張中祥

（三門核電有限公司 維修處，浙江 臺(tái)州 317112）

穩(wěn)壓器加熱器是穩(wěn)壓器壓力控制系統(tǒng)的重要設(shè)備。AP1000核電廠通過(guò)控制穩(wěn)壓器加熱器的投用和切除以及控制噴淋閥的開度來(lái)共同調(diào)節(jié)和維持穩(wěn)壓器的壓力[1]。本文分析了AP1000穩(wěn)壓器加熱器的控制特點(diǎn)和控制接口，對(duì)防范控制信號(hào)的丟失提出了解決的對(duì)策和建議，對(duì)穩(wěn)壓器壓力控制系統(tǒng)維護(hù)具有一定的參考價(jià)值。

1 加熱器的控制介紹

1.1 加熱器的控制原理

穩(wěn)壓器加熱器有開關(guān)型和比例型兩種。正常運(yùn)行的情況下，穩(wěn)壓器壓力達(dá)到低設(shè)定值時(shí)，投用開關(guān)型或比例型加熱器，升高穩(wěn)壓器壓力。在控制系統(tǒng)中，穩(wěn)壓器的測(cè)量壓力P，與參考?jí)毫ref（表壓15.4Mpa）作比較，求得偏差壓力△P作為加熱器的控制輸入，△P低于-0.172Mpa時(shí)，投用開關(guān)加熱器?！鱌經(jīng)過(guò)PI控制環(huán)節(jié)后（稱為補(bǔ)償差壓△P補(bǔ)）控制比例加熱器的投用和噴淋閥的開度?！鱌補(bǔ)在-0.1～0.1之間變化時(shí)，比例加熱器相應(yīng)地線性輸出滿功率到零功率?！鱌補(bǔ)在0.172～0.517之間變化時(shí)，噴淋閥對(duì)應(yīng)的線性開度為0～100%，參考圖1。穩(wěn)壓器液位如果低于20%，則需切除所有的加熱器，防止加熱器裸露時(shí)通電，損壞加熱器；當(dāng)出現(xiàn)CMT觸發(fā)或穩(wěn)壓器液位高3（以下簡(jiǎn)稱S0信號(hào)）時(shí)，切斷所有加熱器的供電電源，閉鎖加熱器投用。

1.2 加熱器的控制設(shè)備和接口

加熱器含1組熱功率連續(xù)可調(diào)的比例加熱器和4組工作在通斷狀態(tài)的開關(guān)加熱器A、B、C、D。所有加熱器均由MCC直接供電，MCC的電源由負(fù)荷中心提供。加熱器的控制設(shè)備包括3個(gè)PLS系統(tǒng)的工作站，站008，站010和站019，1個(gè)控制比例加熱器的熱功率的穩(wěn)壓器電控柜，另外包括執(zhí)行穩(wěn)壓器液位低2和S0信號(hào)處理的PMS系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備，參考圖2。

圖1 加熱器的控制原理圖Fig.1 Control schematic diagram of heater

站010控制比例加熱器，冗余的AO模件輸出4mA～20mA指令到穩(wěn)壓器電控柜，由穩(wěn)壓器電控柜調(diào)節(jié)比例加熱器的熱功率；同時(shí)輸出開關(guān)指令到比例加熱器的MCC（電機(jī)控制中心），控制比例加熱器的供電。另外站008控制開關(guān)加熱器A和C，站019控制開關(guān)加熱器B和D。S0信號(hào)一方面通過(guò)PMS系統(tǒng)斷開負(fù)荷中心的饋線開關(guān)，同時(shí)送到站010，站008和站019，切斷MCC的饋線開關(guān)。

2 加熱器的控制特點(diǎn)分析

相比M310堆型，AP1000簡(jiǎn)化了加熱器的控制方法。

2.1 采用PI控制比例加熱器和噴淋閥

AP1000核電廠控制比例加熱器和噴淋閥采用的是PI調(diào)節(jié)而沒(méi)有參考M310堆型采用PID調(diào)節(jié)。微分環(huán)節(jié)的主要作用是提高控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度。機(jī)組運(yùn)行期間，穩(wěn)壓器壓力波動(dòng)主要由主回路溫度變化引起。溫度升高引起穩(wěn)壓器壓力升高，微分作用使噴淋閥迅速動(dòng)作，快速地降低穩(wěn)壓器壓力。出現(xiàn)壓力瞬態(tài)下降時(shí)，微分作用快速地增大加熱器輸出熱功率，升高穩(wěn)壓器的壓力，并維持穩(wěn)壓器的壓力穩(wěn)定。在AP1000中這種壓力的瞬態(tài)沖擊已經(jīng)大大減小，原因是AP1000穩(wěn)壓器的容積55.9m3，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于M310穩(wěn)壓器的容積36m3。增大的穩(wěn)壓器容積可以有效地吸收溫度引起的壓力沖擊。因此，微分環(huán)節(jié)對(duì)系統(tǒng)調(diào)節(jié)性能的改善并不明顯。同時(shí)微分的引入，將導(dǎo)致系統(tǒng)即使出現(xiàn)較小的壓力正向波動(dòng)，噴淋閥也會(huì)動(dòng)作，容易出現(xiàn)噴淋閥的頻繁動(dòng)作。在西屋工廠試驗(yàn)中模擬的各種瞬態(tài)工況曲線也表明，采用PI環(huán)節(jié)能夠有效地控制穩(wěn)壓器的壓力。

