穩(wěn)壓器加熱器的控制特點分析

張中祥

（三門核電有限公司 維修處，浙江 臺州 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和控制接口，對防范控制信號的丟失提出了解決的對策和建議，對穩(wěn)壓器壓力控制系統(tǒng)維護具有一定的參考價值。

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。正常運行的情況下，穩(wěn)壓器壓力達到低設(shè)定值時，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)壓器的測量壓力P，與參考壓力Pref（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，投用開關(guān)加熱器?！鱌經(jīng)過PI控制環(huán)節(jié)后（稱為補償差壓△P補）控制比例加熱器的投用和噴淋閥的開度。△P補在-0.1～0.1之間變化時，比例加熱器相應(yīng)地線性輸出滿功率到零功率?！鱌補在0.172～0.517之間變化時，噴淋閥對應(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，防止加熱器裸露時通電，損壞加熱器；當出現(xiàn)CMT觸發(fā)或穩(wěn)壓器液位高3（以下簡稱S0信號）時，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的電源由負荷中心提供。加熱器的控制設(shè)備包括3個PLS系統(tǒng)的工作站，站008，站010和站019，1個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；同時輸出開關(guān)指令到比例加熱器的MCC（電機控制中心），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信號一方面通過PMS系統(tǒng)斷開負荷中心的饋線開關(guān)，同時送到站010，站008和站019，切斷MCC的饋線開關(guān)。

2 加熱器的控制特點分析

相比M310堆型，AP1000簡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。機組運行期間，穩(wěn)壓器壓力波動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作，快速地降低穩(wěn)壓器壓力。出現(xiàn)壓力瞬態(tài)下降時，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，遠遠大于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)對系統(tǒng)調(diào)節(jié)性能的改善并不明顯。同時微分的引入，將導致系統(tǒng)即使出現(xiàn)較小的壓力正向波動，噴淋閥也會動作，容易出現(xiàn)噴淋閥的頻繁動作。在西屋工廠試驗中模擬的各種瞬態(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，兩種方法在控制性能上并沒有明顯的不同，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，PID調(diào)節(jié)縮短了調(diào)節(jié)時間，弊端是增加了加熱器投用的頻率，對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。對于可能出現(xiàn)的穩(wěn)壓器壓力調(diào)節(jié)周期過長的情況，也可以通過減小比例加熱器的積分時間來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)計上，AP1000結(jié)合OVATION系統(tǒng)全數(shù)字化的特點，采用了多種方法提高加熱器控制的可靠性[2]。

2.3.1 采用分散的機柜控制

設(shè)計3個工作站控制加熱器。站010是核心控制機柜，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機柜故障引起控制功能喪失的風險。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。正常運行下，冗余的模件一個工作，一個備用，工作模件故障，自動切換到備用模件，由備用模件承擔控制輸出。

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S0信號觸發(fā)時，一方面PMS系統(tǒng)斷開加熱器上游的負荷中心饋線開關(guān)，另一方面站010接收PMS產(chǎn)生的S0信號，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PLS系統(tǒng)切斷，但PMS系統(tǒng)可用，仍然可以斷開負荷中心的饋線開關(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

如圖3所示，機柜上電后，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的電流值不會輸出到現(xiàn)場設(shè)備?？刂破髯詣颖O(jiān)測模件的工作狀態(tài)，監(jiān)測到工作模件1的電子線路故障或通訊故障時，控制器斷開開關(guān)1，切斷工作模件1的輸出電流，同時接通開關(guān)2，將工作模件2的電流輸出到現(xiàn)場設(shè)備。

模件冗余切換的條件是控制器監(jiān)測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，不會影響信號的采集和邏輯處理。因此，可以通過拔除工作模件以模擬通訊故障的方法來實施。

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

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

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

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

4 結(jié)束語

對比國內(nèi)其他核電廠穩(wěn)壓器加熱器的控制方法，分析了AP1000穩(wěn)壓器加熱器在簡化控制方法和提高控制可靠性上采用的策略。同時，針對加熱器控制信號丟失的風險提出了冗余切換試驗的方法，對后續(xù)穩(wěn)壓器的調(diào)試和維護有一定的參考和借鑒價值。