某核電廠化學和容積控制系統閉環控制參數優化

劉東亮　王犇　雒志強

【摘 要】介紹了某核電廠核島閉環控制原理。對化學和容積控制系統在調試過程中發生的壓力和溫度閉環控制失效問題進行了原因分析，通過優化閉環控制參數解決了上述問題。

【關鍵詞】核電廠；閉環；控制；參數；優化

中圖分類號： TM76 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）11-0062-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.11.025

【Abstract】The paper introduces the NI closed-loop control principle at a nuclear power plant. Analyze cause of the pressure and temperature control failure problems occurred during the chemical and volume control system commissioning. Solved those problems by optimized the closed-loop control parameters.

【Key words】Nuclear power plant； Closed-loop； Control； Parameter； Optimization

0 引言

核電廠核島閉環控制是全廠自動控制的核心，參考成熟堆型壓水堆核電廠建造經驗，閉環控制參數在設計初始值基礎上需經調試優化才能獲得可用數據。盡管相同堆型核電廠之間的閉環控制參數存在差異，但對于新建機組而言仍有較大參考價值。某核電廠面臨核島閉環控制參數只有設計初始值而缺少有價值參考數據的客觀情況，且核島調節器多選用步進式電動執行器，這與國內已掌握的核電廠連續調節式氣動執行器控制理念完全不同。

化學和容積控制系統（RCV）是一回路重要的輔助系統，設計功能為一回路冷卻劑容積控制、水化學控制和反應性控制。RCV的運行狀態與反應堆冷卻劑系統（RCP）的運行狀態直接相關，RCV閉環控制參數的優化效果對于機組運行安全而言有重要意義[1]。該核電廠在未裝載核燃料的工況下，調試發現了RCV高壓減壓站壓力控制閉環和非再生式熱交換器出口溫度控制閉環存在因設計給定初始控制參數不合適導致閉環投運效果不佳問題。研究分析后得出了導致上述兩個問題發生的原因，通過調試優化高壓減壓站下游壓力調節閥（RCV1420VP）和非再生式熱交換器出口溫度調節閥（RCV1237/1247VN）控制參數成功解決了問題。

1 核島閉環控制原理

該核電廠核島閉環控制通道主要選用電動執行器（ECA），閉環控制通道類型包括PID+ECA控制、ECA閥位控制、ECA控制三種。

1.1 PID+ECA控制通道

PID+ECA控制通道主要由接收被控對象過程偏差的PID模塊和接收閥位偏差的ECA控制器組成，用于執行機構接收多個閉環控制回路指令，可調校參數為PID模塊參數和ECA模塊內部參數。控制原理見圖1。1.2 ECA閥位控制通道

ECA閥位控制通道主要由接收被控對象設定值的函數發生器和接收閥位偏差的ECA控制器組成，可調校參數為ECA模塊的控制參數。控制原理見圖2。

1.3 ECA控制通道

ECA控制通道主要由接收被控對象設定值的函數發生器和接收控制偏差的ECA控制器組成，其中由轉換系數或歸一化系數函數發生器產生控制偏差（XD），ECA模塊接收偏差指令進行閉環控制，可調校參數為ECA模塊的控制參數。該型控制通道在核島控制應用范圍最廣，且在三種閉環控制通道中調校難度最大。控制原理見圖3。

2 RCV主要閉環控制參數優化

前文所述ECA控制通道調校難度最大，同時也是現場發生控制問題最多的通道類型。RCV系統調試過程中先后發生了一回路超壓和非再生式熱交換器出口溫度控制閉環參數

2.1 高壓減壓站壓力控制閉環參數優化

2.1.1 壓力控制失效原因分析

冷態功能試驗（CFT）期間在主泵首次啟動過程中發生一回路超壓問題，調取歷史數據后發現RCV1420VP開度與高壓減壓站壓力在試驗過程中存在異常波動，見圖4。

為防止高壓減壓站內部發生閃蒸，需維持高壓減壓站下游表壓力為5 bar。壓力調節器是一個步進式電動執行器（ECA_SC），被調量為高壓減壓站出口壓力，調節量為下泄流量；被調量與其設定值比較后產生控制偏差信號輸入ECA_SC，通過調節RCV1420VP的開度控制下泄流量以實現維持高壓減壓站出口表壓力為5 bar的目標。

CFT期間通過持續觀察，發現高壓減壓站壓力控制閉環投運后壓力控制效果不佳且有明顯的發散特征。由于壓力設定值為5 bar，而保護閾值僅為6 bar，經分析1bar壓力值對應約1%閥門開度，所以RCV1420VP的調節區間非常狹窄，閥門開度輕微波動就可能造成壓力超出允許范圍；由圖4可知高壓減壓站下游壓力（RCV1412MP測量值）在CFT期間對RCV1420VP開度的變化非常敏感，這與上述分析是一致的。按照設計給出的初始控制參數，保護閾值的回差值為1bar，即當6bar保護閾值觸發后RCV1420VP將通過增大閥門開度以降低壓力，但只有當壓力實測值恢復到保護閾值減去其回差值（5bar）時閉環的壓力調節功能才開始發揮作用，但此時RCV1420VP在閥門動作慣性作用下無法及時響應壓力調節需求，導致壓力跟隨閥門開度發生頻繁波動，閉環控制效果不佳。

