數字化核電站中穩壓器壓力控制系統的結構和特點

杜茂

【摘 要】穩壓器壓力控制系統是壓水堆核電站中的重要調節系統。本文以福建福清核電站為參考核電站，介紹了采用數字化儀控系統（DCS）的核電站中穩壓器壓力控制系統的結構和特點。從壓力信號采集及處理、控制系統結構、多重執行機構等方面介紹了穩壓器壓力控制系統的結構，同時介紹了使用數字化儀控系統（DCS）的核電站中穩壓器壓力控制系統的軟硬件平臺。通過分析系統的結構及軟硬件平臺，得出穩壓器壓力控制系統具有多傳感器、PID控制、多重執行機構、執行機構多樣性、控制處理器冗余等優點。反映出控制系統在核電站中特有的單一故障準則、多重冗余性、多樣性等特點，體現出核電站中穩壓器壓力控制系統為提高安全性和穩定性而采取的特別措施。本文為核電站穩壓器壓力控制系統的調試和維護提供了一定的技術參考。

【關鍵詞】數字化核電站；穩壓器壓力控制；數字化儀控系統

中圖分類號： TL362 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）11-0028-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.11.011

0 前言

隨著我國核電事業的迅速發展[1]，核電站控制系統的結構設計和軟硬件實現也在不斷進步。在壓水堆核電站中，為了避免反應堆內的冷卻劑產生泡核沸騰，避免損壞反應堆冷卻劑系統的設備和部件，反應堆冷卻劑壓力必須嚴格控制在15.4MPa（相對壓力，下同）附近。在壓水堆核電站中，反應堆冷卻劑壓力通過一根波動管將一環路的熱段和穩壓器連接起來進行控制，穩壓器的液腔和汽腔保持在平衡狀態，以減少冷卻劑的膨脹而引起的壓力變化，反應堆冷卻劑壓力控制是由穩壓器及其附屬設備進行控制的，因此反應堆冷卻劑壓力控制是由穩壓器壓力控制系統來實現的。穩壓器壓力控制系統是核電站中一個非常重要的控制系統。

福清核電站1、2號機組是M310加改進型壓水堆核電機組，采用數字化儀控系統（DCS）和先進主控室設計，其穩壓器控制系統的結構和實現有其代表性。本文研究了福清核電站1、2號機組的穩壓器壓力控制系統的結構和軟硬件方面的特點。從穩壓器壓力測量單元、調節通道、執行機構三個方面分析了穩壓器壓力控制系統的結構，并簡單介紹了軟硬件實現，最后總結了福清核電站1、2號機組中穩壓器壓力控制系統的特點，如多重傳感器測量、PID控制回路、執行機構冗余、多樣化的執行機構、控制處理器冗余等，為核電站穩壓器壓力控制系統的調試和維護提供了一定的技術參考。

1 控制系統結構

在福建福清核電站1、2號機組中，穩壓器壓力控制系統的結構如圖1所示，包括測量單元、調節單元、執行機構三個部分。

1.1 穩壓器壓力測量單元

穩壓器的壓力控制系統的壓力測量采用3臺羅斯蒙特公司生產的壓力變送器RCP013、014、015MP，量程為11～18MPa，測量精度為0.25%。3臺壓力變送器獨立測量，測量得到的模擬量壓力數據經過一個選擇器RCP402VT進行處理后得到壓力測量值。選擇器的輸出是有效輸入信號的平均值，當有一個輸入無效時，選擇器輸出余下兩個有效輸入的平均值，當有兩個或兩個以上信號無效時，選擇器輸出保持上一時刻有效值并自動地將相關控制器切換至手動模式。輸入信號無效是指該信號的質量位無效或該輸入信號與其他兩個輸入信號的偏差絕對值大于量程的5%。可見，當一個或兩個傳感器故障時，壓力控制系統仍然能夠正常運行，即使是三臺傳感器同時故障，也依然能夠借助別的傳感器的測量數據進行手動控制。這種3個傳感器求平均值的測量模式體現了核電站設計中的單一故障準則，同時也提高了控制系統的準確性、可用性和穩定性。

