劉東亮　王犇　雒志強(qiáng)

【摘 要】介紹了某核電廠核島閉環(huán)控制原理。對化學(xué)和容積控制系統(tǒng)在調(diào)試過程中發(fā)生的壓力和溫度閉環(huán)控制失效問題進(jìn)行了原因分析，通過優(yōu)化閉環(huán)控制參數(shù)解決了上述問題。

【關(guān)鍵詞】核電廠；閉環(huán)；控制；參數(shù)；優(yōu)化

中圖分類號： TM76 文獻(xiàn)標(biāo)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(huán)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(jīng)驗(yàn)，閉環(huán)控制參數(shù)在設(shè)計(jì)初始值基礎(chǔ)上需經(jīng)調(diào)試優(yōu)化才能獲得可用數(shù)據(jù)。盡管相同堆型核電廠之間的閉環(huán)控制參數(shù)存在差異，但對于新建機(jī)組而言仍有較大參考價(jià)值。某核電廠面臨核島閉環(huán)控制參數(shù)只有設(shè)計(jì)初始值而缺少有價(jià)值參考數(shù)據(jù)的客觀情況，且核島調(diào)節(jié)器多選用步進(jìn)式電動執(zhí)行器，這與國內(nèi)已掌握的核電廠連續(xù)調(diào)節(jié)式氣動執(zhí)行器控制理念完全不同。

化學(xué)和容積控制系統(tǒng)（RCV）是一回路重要的輔助系統(tǒng)，設(shè)計(jì)功能為一回路冷卻劑容積控制、水化學(xué)控制和反應(yīng)性控制。RCV的運(yùn)行狀態(tài)與反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)（RCP）的運(yùn)行狀態(tài)直接相關(guān)，RCV閉環(huán)控制參數(shù)的優(yōu)化效果對于機(jī)組運(yùn)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(diào)試發(fā)現(xiàn)了RCV高壓減壓站壓力控制閉環(huán)和非再生式熱交換器出口溫度控制閉環(huán)存在因設(shè)計(jì)給定初始控制參數(shù)不合適導(dǎo)致閉環(huán)投運(yùn)效果不佳問題。研究分析后得出了導(dǎo)致上述兩個(gè)問題發(fā)生的原因，通過調(diào)試優(yōu)化高壓減壓站下游壓力調(diào)節(jié)閥（RCV1420VP）和非再生式熱交換器出口溫度調(diào)節(jié)閥（RCV1237/1247VN）控制參數(shù)成功解決了問題。

1 核島閉環(huán)控制原理

該核電廠核島閉環(huán)控制通道主要選用電動執(zhí)行器（ECA），閉環(huán)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(zhí)行機(jī)構(gòu)接收多個(gè)閉環(huán)控制回路指令，可調(diào)校參數(shù)為PID模塊參數(shù)和ECA模塊內(nèi)部參數(shù)。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(shè)定值的函數(shù)發(fā)生器和接收閥位偏差的ECA控制器組成，可調(diào)校參數(shù)為ECA模塊的控制參數(shù)?？刂圃硪妶D2。

1.3 ECA控制通道

ECA控制通道主要由接收被控對象設(shè)定值的函數(shù)發(fā)生器和接收控制偏差的ECA控制器組成，其中由轉(zhuǎn)換系數(shù)或歸一化系數(shù)函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生控制偏差（XD），ECA模塊接收偏差指令進(jìn)行閉環(huán)控制，可調(diào)校參數(shù)為ECA模塊的控制參數(shù)。該型控制通道在核島控制應(yīng)用范圍最廣，且在三種閉環(huán)控制通道中調(diào)校難度最大。控制原理見圖3。

2 RCV主要閉環(huán)控制參數(shù)優(yōu)化

前文所述ECA控制通道調(diào)校難度最大，同時(shí)也是現(xiàn)場發(fā)生控制問題最多的通道類型。RCV系統(tǒng)調(diào)試過程中先后發(fā)生了一回路超壓和非再生式熱交換器出口溫度控制閉環(huán)參數(shù)