2.2 采用偏差壓力直接控制開關(guān)加熱器

圖2 加熱器的控制接口Fig.2 Control interface of heater

M310采用PID調(diào)節(jié)后的偏差壓力信號(hào)作為開關(guān)加熱器投用和切除的條件。AP1000直接采用偏差壓力作為開關(guān)加熱器投用和切除的條件。系統(tǒng)出現(xiàn)大的壓力下降時(shí)，兩種方法在控制性能上并沒(méi)有明顯的不同，均能夠提高穩(wěn)壓器的壓力。系統(tǒng)出現(xiàn)較小的壓力下降時(shí)，PID調(diào)節(jié)縮短了調(diào)節(jié)時(shí)間，弊端是增加了加熱器投用的頻率，對(duì)MCC的要求更高。取消PID環(huán)節(jié)后，減小了開關(guān)加熱器投用的頻率。對(duì)于可能出現(xiàn)的穩(wěn)壓器壓力調(diào)節(jié)周期過(guò)長(zhǎng)的情況，也可以通過(guò)減小比例加熱器的積分時(shí)間來(lái)增大比例加熱器的輸出熱功率，縮短調(diào)節(jié)的周期。

2.3 采用多種策略提高控制可靠性

在控制接口的設(shè)計(jì)上，AP1000結(jié)合OVATION系統(tǒng)全數(shù)字化的特點(diǎn)，采用了多種方法提高加熱器控制的可靠性[2]。

2.3.1 采用分散的機(jī)柜控制

設(shè)計(jì)3個(gè)工作站控制加熱器。站010是核心控制機(jī)柜，控制比例加熱器，站008控制開關(guān)加熱器A、C，站019控制開關(guān)加熱器B、D。分散控制降低了單個(gè)機(jī)柜故障引起控制功能喪失的風(fēng)險(xiǎn)。例如站010故障，比例加熱器控制功能喪失，但站008和站019工作正常，能夠繼續(xù)控制穩(wěn)壓器的壓力。如果由站010控制所有的加熱器，站010故障就失去了全部的加熱功能。

2.3.2 采用冗余IO模件控制

加熱器采用了冗余的AO模件控制比例加熱器的功率，冗余的Profibus模件控制加熱器的通斷。正常運(yùn)行下，冗余的模件一個(gè)工作，一個(gè)備用，工作模件故障，自動(dòng)切換到備用模件，由備用模件承擔(dān)控制輸出。

2.3.3 采用雙路斷開加熱器供電的方法

雙路斷開加熱器的供電指的是當(dāng)S0信號(hào)觸發(fā)時(shí)，一方面PMS系統(tǒng)斷開加熱器上游的負(fù)荷中心饋線開關(guān)，另一方面站010接收PMS產(chǎn)生的S0信號(hào)，斷開MCC的饋線開關(guān)。采用這種方式有效地提高了核電廠的安全性。如PLS系統(tǒng)電源丟失，加熱器的電源不能通過(guò)PLS系統(tǒng)切斷，但PMS系統(tǒng)可用，仍然可以斷開負(fù)荷中心的饋線開關(guān)，切斷加熱器的電源。

圖3 冗余AO模件工作原理圖Fig.3 Working schematic diagram of redundant AO modules

3 冗余切換試驗(yàn)

如圖3所示，機(jī)柜上電后，優(yōu)先完成初始化的模件1，作為工作模件，閉合開關(guān)1并將模件1產(chǎn)生的電流輸出到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，備用模件2也接收控制器的控制命令，產(chǎn)生電流值，但由于開關(guān)2斷開，備用模件2的電流值不會(huì)輸出到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。控制器自動(dòng)監(jiān)測(cè)模件的工作狀態(tài)，監(jiān)測(cè)到工作模件1的電子線路故障或通訊故障時(shí)，控制器斷開開關(guān)1，切斷工作模件1的輸出電流，同時(shí)接通開關(guān)2，將工作模件2的電流輸出到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。

模件冗余切換的條件是控制器監(jiān)測(cè)到工作模件電子故障或工作模件與控制器的通訊產(chǎn)生故障[3]。OVATION支持模件熱拔插功能，拔出或插入IO模件，不會(huì)影響信號(hào)的采集和邏輯處理。因此，可以通過(guò)拔除工作模件以模擬通訊故障的方法來(lái)實(shí)施。

試驗(yàn)分兩步實(shí)施，第一步驗(yàn)證模件可以正確輸出指令且精度滿足要求。在操作員站強(qiáng)制輸出0%，50%，100%的控制指令，驗(yàn)證輸出電流值為4mA，12mA，20mA，且誤差在0.1%以內(nèi)；第二步驗(yàn)證模件冗余切換功能正常，按以下步驟實(shí)施。

1）操作員站強(qiáng)制AO輸出，驗(yàn)證工作模件工作，且輸出指令精度在0.1%以內(nèi)。

2）在線拔出工作模件，確認(rèn)備用模件自動(dòng)投用，且信號(hào)的精度仍然在0.1%以內(nèi)。拔出工作模件，如果信號(hào)仍能夠可靠傳輸，則驗(yàn)證了工作模件能夠自動(dòng)切換到備用模件。

3）重新裝回拔出的工作模件，拔出備用模件，備用模件自動(dòng)切換回原工作模件，輸出指令不中斷且信號(hào)精度在0.1%以內(nèi)。該步驟滿足驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，則驗(yàn)證了備用模件具備自動(dòng)切回原工作模件的能力。

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)比國(guó)內(nèi)其他核電廠穩(wěn)壓器加熱器的控制方法，分析了AP1000穩(wěn)壓器加熱器在簡(jiǎn)化控制方法和提高控制可靠性上采用的策略。同時(shí)，針對(duì)加熱器控制信號(hào)丟失的風(fēng)險(xiǎn)提出了冗余切換試驗(yàn)的方法，對(duì)后續(xù)穩(wěn)壓器的調(diào)試和維護(hù)有一定的參考和借鑒價(jià)值。