昌江核電穩(wěn)壓器水位串級(jí)控制的調(diào)試及改進(jìn)

陳 巖

（海南核電有限公司 海南昌江）

海南昌江1、2號(hào)機(jī)組的穩(wěn)壓器水位控制系統(tǒng)是由IA系統(tǒng)提供的非安全級(jí)平臺(tái)DCS平臺(tái)實(shí)現(xiàn)的。穩(wěn)壓器控制主要包括壓力控制和水位控制兩方面。其中穩(wěn)壓器水位對(duì)一回路冷卻劑系統(tǒng)中的水裝量和反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)壓力起維持的功能，穩(wěn)壓器水位的高低對(duì)穩(wěn)壓器調(diào)節(jié)一回路系統(tǒng)壓力的能力產(chǎn)生重要的影響，如果穩(wěn)壓器水位過高，穩(wěn)壓器控制一回路壓力的能力將下降；如果水位過低，則穩(wěn)壓器內(nèi)電加熱器元件就會(huì)裸露導(dǎo)致干燒的危險(xiǎn)。因此必須對(duì)穩(wěn)壓器水位進(jìn)行調(diào)節(jié)，以確保穩(wěn)壓器水位在正常運(yùn)行范圍之內(nèi)。

一、穩(wěn)壓器水位控制基本原理

穩(wěn)壓器的水位控制是由化學(xué)和容積控制系統(tǒng)（RCV）完成的，通過串級(jí)PID改變調(diào)節(jié)閥RCV046VP開度，最終改變一回路的上充流量大小使穩(wěn)壓器水位維持在其整定值上。

串級(jí)控制相比單回路PID反饋控制多了一個(gè)副回路，抗擾動(dòng)能力也優(yōu)于單回路控制，但是串級(jí)控制系統(tǒng)復(fù)雜，考慮到簡(jiǎn)單可靠的原則，核電站中的串級(jí)控制的使用也非常有限，其中穩(wěn)壓器水位控制就是核電最復(fù)雜的串級(jí)PID控制控制之一。穩(wěn)壓器水位控制是一個(gè)串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，水位整定值和測(cè)量水位的差值經(jīng)水位調(diào)節(jié)器（主調(diào)節(jié)器）運(yùn)算處理后，再加上下泄流量（目的是除去下泄流對(duì)一回路水裝量的消耗），作為上充流量調(diào)節(jié)器（副調(diào)節(jié)器）的給定值，調(diào)節(jié)上充流量調(diào)節(jié)閥（RCV046VP）的開度，實(shí)現(xiàn)對(duì)穩(wěn)壓器水位的控制。

具體的邏輯如圖1，主調(diào)節(jié)器的測(cè)量值是穩(wěn)壓器水位（由RCP007、008和011MN三個(gè)穩(wěn)壓器水位變送器測(cè)量值，數(shù)據(jù)經(jīng)過403表決器處理后得到的有效平均值）；內(nèi)部設(shè)定值是反應(yīng)堆冷卻劑溫度的函數(shù)，由一回路平均溫度和參考溫度（由汽機(jī)壓力得到）計(jì)算而來；而主調(diào)器的輸出將作為副調(diào)節(jié)器的設(shè)定值，即令主調(diào)器的水位設(shè)定值PI調(diào)節(jié)輸出計(jì)算的一個(gè)上充流量，再加上去容控箱的下泄流量，得出副調(diào)節(jié)器的整定值。而副調(diào)節(jié)器的測(cè)量值為上充流量RCV018MD；其輸出即為執(zhí)行機(jī)構(gòu)：上充流量調(diào)節(jié)閥（1RCV046VP）。圖1的ME404給定值站的Lref部分，為內(nèi)部水位的設(shè)定值，即通過一回路平均溫度信號(hào)和Tavg和二回路負(fù)荷的參考?jí)毫τ?jì)算的水位。但熱試期間考慮到二回路負(fù)荷未投入，所以本次只討論當(dāng)外給定水位的情況，即操縱員在KIC/BUP手動(dòng)設(shè)定的目標(biāo)水位（即圖1的404KU或404RC手操站）。主調(diào)節(jié)器參數(shù)為圖 1中 1RCP404RG：Kp=4.6；K=12.5 min即采取比例積分控制，其中的積分環(huán)節(jié)的作用是消除穩(wěn)態(tài)工況下實(shí)際水位與整定值間的靜差；副調(diào)節(jié)器為（圖1中去往RCV AD08部分）1RCV404RG：Kp2=0；K2=0.5 min，需要注意到副調(diào)節(jié)器采用了較少見的純積分控制，即單獨(dú)滯后環(huán)節(jié)，原因是上充流量（1RCV018MD）對(duì)時(shí)間的積分即為給主調(diào)節(jié)器的計(jì)算液位的變化量。