2.1 高壓減壓站壓力控制閉環(huán)參數(shù)優(yōu)化

2.1.1 壓力控制失效原因分析

冷態(tài)功能試驗(yàn)（CFT）期間在主泵首次啟動過程中發(fā)生一回路超壓問題，調(diào)取歷史數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)RCV1420VP開度與高壓減壓站壓力在試驗(yàn)過程中存在異常波動，見圖4。

為防止高壓減壓站內(nèi)部發(fā)生閃蒸，需維持高壓減壓站下游表壓力為5 bar。壓力調(diào)節(jié)器是一個(gè)步進(jìn)式電動執(zhí)行器（ECA_SC），被調(diào)量為高壓減壓站出口壓力，調(diào)節(jié)量為下泄流量；被調(diào)量與其設(shè)定值比較后產(chǎn)生控制偏差信號輸入ECA_SC，通過調(diào)節(jié)RCV1420VP的開度控制下泄流量以實(shí)現(xiàn)維持高壓減壓站出口表壓力為5 bar的目標(biāo)。

CFT期間通過持續(xù)觀察，發(fā)現(xiàn)高壓減壓站壓力控制閉環(huán)投運(yùn)后壓力控制效果不佳且有明顯的發(fā)散特征。由于壓力設(shè)定值為5 bar，而保護(hù)閾值僅為6 bar，經(jīng)分析1bar壓力值對應(yīng)約1%閥門開度，所以RCV1420VP的調(diào)節(jié)區(qū)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(shè)計(jì)給出的初始控制參數(shù)，保護(hù)閾值的回差值為1bar，即當(dāng)6bar保護(hù)閾值觸發(fā)后RCV1420VP將通過增大閥門開度以降低壓力，但只有當(dāng)壓力實(shí)測值恢復(fù)到保護(hù)閾值減去其回差值（5bar）時(shí)閉環(huán)的壓力調(diào)節(jié)功能才開始發(fā)揮作用，但此時(shí)RCV1420VP在閥門動作慣性作用下無法及時(shí)響應(yīng)壓力調(diào)節(jié)需求，導(dǎo)致壓力跟隨閥門開度發(fā)生頻繁波動，閉環(huán)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(shè)計(jì)方案此時(shí)由高壓減壓站的高壓閥門（RCV1314VP）調(diào)節(jié)一回路壓力[2]，HP閥門和RCV1420VP閥門產(chǎn)生不良耦合，HP閥門下游壓力超過保護(hù)閾值（6bar），RCV1420VP開度發(fā)生波動，閉環(huán)壓力控制效果隨之變得不穩(wěn)定；當(dāng)RCV1412MP測量值超過11bar時(shí)RCV1314VP和RCV1324VP關(guān)閉，導(dǎo)致一回路發(fā)生超壓問題。

2.1.2 參數(shù)優(yōu)化方案與驗(yàn)證結(jié)果

綜合原因分析和現(xiàn)場調(diào)試試驗(yàn)，對RCV1420VP壓力控制參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，將6bar保護(hù)閾值的回差值由原來的1bar優(yōu)化為0.1bar。參數(shù)優(yōu)化后，6bar保護(hù)閾值觸發(fā)后RCV1420VP在開指令作用下開啟，當(dāng)壓力下降至5.9bar就可以在壓力控制信號作用下進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)，保證了RCV1420VP響應(yīng)壓力調(diào)節(jié)需求的及時(shí)性，解決了高壓減壓站壓力控制閉環(huán)控制效果不佳的問題，優(yōu)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(huán)參數(shù)優(yōu)化

