员培训的重要内容。
目前，汽轮机控制系统培训主要通过课堂培训和全范围模拟机进行。课堂培训侧重于对控制原理和硬件结构的介绍，不利于学员掌握关键控制过程及控制参数。再加上汽轮机控制系统逻辑相对复杂，课堂培训后学员尚需要耗费大量时间才能整理出控制结构，学习效率较低。全范围模拟机因受法规约束，人机界面需与实际机组一致，而该界面在设计上侧重于对机组整体监控，而控制过程及计算瞬态通常隐藏在后台，导致使用全范围模拟机在进行汽轮机控制系统专项培训时存在如下问题：1)、全范围模拟机无TGC控制原理画面，学员无法TGC框架形成直观认识。2)、全范围模拟机仅显示部分TGC参数，无法演示重要过程瞬态的逻辑计算过程； 3)、全范围模拟机界面显示的TGC参数仅有简单描述，初学者不易掌握相关参数的作用及来源；4)、全范围模拟机大量TGC关键数据隐藏在后台，学员无法进行逻辑分析。
针对当前汽轮机控制系统培训中存在的问题，在详细的培训需求分析基础上，本文将从开发方案、硬件结构、软件功能、演示画面设计等环节叙述汽轮机控制系统专项培训模拟机开发过程。
2 开发方案
核安全法规HAF103规定核电站操纵员必须通过核电站全范围模拟机的学习、培训和考试才能取得相应执照。全范围模拟机作为核电站操纵员培训的必备设施，在核电人才培养上起着不可替代的作用。但因核电站工作的复杂性以及承担重大核安全风险的特点，全范围模拟机不可能涵盖所有核电培训项目，一些特定用途的模拟机不断被研发成功并投入使用，如：工程验证模拟机、原理性模拟机、严重事故模拟机和事故分析模拟机。而汽轮机控制系统作为核电站常规岛最重要的仪控系统，目前尚未专用模拟机研发。
全范围模拟机内部的汽轮机控制系统模型通常采用翻译参考机组实际逻辑的方式建模，与现场逻辑的一致性程度高；汽机本体等相关工艺系统模型经多年的培训实践，可靠性有保证。依托已调试完善的全范围模拟机底层模型数据，通过开发动态展现汽轮机控制系统瞬态计算过程的演示站人机界面，既能解决全范围模拟机在汽轮机控制系统培训中存在的问题，又能利用现有资源降低开发成本，便于后期维护。
3 系统结构
汽轮机控制系统专项培训模拟机可以搭配全范围模拟机使用，也可独立使用。单独配置时汽轮机控制系统专项培训模拟机由工艺模型服务器、虚拟DCS服务器、操纵员站、教练员站和演示站组成。工艺模型服务器模拟现场工艺系统及汽轮机控制系统；虚拟DCS服务器模拟现场DCS系统；操纵员站提供机组控制界面；教练员站用于控制模拟机的运行、停止、故障插入等功能。演示站用于动态展示汽轮机控制系统瞬态运算过程及结果。搭配全范围模拟机使用时，仅需在全范围模拟机的基础上增设演示站。汽轮机控制系统专项培训模拟机结构如图1所示。
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4 软件功能
为了能便捷展示汽轮机控制系统的底层运算过程，专项培训模拟机应具备的功能有：初始条件功能、故障控制功能、慢速运行功能、演示站画面组态功能。
4.1 初始条件功能
初始条件是指一组代表参考机组状态而实时模拟又可从这一状态开始的数据。培训前存储好理想的初始条件，可使培训快速进入主题，提高培训效率。
4.2 故障控制功能
故障控制是指通过人为引入或取消突发因素从而触发或结束某一运行瞬态。故障控制功能可以随时将汽轮机控制系统专项培训模拟机带入故障运行瞬态，便于学员观察故障瞬态时汽轮机控制系统的内部运算过程。
4.3慢速运行功能
汽轮机控制系统的计算周期为50ms，对于大部分瞬态过程，如果采用正常的时间进度，人眼无法扑捉到相关参数的运算过程。汽轮机控制系统专项培训模拟机综合利用运算周期、分步计算、延时计算等功能，建立不同瞬态的的慢化序列，在使用时根据具体瞬态的需要，调用相应慢化序列，从而完美实现慢速功能。
4.4演示站画面组态功能
汽轮机控制专项培训模拟机根据控制系统涉及的功能模块针对性地开发相应图符或控件，开发演示站画面时，只需通过现有控件组态即可，便于后期维护和人机界面扩展。
4.5人机画面与底层模型匹配功能
演示站人机画面是根据控制原理和工况瞬态的展现需求而对实际逻辑的简化和提炼，设计时通常仅呈现部分计算数据。实际培训时学员有对比逻辑主线与机组真实逻辑的需求，为此汽轮机控制系统模拟机开发人机界面与底层模型匹配功能，通过演示站画面就能关联到底层逻辑。
5 演示画面设计
演示站人机画面设计的总原则是在呈现特定工况或瞬态运行状况的前提下尽量保持画面的简洁性。因此根据特定的培训目的可以将演示画面分为整体画面、局部画面和瞬态画面。
5.1整体画面设计
整体画画以不同的简化程度展示汽轮机控制系统的框架，通过对稳态运行时所处控制回路和瞬态运行时逻辑切换的展示，帮助各层次学员理解转速控制、功率控制、AC级、BC级、负荷控制等基本概念和关键瞬态的大体过程。
5.2局部画面设计
局部画面用来展示汽轮机控制系统中关键环节的计算过程，这些关键环节会在控制系统的其他部分引用，为了保持整体画面的简洁性，汽轮机控制系统专项培训模拟机通过局部画面的方式设计。学员可以通过整体画面跳转到相应局部画面，以观察该信号的运算情况。
5.3瞬态画面设计
瞬态画面是在整体画面和局部画面的基础上，根据不同瞬态的控制过程增加相应控制细节开发而成。配合慢速功能汽轮机控制专项培训模拟机可以将快速且连续的瞬态过程分解成步进模式画面呈现给学员，对于复杂的瞬态场景，还会通过序号标识出某一瞬态从开始到结束的步进序列。
以小电网故障为例，当电网发生故障导致保护自动动作，造成电网甩掉部分负荷或相互解列成几个独立的“小”网，这就是小电网故障。当小电网故障发生时，汽轮机控制系统的动作时序为：1、外部负荷减小，导致实测转速突升；2、频率贡献负向增大；3、蒸汽需求值和汽轮机调阀开度减小； 4、负荷AC级跟踪值大于上限102%；5、负荷BC级输出上限102，蒸汽需求值和汽轮机调阀开度为102%减去频率贡献；6、目标负荷维持100%不变；7、负荷调节器以100%减去频率贡献为目标反复调节；8、最终发电机组维持在出力与小电网相等，转速高于1500转的某一状态。
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图2：小电网故障瞬态画面
6 结论
汽轮机控制系统专项培训模拟机依托全范围模拟机已调试完善的工艺系统模型和汽轮机控制系统模型，通过整体画面、局部画面和瞬态画面，将不同工况汽轮机控制系统的底层逻辑运算呈现给学员。投运实践证明：该专项培训模拟机数据运行可靠，人机界面合理，充分利用现有资源解决了培训问题。不同详略程度的演示站画画设计可满足各层次培训的需要，从而解决目前在汽轮机控制系统培训中存在的学习难度大，培训效率低等问题。因该方案开发成本低、周期短，适用于在国内各核电基地推广。
参考文献
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