數(shù)字化核電站中穩(wěn)壓器壓力控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)

杜茂

【摘 要】穩(wěn)壓器壓力控制系統(tǒng)是壓水堆核電站中的重要調(diào)節(jié)系統(tǒng)。本文以福建福清核電站為參考核電站，介紹了采用數(shù)字化儀控系統(tǒng)（DCS）的核電站中穩(wěn)壓器壓力控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)。從壓力信號(hào)采集及處理、控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、多重執(zhí)行機(jī)構(gòu)等方面介紹了穩(wěn)壓器壓力控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，同時(shí)介紹了使用數(shù)字化儀控系統(tǒng)（DCS）的核電站中穩(wěn)壓器壓力控制系統(tǒng)的軟硬件平臺(tái)。通過(guò)分析系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及軟硬件平臺(tái)，得出穩(wěn)壓器壓力控制系統(tǒng)具有多傳感器、PID控制、多重執(zhí)行機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)多樣性、控制處理器冗余等優(yōu)點(diǎn)。反映出控制系統(tǒng)在核電站中特有的單一故障準(zhǔn)則、多重冗余性、多樣性等特點(diǎn)，體現(xiàn)出核電站中穩(wěn)壓器壓力控制系統(tǒng)為提高安全性和穩(wěn)定性而采取的特別措施。本文為核電站穩(wěn)壓器壓力控制系統(tǒng)的調(diào)試和維護(hù)提供了一定的技術(shù)參考。

【關(guān)鍵詞】數(shù)字化核電站；穩(wěn)壓器壓力控制；數(shù)字化儀控系統(tǒng)

中圖分類(lèi)號(hào)： TL362 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）11-0028-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.11.011

0 前言

隨著我國(guó)核電事業(yè)的迅速發(fā)展[1]，核電站控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和軟硬件實(shí)現(xiàn)也在不斷進(jìn)步。在壓水堆核電站中，為了避免反應(yīng)堆內(nèi)的冷卻劑產(chǎn)生泡核沸騰，避免損壞反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)的設(shè)備和部件，反應(yīng)堆冷卻劑壓力必須嚴(yán)格控制在15.4MPa（相對(duì)壓力，下同）附近。在壓水堆核電站中，反應(yīng)堆冷卻劑壓力通過(guò)一根波動(dòng)管將一環(huán)路的熱段和穩(wěn)壓器連接起來(lái)進(jìn)行控制，穩(wěn)壓器的液腔和汽腔保持在平衡狀態(tài)，以減少冷卻劑的膨脹而引起的壓力變化，反應(yīng)堆冷卻劑壓力控制是由穩(wěn)壓器及其附屬設(shè)備進(jìn)行控制的，因此反應(yīng)堆冷卻劑壓力控制是由穩(wěn)壓器壓力控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。穩(wěn)壓器壓力控制系統(tǒng)是核電站中一個(gè)非常重要的控制系統(tǒng)。

福清核電站1、2號(hào)機(jī)組是M310加改進(jìn)型壓水堆核電機(jī)組，采用數(shù)字化儀控系統(tǒng)（DCS）和先進(jìn)主控室設(shè)計(jì)，其穩(wěn)壓器控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)有其代表性。本文研究了福清核電站1、2號(hào)機(jī)組的穩(wěn)壓器壓力控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和軟硬件方面的特點(diǎn)。從穩(wěn)壓器壓力測(cè)量單元、調(diào)節(jié)通道、執(zhí)行機(jī)構(gòu)三個(gè)方面分析了穩(wěn)壓器壓力控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，并簡(jiǎn)單介紹了軟硬件實(shí)現(xiàn)，最后總結(jié)了福清核電站1、2號(hào)機(jī)組中穩(wěn)壓器壓力控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，如多重傳感器測(cè)量、PID控制回路、執(zhí)行機(jī)構(gòu)冗余、多樣化的執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制處理器冗余等，為核電站穩(wěn)壓器壓力控制系統(tǒng)的調(diào)試和維護(hù)提供了一定的技術(shù)參考。

1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在福建福清核電站1、2號(hào)機(jī)組中，穩(wěn)壓器壓力控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括測(cè)量單元、調(diào)節(jié)單元、執(zhí)行機(jī)構(gòu)三個(gè)部分。