2.2.1 溫度控制失效原因分析

按照設(shè)計(jì)給定的初始參數(shù)投運(yùn)非再生式熱交換器出口溫度控制閉環(huán)后，溫度控制調(diào)節(jié)閥（RCV1237VN）的開度波動異常，導(dǎo)致閥門電機(jī)溫度保護(hù)動作，RCV1237VN由自動控制切至手動。RCV1237VN控制發(fā)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(tǒng)設(shè)計(jì)方案，一回路冷卻劑經(jīng)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(diào)節(jié)是一個(gè)前饋加法調(diào)節(jié)器，被調(diào)量為非再生式熱交換器出口溫度（RCV1250/1251MT），調(diào)節(jié)量為設(shè)備冷卻水系統(tǒng)（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(diào)量測量值和溫度設(shè)定值（50℃）相減，產(chǎn)生溫度偏差信號，疊加正作用的前饋信號后再減去負(fù)作用的前饋信號偏差值，得到步進(jìn)式電動調(diào)節(jié)器（ECA_SC）的輸入偏差，通過ECA_SC調(diào)節(jié)，產(chǎn)生RCV1237VN的開度信號，從而控制RRI冷卻水流量，實(shí)現(xiàn)非再生式熱交換器出口溫度調(diào)節(jié)。

步進(jìn)驅(qū)動是解決電動執(zhí)行器產(chǎn)生振蕩問題的有效驅(qū)動方式，其中控制參數(shù)設(shè)置合理與否決定了實(shí)際控制效果[3，4]。通過分析發(fā)現(xiàn)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(gè)變量對被調(diào)量影響作用是不同的。初始設(shè)計(jì)方案中給出的控制參數(shù)未考慮各前饋信號對被調(diào)量的影響差異，上述三個(gè)變量的微分時(shí)間參數(shù)（TD）和阻尼時(shí)間常數(shù)（TLAG）均設(shè)置為1和100。從一回路單相到100%FP滿功率運(yùn)行，RCV1237VN的入口溫度設(shè)計(jì)范圍為50～110℃，若只有一組固定的控制參數(shù)，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(yàn)記錄后發(fā)現(xiàn)，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(fā)揮其溫度控制作用；因而，此次異常發(fā)生前下泄溫度發(fā)生的較大幅度的變化（下泄溫度由63.8℃增大至71.6℃）是導(dǎo)致問題發(fā)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(shù)無法滿足不同入口溫度下的RCV1237VN調(diào)節(jié)需求。

2.2.2 參數(shù)優(yōu)化方案與驗(yàn)證結(jié)果

綜合原因分析和現(xiàn)場調(diào)試試驗(yàn)，對RCV1237VN溫度控制參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，將控制器的增益系數(shù)（GAIN）由原來的固定值4.5優(yōu)化為根據(jù)RCV1237VN入口溫度變化的增益系數(shù)，將積分時(shí)間TI由10改為240。此外，將歸一化參數(shù)由22.22改為100，將MIN PULS修改為500ms。針對前饋環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)缺陷，通過現(xiàn)場實(shí)際工況（啟停上充泵、HP閥門切換）多次驗(yàn)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(yōu)化完成后，RCV1237VN在自動模式下對下泄溫度發(fā)生較大變化的工況時(shí)響應(yīng)動作正常，控制效果符合非再生式熱交換器出口溫度閉環(huán)控設(shè)計(jì)需求。參數(shù)優(yōu)化后控制系統(tǒng)響應(yīng)過程見圖7。

3 結(jié)束語

ECA控制通道是該核電廠核島系統(tǒng)的主要閉環(huán)控制通道類型，基于RCV高壓減壓站壓力控制閉環(huán)和非再生式熱交換器出口溫度控制閉環(huán)投運(yùn)過程中發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行了ECA控制通道投運(yùn)問題原因分析和控制參數(shù)優(yōu)化。文中給出的參數(shù)優(yōu)化思路、方案對于核電廠核島閉環(huán)控制通道設(shè)計(jì)、調(diào)試工作有直接參考價(jià)值。

【參考文獻(xiàn)】

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

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

[3]冷惠文.步進(jìn)驅(qū)動方式在電動執(zhí)行器控制中的應(yīng)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(zhí)行器控制器[J].自動化儀表，1998，19（4）：21-22.