圖1 穩(wěn)壓器水位控制模擬圖

該邏輯圖中的412GD（圖2）是一個(gè)非線性環(huán)節(jié)，用來增大水位調(diào)節(jié)器的響應(yīng)速度，又兼顧調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性，它在小的偏差信號(hào)時(shí)降低增益，又提高調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性，減少上充閥頻繁動(dòng)作；大的偏差信號(hào)時(shí)保持增益，使其響應(yīng)速度加快。

圖2 非線性轉(zhuǎn)換函數(shù)

二、基于IA平臺(tái)的調(diào)節(jié)閥對(duì)象控制

對(duì)于整個(gè)DCS平臺(tái)而言，調(diào)節(jié)閥是比較復(fù)雜的控制對(duì)象，從一層（控制層）向二層（操作員人機(jī)接口）送的數(shù)據(jù)有輸出值、內(nèi)/外設(shè)定值、自動(dòng)/手動(dòng)模式、全開、全關(guān)等信息。而二層發(fā)往一層的命令有開、關(guān)、輸入設(shè)定值、增減、手/自動(dòng)模式、內(nèi)/外設(shè)定模式等操作 。其中比較重要的是調(diào)節(jié)閥的無擾切換：當(dāng)KIC上從Manual打到Auto時(shí)，設(shè)定值將保持切換時(shí)刻不變且此后由KIC設(shè)定值站給出，此時(shí)手操站的輸出值跟蹤閥門實(shí)際開度；當(dāng)KIC上從Auto模式打回Manual模式，閥門的開度應(yīng)保持不變且此后由開度由手操站給出，此時(shí)設(shè)定值跟蹤實(shí)測(cè)值 。而A/M間的無擾切換是通過XXXRG-O1-O2和XXXRG-S1-S2兩個(gè)計(jì)算塊來實(shí)現(xiàn)。如圖3所示，XXXRG-O1-O2模塊的輸入為RI01（調(diào)節(jié)器的輸出值）和RI02（實(shí)際閥門的開度），當(dāng)處于自動(dòng)時(shí)，它的輸出為跟蹤RI02；當(dāng)處于手動(dòng)時(shí)，它的輸出為XXXRG-O2即手操站的輸出值（RI01），此時(shí)根據(jù)反演算BCALCI（將下游實(shí)際的閥位反計(jì)算給PID調(diào)節(jié)器XXXRG），所以調(diào)節(jié)器輸出和實(shí)際閥位相一致；而此時(shí)設(shè)定值也因?yàn)閄XX-S1-S2的無擾切換在跟蹤實(shí)測(cè)值（XXXRG-S2跟蹤XXX-S1-S2的RI02即實(shí)測(cè)值）。如果少了O1-O2和S1-S2這兩個(gè)邏輯塊，則從自動(dòng)切到手動(dòng)的過程將存在擾動(dòng)。具體塊內(nèi)的邏輯請(qǐng)參考IA平臺(tái)FD圖的TL54模板。

三、穩(wěn)壓器水位調(diào)試過程中出現(xiàn)的問題及解決

調(diào)試期間，在上充流量調(diào)節(jié)穩(wěn)壓器水位控制中，我們首先在歷史站進(jìn)行一層相關(guān)模塊的趨勢(shì)組態(tài)，再根據(jù)PID調(diào)試的經(jīng)驗(yàn)方法在人為給定水位擾動(dòng)后觀察波形中的超調(diào)量以及穩(wěn)定時(shí)間。PI調(diào)節(jié)器各校正環(huán)節(jié)的作用如下。比例環(huán)節(jié)：即成比例地反映系統(tǒng)的偏差信號(hào)，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差，比例系數(shù)越大，調(diào)整速度越快；積分環(huán)節(jié)：可以消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，其作用的強(qiáng)弱取決于積分常數(shù)Ti，Ti越大，積分作用越弱，反之越強(qiáng)。但在調(diào)整P和I的參數(shù)時(shí)，參數(shù)的調(diào)整并未很好的解決問題，對(duì)串級(jí)調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)分析后，最終查明各原因并解決的過程如下。