1.1 穩(wěn)壓器壓力測(cè)量單元

穩(wěn)壓器的壓力控制系統(tǒng)的壓力測(cè)量采用3臺(tái)羅斯蒙特公司生產(chǎn)的壓力變送器RCP013、014、015MP，量程為11～18MPa，測(cè)量精度為0.25%。3臺(tái)壓力變送器獨(dú)立測(cè)量，測(cè)量得到的模擬量壓力數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)一個(gè)選擇器RCP402VT進(jìn)行處理后得到壓力測(cè)量值。選擇器的輸出是有效輸入信號(hào)的平均值，當(dāng)有一個(gè)輸入無(wú)效時(shí)，選擇器輸出余下兩個(gè)有效輸入的平均值，當(dāng)有兩個(gè)或兩個(gè)以上信號(hào)無(wú)效時(shí)，選擇器輸出保持上一時(shí)刻有效值并自動(dòng)地將相關(guān)控制器切換至手動(dòng)模式。輸入信號(hào)無(wú)效是指該信號(hào)的質(zhì)量位無(wú)效或該輸入信號(hào)與其他兩個(gè)輸入信號(hào)的偏差絕對(duì)值大于量程的5%?？梢?jiàn)，當(dāng)一個(gè)或兩個(gè)傳感器故障時(shí)，壓力控制系統(tǒng)仍然能夠正常運(yùn)行，即使是三臺(tái)傳感器同時(shí)故障，也依然能夠借助別的傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行手動(dòng)控制。這種3個(gè)傳感器求平均值的測(cè)量模式體現(xiàn)了核電站設(shè)計(jì)中的單一故障準(zhǔn)則，同時(shí)也提高了控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、可用性和穩(wěn)定性。

1.2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)

穩(wěn)壓器壓力控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)由非能動(dòng)式和能動(dòng)式執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。

非能動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)是三個(gè)安全閥組，提供穩(wěn)壓器的超壓保護(hù)，不受控制系統(tǒng)控制。每組安全閥由兩臺(tái)相似的先導(dǎo)式安全閥串聯(lián)安裝而成。保護(hù)閥是提供卸壓功能的上游閥門(mén)，隔離閥是提供隔離功能的下游閥門(mén)，正常運(yùn)行期間，保護(hù)閥關(guān)閉，隔離閥開(kāi)啟。當(dāng)穩(wěn)壓器壓力超過(guò)保護(hù)閥整定值時(shí)，相應(yīng)保護(hù)閥開(kāi)啟卸壓。三臺(tái)保護(hù)閥的開(kāi)啟整定值分別為16.6MPa.a，17.0 MPa.a，17.2 MPa.a。

穩(wěn)壓器壓力控制系統(tǒng)的能動(dòng)式執(zhí)行機(jī)構(gòu)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(gè)雙回路噴霧系統(tǒng)，每個(gè)回路都有一個(gè)調(diào)節(jié)閥，共用一個(gè)噴頭；

穩(wěn)壓器噴霧系統(tǒng)的作用是把取自?xún)蓚€(gè)冷段的水噴入穩(wěn)壓器頂部汽腔，使蒸汽冷凝，降低穩(wěn)壓器壓力。噴淋流量由兩臺(tái)穩(wěn)壓器噴淋閥進(jìn)行調(diào)節(jié)。兩臺(tái)穩(wěn)壓器噴淋閥，均為氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥，將4～20mA模擬量閥門(mén)開(kāi)度信號(hào)通過(guò)電氣轉(zhuǎn)換器和氣動(dòng)放大器輸出到閥門(mén)膜片以驅(qū)動(dòng)閥門(mén)到達(dá)指定開(kāi)度，進(jìn)而調(diào)節(jié)噴淋流量來(lái)改變穩(wěn)壓器壓力。

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

1.3 調(diào)節(jié)通道

穩(wěn)壓器的壓力控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)通道是一個(gè)PID調(diào)節(jié)回路，傳遞函數(shù)如下：

穩(wěn)壓器壓力整定值為15.4MPa，在DCS機(jī)柜中設(shè)定，PID調(diào)節(jié)器的輸入是壓力測(cè)量值與整定值之間的偏差，輸出作為補(bǔ)償壓差（P-Pref）控制各執(zhí)行機(jī)構(gòu)。該調(diào)節(jié)器在由一個(gè)PI調(diào)節(jié)器和一個(gè)PD調(diào)節(jié)器串聯(lián)組成，調(diào)節(jié)參數(shù)分別為[2]：