1.2 執行機構

穩壓器壓力控制系統的執行機構由非能動式和能動式執行機構組成。

非能動執行機構是三個安全閥組，提供穩壓器的超壓保護，不受控制系統控制。每組安全閥由兩臺相似的先導式安全閥串聯安裝而成。保護閥是提供卸壓功能的上游閥門，隔離閥是提供隔離功能的下游閥門，正常運行期間，保護閥關閉，隔離閥開啟。當穩壓器壓力超過保護閥整定值時，相應保護閥開啟卸壓。三臺保護閥的開啟整定值分別為16.6MPa.a，17.0 MPa.a，17.2 MPa.a。

穩壓器壓力控制系統的能動式執行機構包括：6組電加熱器，其中兩組是比例電加熱器，四組是通斷電加熱器；1個雙回路噴霧系統，每個回路都有一個調節閥，共用一個噴頭；

穩壓器噴霧系統的作用是把取自兩個冷段的水噴入穩壓器頂部汽腔，使蒸汽冷凝，降低穩壓器壓力。噴淋流量由兩臺穩壓器噴淋閥進行調節。兩臺穩壓器噴淋閥，均為氣動調節閥，將4～20mA模擬量閥門開度信號通過電氣轉換器和氣動放大器輸出到閥門膜片以驅動閥門到達指定開度，進而調節噴淋流量來改變穩壓器壓力。

電加熱器的功能是在穩壓器壓力下降時，加熱穩壓器中的水，使更多的水汽化，蒸汽壓力升高，從而使穩壓器的壓力升高。

1.3 調節通道

穩壓器的壓力控制系統的調節通道是一個PID調節回路，傳遞函數如下：

穩壓器壓力整定值為15.4MPa，在DCS機柜中設定，PID調節器的輸入是壓力測量值與整定值之間的偏差，輸出作為補償壓差（P-Pref）控制各執行機構。該調節器在由一個PI調節器和一個PD調節器串聯組成，調節參數分別為[2]：

比例帶PPI=13.6%，PPD=52.19；

積分時間T21=600s；

微分時間T22=6.67s；

下限幅=5%，對應補償壓差為-0.232MPa；

上限幅=95%，對應補償壓差為0.816MPa。

調節器RCP401RG的輸出補償壓差（P-Pref）分別送到RCP402、403RG、RCP401、409GD、RCP430XU1操作穩壓器噴淋閥、比例電加熱器、通斷式電加熱器。

1.3.1 噴淋閥調節

對兩臺穩壓器噴淋閥進行調節的調節器RCP402、403RG的調節參數如圖2所示：

1.3.2 比例式電加熱器調節

RCP401、409GD用來調節比例式電加熱器RCP003RS、RCP004RS的參數如下圖所示：

1.3.3 通斷式電加熱器調節

通斷式電加熱器的控制由RCP430XU1控制，當RCP401RG的輸出小于-0.17MPa時，通斷式電加熱器接通，然后當由這些電加熱器造成的壓力回升到足夠大時斷開，此時壓力回升的速率減小，因為只有比例電加熱器在工作，當RCP401RG輸出回升到-0.1MPa時，通斷式電加熱器切除。

綜合上述控制要求，得到圖4所示穩壓器壓力控制特性圖[3]。

1.4 軟硬件介紹

福清核電站采用數字化儀控系統DCS（Distributed Control System ，也稱分布式控制系統）對全廠生產過程進行集中監測、操作、管理和分散控制[4]。

福清核電DCS工作站采用DELL T3500工作站，控制器采用目前主流使用的控制器FCP270，控制功能塊執行速度為10，000個功能塊/秒，可組態多達4，000個控制模塊；控制器是控制系統處理一層工藝數據的核心，兩個FCP設為一個容錯對，與相連的現場總線組件（FBM）一起，可按組態好的控制方案對過程進行控制。

FCP是系統核心設備，完成數據采集、檢測、運算、報警和傳送信息的功能。CP的處理能力因芯片的型號而異。基本處理周期最快可定義為0.05秒（在系統組態時定義），在福清核電1、2號機組中為0.1秒。

