核電廠穩(wěn)壓器電加熱器自動(dòng)控制研究

張 杰，吳 京，劉一鳴

（華龍國(guó)際核電技術(shù)有限公司 電氣儀控所，北京 100036）

壓水堆核電站一回路啟動(dòng)時(shí)需先給一回路充水，一回路滿水待條件滿足后通過(guò)穩(wěn)壓器（PZR）內(nèi)的加熱器將穩(wěn)壓器內(nèi)冷卻劑加熱至飽和狀態(tài)并建立汽腔。穩(wěn)壓器建汽腔的目的在于更好地控制一回路的壓力，同時(shí)為一回路水裝量提供一定緩沖。目前核電廠的穩(wěn)壓器建汽腔過(guò)程中，通過(guò)操縱員的經(jīng)驗(yàn)手動(dòng)控制加熱器的投退形成汽腔，汽腔形成后通過(guò)加熱器/噴淋閥的控制來(lái)穩(wěn)定并逐步提升一回路壓力至正常運(yùn)行值。本文通過(guò)分析電加熱器的控制邏輯以及對(duì)建汽腔升溫進(jìn)行建模計(jì)算等過(guò)程，提出建汽腔過(guò)程中的自動(dòng)控制邏輯方案，以期提高機(jī)組啟動(dòng)過(guò)程中的自動(dòng)化水平。

1 穩(wěn)壓器電加熱器設(shè)備

穩(wěn)壓器加熱器和噴淋閥是穩(wěn)壓器壓力控制系統(tǒng)的主要設(shè)備。穩(wěn)壓器電加熱器的基本功能是與穩(wěn)壓器噴淋相互配合，控制和調(diào)節(jié)反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)（RCP）壓力。穩(wěn)壓器內(nèi)主要有比例式加熱器和通斷式加熱器。

1）比例式加熱器003/004RS：比例式電加熱器主要在穩(wěn)壓器內(nèi)壓力小幅度波動(dòng)時(shí)起作用，用于補(bǔ)償PZR容器的散熱以及連續(xù)噴淋帶來(lái)的熱損失。

2）通斷式加熱器001/002/005/006RS：通斷式加熱器用于反應(yīng)堆啟動(dòng)或瞬態(tài)過(guò)程，主要考慮在機(jī)組各種瞬態(tài)擾動(dòng)下對(duì)一回路壓力進(jìn)行補(bǔ)償和調(diào)節(jié)。

3）6組加熱器的功率和穩(wěn)壓器容積見(jiàn)表1[1]。

表1 電加熱器參數(shù)Table 1 Parameters of electric heater

2 電加熱器控制邏輯及手動(dòng)控制過(guò)程分析

2.1 通斷式電加熱器控制邏輯

RCP001RS、RCP002RS、RCP005RS、RCP006RS均 為通斷式電加熱器，其控制邏輯基本相同。此處以RCP001RS為例進(jìn)行說(shuō)明，其控制邏輯圖如圖1[2]。分析其控制邏輯得出如下結(jié)論：

圖1 通斷式加熱器RCP001RS邏輯圖Fig.1 Logic diagram of on-off heater RCP001RS

1）RCP001RS電加熱器的啟動(dòng)條件為：

①自動(dòng)啟動(dòng)：需將RCP057KG置于AUTO，且穩(wěn)壓器壓力偏差低430XU1 LOW為1（偏差小于-1.7bar）或穩(wěn)壓器水位偏差高439XU2 HIGH為1（偏差大于5%）。

②手動(dòng)啟動(dòng)：需將RCP057KG置于MANU且KIC中RCP001RS置于Me START。

2）RCP001RS電加熱器的退出條件為：

①自動(dòng)退出：穩(wěn)壓器壓力偏差大于-1.7bar且穩(wěn)壓器水位偏差小于5%。

②手動(dòng)退出：RCP001RS置于STOP即可。

3）RCP001RS電加熱器的切除條件為：

穩(wěn)壓器液位437XU2低2信號(hào)（-4.63m）輸出為1時(shí)，切除穩(wěn)壓器加熱器。

2.2 比例式電加熱器控制邏輯

RCP003RS和RCP004RS均為比例式電加熱器，其控制邏輯相同。此處以RCP003RS為例進(jìn)行說(shuō)明，其控制邏輯圖如圖2[3]，穩(wěn)壓器壓力控制模擬圖如圖3[4]。分析其控制邏輯得出如下結(jié)論：