比例帶PPI=13.6%，PPD=52.19；

積分時(shí)間T21=600s；

微分時(shí)間T22=6.67s；

下限幅=5%，對(duì)應(yīng)補(bǔ)償壓差為-0.232MPa；

上限幅=95%，對(duì)應(yīng)補(bǔ)償壓差為0.816MPa。

調(diào)節(jié)器RCP401RG的輸出補(bǔ)償壓差（P-Pref）分別送到RCP402、403RG、RCP401、409GD、RCP430XU1操作穩(wěn)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(diào)節(jié)

對(duì)兩臺(tái)穩(wěn)壓器噴淋閥進(jìn)行調(diào)節(jié)的調(diào)節(jié)器RCP402、403RG的調(diào)節(jié)參數(shù)如圖2所示：

1.3.2 比例式電加熱器調(diào)節(jié)

RCP401、409GD用來(lái)調(diào)節(jié)比例式電加熱器RCP003RS、RCP004RS的參數(shù)如下圖所示：

1.3.3 通斷式電加熱器調(diào)節(jié)

通斷式電加熱器的控制由RCP430XU1控制，當(dāng)RCP401RG的輸出小于-0.17MPa時(shí)，通斷式電加熱器接通，然后當(dāng)由這些電加熱器造成的壓力回升到足夠大時(shí)斷開(kāi)，此時(shí)壓力回升的速率減小，因?yàn)橹挥斜壤娂訜崞髟诠ぷ?，?dāng)RCP401RG輸出回升到-0.1MPa時(shí)，通斷式電加熱器切除。

綜合上述控制要求，得到圖4所示穩(wěn)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(shù)字化儀控系統(tǒng)DCS（Distributed Control System ，也稱(chēng)分布式控制系統(tǒng)）對(duì)全廠生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行集中監(jiān)測(cè)、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(zhí)行速度為10，000個(gè)功能塊/秒，可組態(tài)多達(dá)4，000個(gè)控制模塊；控制器是控制系統(tǒng)處理一層工藝數(shù)據(jù)的核心，兩個(gè)FCP設(shè)為一個(gè)容錯(cuò)對(duì)，與相連的現(xiàn)場(chǎng)總線組件（FBM）一起，可按組態(tài)好的控制方案對(duì)過(guò)程進(jìn)行控制。

FCP是系統(tǒng)核心設(shè)備，完成數(shù)據(jù)采集、檢測(cè)、運(yùn)算、報(bào)警和傳送信息的功能。CP的處理能力因芯片的型號(hào)而異?；咎幚碇芷谧羁炜啥x為0.05秒（在系統(tǒng)組態(tài)時(shí)定義），在福清核電1、2號(hào)機(jī)組中為0.1秒。

現(xiàn)場(chǎng)總線模塊采用DIN 200系列FBM，現(xiàn)場(chǎng)總線組件（FBM）是現(xiàn)場(chǎng)傳感器和執(zhí)行器與控制處理機(jī)的接口，是一種智能化的IO組件，F(xiàn)BM對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備使用的電氣輸入和輸出信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)轉(zhuǎn)換使得通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線能與這些裝置通訊。現(xiàn)場(chǎng)組件可與控制處理機(jī)CP或運(yùn)行I/A Series綜合控制軟件的個(gè)人計(jì)算機(jī)連接，各種FBM與工廠中通常遇到的各種現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)相匹配。

交換機(jī)采用三層次交換機(jī)：電廠級(jí)、機(jī)組級(jí)和ROOM級(jí)。電廠級(jí)和1、2機(jī)組級(jí)交換機(jī)采用Enterasys N3，Room和9號(hào)機(jī)組級(jí)交換機(jī)采用Enterasys N1。

IA系列控制軟件采用了目前比較穩(wěn)定的IA V8.4.3版本，為了適應(yīng)核電站項(xiàng)目規(guī)模大、控制要求高的特點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用倒掛樹(shù)結(jié)構(gòu)Mesh網(wǎng)。