現場總線模塊采用DIN 200系列FBM，現場總線組件（FBM）是現場傳感器和執行器與控制處理機的接口，是一種智能化的IO組件，FBM對現場設備使用的電氣輸入和輸出信號進行適當轉換使得通過現場總線能與這些裝置通訊。現場組件可與控制處理機CP或運行I/A Series綜合控制軟件的個人計算機連接，各種FBM與工廠中通常遇到的各種現場信號相匹配。

交換機采用三層次交換機：電廠級、機組級和ROOM級。電廠級和1、2機組級交換機采用Enterasys N3，Room和9號機組級交換機采用Enterasys N1。

IA系列控制軟件采用了目前比較穩定的IA V8.4.3版本，為了適應核電站項目規模大、控制要求高的特點，網絡結構采用倒掛樹結構Mesh網。

在穩壓器壓力控制系統中，負責采集穩壓器壓力的現場總線組件是FBM204，它有4個獨立的4～20mA模擬量輸入通道和4個獨立的0～20mA模擬量輸出通道。來自現場壓力變送器的4～20mA模擬量信號通過FBM204轉化為數字量后傳送至FCP處理器，再通過光纖傳送至交換機，即輸入至？MESH網。壓力控制模塊程序的組態在FCP中運行，運行周期為100ms。

控制系統輸出至穩壓器噴淋閥的開度信號和比例式電加熱器的功率控制信號是由FBM208進行輸出的，FBM208具有4個獨立的0～20mA模擬量輸入通道和4個獨立的0～20模擬量輸出通道。

四個通斷式電加熱器的通斷控制信號由FBM242進行輸出，FBM242具有16個獨立的通斷信號輸出通道。

2 控制系統特點

2.1 多傳感器

穩壓器壓力控制系統使用三臺壓力變送器測量穩壓器壓力數據，當一個或兩個傳感器故障時，壓力控制系統仍然能夠正常運行，即使是三臺傳感器同時故障，也依然能夠借助別的傳感器的測量數據進行手動控制。這種3個傳感器求平均值及可降級求平均的測量模式體現了核電站設計中的單一故障準則，同時也提高了控制系統的準確性、可用性和穩定性。

2.2 PID控制

穩壓器壓力控制系統使用PID調節模式，適合于核電站環境相對惡劣的場合，PID算法有一套完整的參數整定與設計方法，易于工程師進行現場調整。核電站控制系統更注重可靠性，PID控制能在同等條件下得到更高的可靠性。

2.3 執行機構多樣

穩壓器壓力控制系統采用多樣化的執行機構，有非能動的先導式安全閥、隔離閥、冷卻劑噴淋閥、比例式電加熱器、通斷式電加熱器。多樣化的執行機構增加了控制系統的安全性和穩定生。

2.4 執行機構冗余

穩壓器壓力控制系統中使用3組安全閥組、2臺穩壓器噴淋閥、2組比例式電加熱器、4組通斷式電加熱器，這些冗余設計是為了保證核電站中的單一故障準則，即單臺設備故障不影響核電站的安全性能。

2.5 控制處理器冗余

在福清核電DCS系統中，兩個FCP構成一個冗余容錯對使用并線器連接通過光纖連接至交換機。

3 結論

福清核電1、2號機組穩壓器壓力控制系統采用多傳感器求平均及降級求平均的方法得到穩壓器壓力測量數據，通過PID調節回路產生補償差壓，進而控制多重執行機構。結合數字化儀控系統的特點，其具有，多傳感器、PID控制、多樣化的執行機構、執行機構冗余、控制處理器冗余等優點，極大提高了穩壓器壓力控制系統的可靠性和穩定性，進而提高了壓水堆核電機組的安全性。

【參考文獻】

[1]陳夢然.中國核電發展及未來，武漢：武漢大學，2010.

[2]李玉惠.自動控制原理，北京：清華大學出版社，2008.

[3]高鵬.核電站調節控制系統的數字仿真研究，上海：上海交通大學，2006.

[4]周榮富，陶文英.集散控制系統[M].北京大學出版社，2011：20-22.

[5]凌志浩.DCS與現場總線控制系統[M].華東理工大學出版社，2008：42-43.