圖2 比例式加熱器RCP003RS邏輯圖Fig.2 Logic diagram of proportional heater RCP003RS

圖3 穩(wěn)壓器壓力控制模擬圖Fig.3 Simulation diagram of pressurizer pressure control

1）RCP003RS電加熱器的啟動(dòng)條件為：

將RCP003RS置于ME START，且穩(wěn)壓器壓力偏差位于-1bar和1bar之間，此時(shí)比例式電加熱器從0%～100%線性開(kāi)啟。

2）RCP003RS電加熱器的退出條件為：

將RCP003RS置于STOP或穩(wěn)壓器壓力器壓力偏差大于1bar。

3）RCP003RS電加熱器的切除條件為：

同通斷式電加熱器：穩(wěn)壓器液位437XU2低2信號(hào)（-4.63m）輸出為1時(shí)，切除穩(wěn)壓器加熱器。

4）穩(wěn)壓器壓力控制分析

RCP013、014、015MP通過(guò)一個(gè)表決器取其平均值分兩路輸出，穩(wěn)壓器壓力P與其本身設(shè)置的整定值Pref相比較，并將壓力偏差P-Pref進(jìn)行PID運(yùn)算。輸出信號(hào)補(bǔ)償壓差用來(lái)對(duì)噴淋閥和比例電加熱器實(shí)施連續(xù)控制，對(duì)通斷電加熱器實(shí)施斷續(xù)控制。此外，調(diào)節(jié)器輸出端接一自動(dòng)/手動(dòng)控制器RCP401KU（RCI），操縱員可通過(guò)設(shè)定壓力偏差值來(lái)手動(dòng)控制電加熱器的壓力偏差輸入信號(hào)進(jìn)而控制通斷式和比例式電加熱器的啟停與控制。

2.3 電加熱器手動(dòng)控制過(guò)程

目前穩(wěn)壓器建汽腔過(guò)程中，采用操縱員手動(dòng)操作的方式實(shí)現(xiàn)電加熱器的投運(yùn)和退出過(guò)程。控制過(guò)程如下：

1）確認(rèn)穩(wěn)壓器加熱器可用

確認(rèn)無(wú)RCP001-006RS相關(guān)報(bào)警。

2）手動(dòng)投運(yùn)穩(wěn)壓器電加熱器

首先關(guān)閉穩(wěn)壓器兩個(gè)噴淋閥（RCP001/002VP），再逐個(gè)手動(dòng)投運(yùn)比例式加熱器和通斷式加熱器，順序與操作依次為：

◇ RCP001RS：通過(guò)RCP057KG將穩(wěn)壓器加熱器RCP001RS置于手動(dòng)，然后投運(yùn)。

◇ RCP002RS：通過(guò)RCP058KG將穩(wěn)壓器加熱器RCP002RS置于手動(dòng)，然后投運(yùn)。

◇ RCP005RS：通過(guò)RCP061KG將穩(wěn)壓器加熱器RCP005RS置于手動(dòng)，然后投運(yùn)。

◇ RCP006RS：通過(guò)RCP062KG將穩(wěn)壓器加熱器RCP006RS置于手動(dòng)，然后投運(yùn)。

◇ RCP003/004RS：將RCP003/004RS置于Me-start，RCP401KU置于INT，手動(dòng)設(shè)置定值-1bar。

3）手動(dòng)退出穩(wěn)壓器加熱器

在穩(wěn)壓器內(nèi)冷卻劑溫度（RCP010MT）達(dá)到220℃時(shí)退出第一組加熱器，之后隨著溫度的上升，每增加1℃（約2min），退出一組加熱器，先退通斷式加熱器，再退比例式加熱器[5]，最后剩一組比例式加熱器運(yùn)行。順序與操作依次為：