（1）主調(diào)節(jié)器有兩路跟蹤，導(dǎo)致從自動(dòng)切到手動(dòng)控制時(shí)，水位不能無擾切換水位調(diào)節(jié)的試驗(yàn)初期，僅在穩(wěn)壓器水位RCV046VP在手/自動(dòng)切換時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)上充流量的異常上升，最終導(dǎo)致調(diào)整完畢的水位偏高于KIC的給定值，該結(jié)果不滿足無擾切換的要求。深入檢查組態(tài)，問題在RCP404RG在手動(dòng)控制時(shí)存在兩路跟蹤導(dǎo)致。見圖4，理論上打自動(dòng)時(shí)，調(diào)節(jié)器RCP404RG應(yīng)根據(jù)操縱員給定水位而輸出計(jì)算的上充流量，再補(bǔ)加上下泄至容控箱損失的流量作為副調(diào)節(jié)器RCV404RG的設(shè)定值，再和實(shí)際的上充流量對(duì)比來調(diào)節(jié)RCV046VP；同時(shí)正常處于手動(dòng)控制時(shí)，主調(diào)節(jié)器應(yīng)跟蹤上充減去下泄流量，再補(bǔ)上下泄流量（圖1和圖4），即和上充流量實(shí)際一致。而當(dāng)前主調(diào)節(jié)器RCP404RG既有反演算BCALCI跟蹤 (來自于下游RCV404RG的反演算輸出即018MD，上充流量)又有TRACK的跟蹤（上充018MD減去下泄005MD），這導(dǎo)致了當(dāng)RCV046VP從手動(dòng)切自動(dòng)時(shí)，RCP404RG的輸出將突然從TRACK的上充減下泄變?yōu)锽CALCI所跟蹤的上充流量，然后再加下泄流量作為副調(diào)節(jié)器的設(shè)定值，就相當(dāng)于在手/動(dòng)無擾切換的時(shí)候引入了相當(dāng)于下泄流量大小的一個(gè)擾動(dòng)，刪除1RCP404RG的反演算BCALCI之后再次驗(yàn)證，問題解決，手動(dòng)切自動(dòng)時(shí)，閥門開度穩(wěn)定不動(dòng)，符合無擾要求。

圖3 IA平臺(tái)中DCS實(shí)現(xiàn)無擾切換的模塊

圖4 穩(wěn)壓器水位控制的主調(diào)節(jié)器修改

（2）因?yàn)榉蔷€性函數(shù)有誤，最終在水位值上下0.1 m范圍波動(dòng)，問題（1）解決后，手動(dòng)切自動(dòng)時(shí)的液位增漲導(dǎo)致不能無擾切換的問題解決了?，F(xiàn)仍存在的問題是，當(dāng)實(shí)測(cè)水位（1RCP07/08/11MN三取平均）達(dá)到404KU設(shè)定的程序水位時(shí)，水位不能最終穩(wěn)定，而呈現(xiàn)周期為15 min，幅值為±0.1 m的水位振蕩，表現(xiàn)為水位先超調(diào)目標(biāo)值后，累計(jì)達(dá)到1%的水位后再反向超調(diào)1%。解決思路上，先通過傳統(tǒng)的PID經(jīng)驗(yàn)試湊法將比例帶增大，降低比例作用防止振蕩，以及將積分時(shí)間從2 min加入開始加入，反復(fù)試湊參數(shù)仍不能消除該的等幅振蕩。對(duì)控制環(huán)路中相關(guān)函數(shù)塊的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，根據(jù)圖2，非線性函數(shù)設(shè)計(jì)的意圖應(yīng)水位偏差在2%以外時(shí)，增益為1，表示在水位偏離程度較大時(shí)可以具有迅速調(diào)節(jié)的能力；水位偏差在2%以內(nèi)時(shí)，增益為0.2，表示當(dāng)水位偏離程度不大時(shí)要求調(diào)節(jié)器的輸出具有穩(wěn)定性。而圖4中，非線性函數(shù)412GD在未做修改前（圖中J和J＇分別等于±4%），水位偏差在2%以外時(shí)，增益為0.55；水位偏差在2%以內(nèi)時(shí)，增益為2。所以修改前為水位偏離范圍較小時(shí)快速調(diào)節(jié)，水位偏離較大時(shí)緩慢調(diào)節(jié)，與設(shè)計(jì)思路背離。故現(xiàn)場(chǎng)將J和J＇分別改到±0.4%后，水位上下波動(dòng)的等幅振蕩終于消失。