CFT期間主泵首次啟動過程中，由于RCP一回路排氣不充分造成一回路壓力下降4bar，按照設計方案此時由高壓減壓站的高壓閥門（RCV1314VP）調節一回路壓力[2]，HP閥門和RCV1420VP閥門產生不良耦合，HP閥門下游壓力超過保護閾值（6bar），RCV1420VP開度發生波動，閉環壓力控制效果隨之變得不穩定；當RCV1412MP測量值超過11bar時RCV1314VP和RCV1324VP關閉，導致一回路發生超壓問題。

2.1.2 參數優化方案與驗證結果

綜合原因分析和現場調試試驗，對RCV1420VP壓力控制參數進行了優化，將6bar保護閾值的回差值由原來的1bar優化為0.1bar。參數優化后，6bar保護閾值觸發后RCV1420VP在開指令作用下開啟，當壓力下降至5.9bar就可以在壓力控制信號作用下進行壓力調節，保證了RCV1420VP響應壓力調節需求的及時性，解決了高壓減壓站壓力控制閉環控制效果不佳的問題，優化后的控制效果見圖5。

2.2 非再生式熱交換器出口溫度控制閉環參數優化

2.2.1 溫度控制失效原因分析

按照設計給定的初始參數投運非再生式熱交換器出口溫度控制閉環后，溫度控制調節閥（RCV1237VN）的開度波動異常，導致閥門電機溫度保護動作，RCV1237VN由自動控制切至手動。RCV1237VN控制發生異常振蕩的記錄曲線見圖6。

RCV下泄除鹽床中交換樹脂的耐受溫度不超過65℃；按照系統設計方案，一回路冷卻劑經過再生式熱交換器和非再生式熱交換器兩級降溫至50℃。非再生式熱交換器出口溫度調節是一個前饋加法調節器，被調量為非再生式熱交換器出口溫度（RCV1250/1251MT），調節量為設備冷卻水系統（RRI）的冷卻水流量。流過非再生式熱交換器的下泄流量、RRI冷卻水流量、上充流量和非再生式熱交換器入口溫度作為前饋信號。被調量測量值和溫度設定值（50℃）相減，產生溫度偏差信號，疊加正作用的前饋信號后再減去負作用的前饋信號偏差值，得到步進式電動調節器（ECA_SC）的輸入偏差，通過ECA_SC調節，產生RCV1237VN的開度信號，從而控制RRI冷卻水流量，實現非再生式熱交換器出口溫度調節。

步進驅動是解決電動執行器產生振蕩問題的有效驅動方式，其中控制參數設置合理與否決定了實際控制效果[3，4]。通過分析發現單位流量的下泄、冷卻和上充流體通過熱交換器后釋放的熱量是不同的，因此這三個變量對被調量影響作用是不同的。初始設計方案中給出的控制參數未考慮各前饋信號對被調量的影響差異，上述三個變量的微分時間參數（TD）和阻尼時間常數（TLAG）均設置為1和100。從一回路單相到100%FP滿功率運行，RCV1237VN的入口溫度設計范圍為50～110℃，若只有一組固定的控制參數，顯然無法滿足處于不同入口溫度影響下的RCV1237VN控制需要。

對比歷史試驗記錄后發現，在下泄流量與此次異常事件過程中流量變化情況相近但下泄溫度無明顯波動的工況下，RCV1237VN可以正常發揮其溫度控制作用；因而，此次異常發生前下泄溫度發生的較大幅度的變化（下泄溫度由63.8℃增大至71.6℃）是導致問題發生的直接原因，但究其根本原因則是單一固定的初始控制參數無法滿足不同入口溫度下的RCV1237VN調節需求。

2.2.2 參數優化方案與驗證結果

綜合原因分析和現場調試試驗，對RCV1237VN溫度控制參數進行了優化，將控制器的增益系數（GAIN）由原來的固定值4.5優化為根據RCV1237VN入口溫度變化的增益系數，將積分時間TI由10改為240。此外，將歸一化參數由22.22改為100，將MIN PULS修改為500ms。針對前饋環節設計缺陷，通過現場實際工況（啟停上充泵、HP閥門切換）多次驗證，最后將圖14中的DERIV_1的TD由1修改為75，TLAG由10修改為200，將DERIV_4的TD由1改為0.1，YU由100改為0.1。

上述優化完成后，RCV1237VN在自動模式下對下泄溫度發生較大變化的工況時響應動作正常，控制效果符合非再生式熱交換器出口溫度閉環控設計需求。參數優化后控制系統響應過程見圖7。

3 結束語

ECA控制通道是該核電廠核島系統的主要閉環控制通道類型，基于RCV高壓減壓站壓力控制閉環和非再生式熱交換器出口溫度控制閉環投運過程中發現的問題進行了ECA控制通道投運問題原因分析和控制參數優化。文中給出的參數優化思路、方案對于核電廠核島閉環控制通道設計、調試工作有直接參考價值。

【參考文獻】

[1]蘇林森，楊輝玉.900MW壓水堆核電站系統與設備[M].北京：原子能出版社，2005：121-132.

[2]余維銘，邱小平，陳世紀.EPR機組一回路水壓試驗壓力控制策略探討[J].中國高新技術企業，2015，（35）：73-75.

[3]冷惠文.步進驅動方式在電動執行器控制中的應用[J].自動化儀表，2001，22（6）：23-24.

[4]王興東，冷惠文.一種新型電動執行器控制器[J].自動化儀表，1998，19（4）：21-22.