◇ 溫度到達(dá)220℃時(shí)，手動(dòng)退出第1組通斷式加熱器RCP001RS。

◇ 溫度到達(dá)221℃時(shí)，手動(dòng)退出第2組通斷式加熱器RCP002RS。

◇ 溫度到達(dá)222℃時(shí)，手動(dòng)退出第3組通斷式加熱器RCP005RS。

◇ 溫度到達(dá)223℃時(shí)，手動(dòng)退出第4組通斷式加熱器RCP006RS。

◇ 溫度到達(dá)224℃時(shí)，手動(dòng)退出第1組比例式加熱器RCP003RS。

3 穩(wěn)壓器建汽腔升溫建模及計(jì)算

3.1 穩(wěn)壓器溫度測(cè)量準(zhǔn)確度分析

目前，建汽腔過(guò)程中采用每升高1℃（觀察RCP010MT穩(wěn)壓器液相溫度指示）手動(dòng)退出一組電加熱器的控制方式。該控制方式對(duì)于溫度測(cè)量通道要求較高，不僅響應(yīng)時(shí)間要足夠快，測(cè)量精度也需要滿足相應(yīng)要求，否則可能出現(xiàn)過(guò)早或過(guò)晚退出的情況。經(jīng)查詢相關(guān)資料，穩(wěn)壓器液相溫度計(jì)RCP010MT為標(biāo)準(zhǔn)響應(yīng)B級(jí)溫度傳感器，對(duì)應(yīng)的其測(cè)量誤差為：a=0.30+0.005｜t｜。在穩(wěn)壓器建汽腔過(guò)程中電加熱器準(zhǔn)備退出前后的溫度約為220℃，帶入計(jì)算a=1.4℃。

結(jié)論：不考慮DCS設(shè)備模數(shù)轉(zhuǎn)換等誤差，單純從穩(wěn)壓器溫度測(cè)量傳感器RCP010MT的測(cè)量結(jié)果可以看出，在220℃時(shí)測(cè)量示值有±1.4℃的偏差。因此，目前采用觀察RCP010MT指示按照每升高1℃退出一組電加熱器的手動(dòng)退出方式的誤差較大。本文在自動(dòng)控制方案設(shè)計(jì)中采用線性功率計(jì)算法控制加熱器退出。

3.2 建汽腔過(guò)程中升溫計(jì)算

由表1電加熱器參數(shù)可知，電加熱器的總功率為1440kW。25bar.g下水的比熱值C約為4.4kJ/kg×℃。因此，在6組電加熱器全開(kāi)情況下，水溫升高1℃所需熱量Q=m×C。該處的計(jì)算主要是考慮在加熱器逐組退出后，剩余加熱器將穩(wěn)壓器內(nèi)水的升溫情況。在穩(wěn)壓器建汽腔過(guò)程中，電加熱器在大約達(dá)到水的飽和溫度前約220℃左右考慮開(kāi)始退出。

220℃下水的比容V約為0.0011899m3/kg，計(jì)算穩(wěn)壓器滿水位40m3狀態(tài)下水的質(zhì)量m≈40m3/0.0011899m3/kg =33616kg。

因此，Q=m×C=33616kg×4.4kJ/kg×℃=1.479×108J，即升高1℃需1.479×108J的熱量，記為Q1。

6組加熱器全開(kāi)的狀態(tài)下功率水平P1=1440kW，因此升高1℃需要時(shí)間T=Q1/P1=1.479×108J/（3.6×106）J/(kW·h)/1440kW×60min/h=1.71min，記為T1。

結(jié)論：在約220℃下，將穩(wěn)壓器內(nèi)40m3水升高1℃需要6組電加熱器額定功率運(yùn)行大約1.71min，該結(jié)果同§2.3電加熱器手動(dòng)控制過(guò)程中操縱員經(jīng)驗(yàn)值約2min相同。

3.3 穩(wěn)壓器電加熱器斷電后衰變熱計(jì)算

每一組電加熱器在退出運(yùn)行后，理論上在加熱體外包殼上尚存在殘余的衰變熱。采用功率計(jì)算法控制加熱器退出時(shí)，除了需要考慮電加熱器正常工作釋放熱外，電加熱器斷電后衰變熱量對(duì)于水溫的影響也需要考慮。為此，以P2=24kW為加熱器最小加熱功率單位進(jìn)行建模計(jì)算。查閱電加熱器采購(gòu)技術(shù)規(guī)格書等相關(guān)資料得到的主要建模必需參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 電加熱器建模主要參數(shù)表Table 2 Main parameters of electric heater modeling

采用Ansys19.2軟件建模，通過(guò)建模計(jì)算得到24kW加熱器斷電后釋放熱量曲線如圖4。

圖4 24kW加熱體斷電后熱量釋放曲線圖Fig.4 Heat release curve of 24kW heater after power failure

由圖4可以看出：

1）24kW加熱體斷電后共釋放潛熱約70000J，記為Q2。

2）斷電后60s后基本釋放潛熱完成。

根據(jù)§3.1節(jié)建汽腔過(guò)程中升溫計(jì)算的內(nèi)容可進(jìn)一步計(jì)算：

6組共1440kW功率的電熱器在斷電后總釋放潛熱對(duì)于穩(wěn)壓器水溫的提高：P1/P2×Q2/Q1≈0.028℃。

3）即6組電加熱器同時(shí)斷電，其釋放總潛熱僅將穩(wěn)壓器內(nèi)的水溫升高溫度約0.028℃，由此判斷加熱器斷電后潛熱對(duì)于建汽腔過(guò)程的升溫影響忽略不計(jì)。本文中采用線性功率計(jì)算法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，不考慮潛熱影響。