（3）液位/百分比比例函數(shù)的分辨率問題，導(dǎo)致水位的毛刺波動(dòng)

圖5 歷史站中調(diào)節(jié)器和水位的趨勢(shì)記錄

上述（1）和（2）的問題解決后，水位的無擾切換無誤以及水位上下波動(dòng)0.1 m的等幅振蕩消失，已基本上達(dá)到水位控制要求，但在控制品質(zhì)上，仍存在優(yōu)化空間。穩(wěn)壓器水位穩(wěn)定時(shí)的毛刺波動(dòng)見圖5左側(cè)紅色曲線的水位趨勢(shì)及藍(lán)色的調(diào)節(jié)器輸出趨勢(shì)。觀察圖5主調(diào)節(jié)器的輸入和輸出可見其均呈現(xiàn)一種累積效應(yīng)導(dǎo)致的階躍變化。向主調(diào)節(jié)器RCP404RG的上游檢查，非線性函數(shù)沒有問題；繼續(xù)向上游排查，圖4中433ZO_L1加法器沒有問題（作用是將內(nèi)/外給定值減去測(cè)量值）；而再向上游查到函數(shù)404RG_CH時(shí)（該函數(shù)用途是將-5～3.5 m的水位轉(zhuǎn)化為0～100%比例）發(fā)現(xiàn)其輸入分辨率為小數(shù)點(diǎn)后3位，但輸出分辨率為小數(shù)點(diǎn)后1位，即輸入輸出分辨率不一致。這將導(dǎo)致輸入該函數(shù)的水位變化不能及時(shí)反映到輸出的比例結(jié)果上。所以輸出分辨率不夠，是導(dǎo)致下游累積到一定變化量后發(fā)生階躍變化的原因。將RCP404RG_CH的輸出分辨率改到小數(shù)點(diǎn)后3位，其輸出的精度足夠高之后，實(shí)際控制效果見圖5的右部分，PID輸出器和實(shí)際水位的毛刺變化均已消失。至此穩(wěn)壓器水位控制的調(diào)節(jié)品質(zhì)已達(dá)到滿意。

四、水位串級(jí)調(diào)節(jié)的調(diào)試總結(jié)

結(jié)合海南昌江1號(hào)機(jī)組工程實(shí)踐，首先對(duì)串級(jí)水位PID控制器的控制原理，以及IA平臺(tái)中的調(diào)節(jié)閥無擾切換、內(nèi)外給定值的控制思路進(jìn)行講解。而在本次調(diào)試實(shí)踐中的得出的經(jīng)驗(yàn)是，PID調(diào)節(jié)中不可過于強(qiáng)調(diào)PID的3個(gè)參數(shù)的重要性而忽略控制結(jié)構(gòu)的重要性，因?yàn)閰?shù)調(diào)整和結(jié)構(gòu)調(diào)整二者對(duì)控制品質(zhì)的影響有時(shí)不能相互代替。比如在副調(diào)節(jié)器（內(nèi)環(huán)）的調(diào)節(jié)中，手動(dòng)固定外環(huán)即主調(diào)節(jié)器的輸出并給出一個(gè)階躍，觀察1RCV046VP的輸出信號(hào)的超調(diào)和響應(yīng)時(shí)間結(jié)果滿意，積分也可以將靜差也完全消除；但將外環(huán)主PID投入環(huán)路后，無論根據(jù)設(shè)計(jì)院給定的參數(shù)，還是根據(jù)控制器與系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能的定性關(guān)系來反復(fù)調(diào)節(jié)P、I參數(shù)，都無法消除等幅振蕩以及無擾切換時(shí)的擾動(dòng)。最終通過PID的結(jié)構(gòu)檢查和調(diào)整，才消除了上述問題。調(diào)試過程中積累了很多DCS平臺(tái)下PID調(diào)節(jié)的寶貴經(jīng)驗(yàn)，比如可以得出結(jié)論，IA平臺(tái)DCS的PID設(shè)計(jì)中不應(yīng)既有下游模塊的反演算BCALCI又有TRACK的雙跟蹤，此外也加強(qiáng)了對(duì)控制模塊分辨率以及無擾切換的重要性的理解。文中經(jīng)驗(yàn)也將對(duì)今后核電中各系統(tǒng)PID調(diào)節(jié)水平提高有一定的幫助。