在穩(wěn)壓器壓力控制系統(tǒng)中，負(fù)責(zé)采集穩(wěn)壓器壓力的現(xiàn)場(chǎng)總線組件是FBM204，它有4個(gè)獨(dú)立的4～20mA模擬量輸入通道和4個(gè)獨(dú)立的0～20mA模擬量輸出通道。來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)壓力變送器的4～20mA模擬量信號(hào)通過(guò)FBM204轉(zhuǎn)化為數(shù)字量后傳送至FCP處理器，再通過(guò)光纖傳送至交換機(jī)，即輸入至？MESH網(wǎng)。壓力控制模塊程序的組態(tài)在FCP中運(yùn)行，運(yùn)行周期為100ms。

控制系統(tǒng)輸出至穩(wěn)壓器噴淋閥的開(kāi)度信號(hào)和比例式電加熱器的功率控制信號(hào)是由FBM208進(jìn)行輸出的，F(xiàn)BM208具有4個(gè)獨(dú)立的0～20mA模擬量輸入通道和4個(gè)獨(dú)立的0～20模擬量輸出通道。

四個(gè)通斷式電加熱器的通斷控制信號(hào)由FBM242進(jìn)行輸出，F(xiàn)BM242具有16個(gè)獨(dú)立的通斷信號(hào)輸出通道。

2 控制系統(tǒng)特點(diǎn)

2.1 多傳感器

穩(wěn)壓器壓力控制系統(tǒng)使用三臺(tái)壓力變送器測(cè)量穩(wěn)壓器壓力數(shù)據(jù)，當(dāng)一個(gè)或兩個(gè)傳感器故障時(shí)，壓力控制系統(tǒng)仍然能夠正常運(yùn)行，即使是三臺(tái)傳感器同時(shí)故障，也依然能夠借助別的傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行手動(dòng)控制。這種3個(gè)傳感器求平均值及可降級(jí)求平均的測(cè)量模式體現(xiàn)了核電站設(shè)計(jì)中的單一故障準(zhǔn)則，同時(shí)也提高了控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、可用性和穩(wěn)定性。

2.2 PID控制

穩(wěn)壓器壓力控制系統(tǒng)使用PID調(diào)節(jié)模式，適合于核電站環(huán)境相對(duì)惡劣的場(chǎng)合，PID算法有一套完整的參數(shù)整定與設(shè)計(jì)方法，易于工程師進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整。核電站控制系統(tǒng)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(zhí)行機(jī)構(gòu)多樣

穩(wěn)壓器壓力控制系統(tǒng)采用多樣化的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，有非能動(dòng)的先導(dǎo)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(zhí)行機(jī)構(gòu)增加了控制系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定生。

2.4 執(zhí)行機(jī)構(gòu)冗余

穩(wěn)壓器壓力控制系統(tǒng)中使用3組安全閥組、2臺(tái)穩(wěn)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(shè)計(jì)是為了保證核電站中的單一故障準(zhǔn)則，即單臺(tái)設(shè)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(tǒng)中，兩個(gè)FCP構(gòu)成一個(gè)冗余容錯(cuò)對(duì)使用并線器連接通過(guò)光纖連接至交換機(jī)。

3 結(jié)論

福清核電1、2號(hào)機(jī)組穩(wěn)壓器壓力控制系統(tǒng)采用多傳感器求平均及降級(jí)求平均的方法得到穩(wěn)壓器壓力測(cè)量數(shù)據(jù)，通過(guò)PID調(diào)節(jié)回路產(chǎn)生補(bǔ)償差壓，進(jìn)而控制多重執(zhí)行機(jī)構(gòu)。結(jié)合數(shù)字化儀控系統(tǒng)的特點(diǎn)，其具有，多傳感器、PID控制、多樣化的執(zhí)行機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)冗余、控制處理器冗余等優(yōu)點(diǎn)，極大提高了穩(wěn)壓器壓力控制系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，進(jìn)而提高了壓水堆核電機(jī)組的安全性。

【參考文獻(xiàn)】

[1]陳夢(mèng)然.中國(guó)核電發(fā)展及未來(lái)，武漢：武漢大學(xué)，2010.

[2]李玉惠.自動(dòng)控制原理，北京：清華大學(xué)出版社，2008.

[3]高鵬.核電站調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的數(shù)字仿真研究，上海：上海交通大學(xué)，2006.

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

[5]凌志浩.DCS與現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)[M].華東理工大學(xué)出版社，2008：42-43.