4 穩(wěn)壓器電加熱器自動(dòng)控制

4.1 電加熱器投運(yùn)自動(dòng)控制

根據(jù)本文第2章電加熱器控制邏輯分析內(nèi)容可知，在前置條件滿足后，可通過(guò)設(shè)置RCP401KU投運(yùn)所有電加熱器，具體控制步序如下：

1）確認(rèn)RCP001RS/002RS/005RS/006RS的控件位置為AUTO。

2）將RCP003RS/004RS置于ME START。

3）RCP401KU置于INT，并將整定值設(shè)置為-0.17MPa。

4）以上邏輯過(guò)程均可通過(guò)自動(dòng)順序控制實(shí)現(xiàn)。至此，6組電加熱器全部投運(yùn)。該過(guò)程如圖5。

圖5 電加熱器投運(yùn)過(guò)程自動(dòng)控制時(shí)序圖Fig.5 Automatic control sequence diagram of electric heater operation

4.2 電加熱器退出自動(dòng)控制

1）根據(jù)本文第3章穩(wěn)壓器建汽腔升溫建模及計(jì)算以及§4.1節(jié)電加熱器投運(yùn)自動(dòng)控制方式，電加熱器退出控制時(shí)先退出用于粗調(diào)的4組通斷式電加熱器（001RS/002RS/005RS/006RS），待汽腔初步建立后，將兩組比例式電加熱器（003RS/004RS）置于30%功率水平繼續(xù)加熱至汽腔完全建立。

2）退出通斷式加熱器后，剩下兩組比例式電加熱器加熱，功率P3=216kW×2=432kW。計(jì)算其使水溫升高1℃需要時(shí)間為T2，T2=Q1/P3=1.479×108J/432kW=5.69min，即5.69min將穩(wěn)壓器水位升高1℃?？紤]25bar壓力下水的飽和溫度226℃，可設(shè)計(jì)在RCP010MT指示溫度達(dá)到224℃時(shí)退出通斷式電加熱器，即將RCP401KU設(shè)置為-0.1Mpa。T3=2×T2=11.38min后穩(wěn)壓器內(nèi)加熱至飽和狀態(tài)226℃。此時(shí)認(rèn)為汽腔初步建立，將比例式電加熱器（003RS/004RS）設(shè)置為30%水平，即將RCP401KU設(shè)置為-0.03Mpa。

3）維持該狀態(tài)直至穩(wěn)壓器汽腔完全建立（RCP012MN=0m）。

4）以上邏輯過(guò)程均可通過(guò)自動(dòng)順序控制實(shí)現(xiàn)。該過(guò)程如圖6。

圖6 電加熱器退出過(guò)程自動(dòng)控制時(shí)序圖Fig.6 Automatic control sequence diagram of electric heater exit process

對(duì)比§2.3節(jié)電加熱器手動(dòng)控制過(guò)程可以看出，基于穩(wěn)壓器電加熱器控制邏輯優(yōu)化實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)投運(yùn)和退出控制極大簡(jiǎn)化了操縱員的手動(dòng)操作過(guò)程，進(jìn)而減少操縱員工作負(fù)荷和提高自動(dòng)化水平。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)分析穩(wěn)壓器建汽腔過(guò)程中電加熱器控制邏輯以及其手動(dòng)控制過(guò)程，提出采用線性功率計(jì)算法對(duì)穩(wěn)壓器電加熱器建汽腔實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。通過(guò)對(duì)建汽腔過(guò)程穩(wěn)壓器電加熱器升溫過(guò)程的相關(guān)建模和計(jì)算，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步提出了電加熱器的自動(dòng)投運(yùn)和退出控制方案。穩(wěn)壓器建汽腔的電加熱器自動(dòng)控制可以提高核電機(jī)組在啟動(dòng)過(guò)程中的自動(dòng)化水平，為核電機(jī)組實(shí)現(xiàn)一鍵啟動(dòng)方案的設(shè)計(jì)提供參考。