数字化核电站中稳压器压力控制系统的结构和特点

杜茂

【摘 要】稳压器压力控制系统是压水堆核电站中的重要调节系统。本文以福建福清核电站为参考核电站，介绍了采用数字化仪控系统（DCS）的核电站中稳压器压力控制系统的结构和特点。从压力信号采集及处理、控制系统结构、多重执行机构等方面介绍了稳压器压力控制系统的结构，同时介绍了使用数字化仪控系统（DCS）的核电站中稳压器压力控制系统的软硬件平台。通过分析系统的结构及软硬件平台，得出稳压器压力控制系统具有多传感器、PID控制、多重执行机构、执行机构多样性、控制处理器冗余等优点。反映出控制系统在核电站中特有的单一故障准则、多重冗余性、多样性等特点，体现出核电站中稳压器压力控制系统为提高安全性和稳定性而采取的特别措施。本文为核电站稳压器压力控制系统的调试和维护提供了一定的技术参考。

【关键词】数字化核电站；稳压器压力控制；数字化仪控系统

中图分类号： TL362 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）11-0028-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.11.011

0 前言

随着我国核电事业的迅速发展[1]，核电站控制系统的结构设计和软硬件实现也在不断进步。在压水堆核电站中，为了避免反应堆内的冷却剂产生泡核沸腾，避免损坏反应堆冷却剂系统的设备和部件，反应堆冷却剂压力必须严格控制在15.4MPa（相对压力，下同）附近。在压水堆核电站中，反应堆冷却剂压力通过一根波动管将一环路的热段和稳压器连接起来进行控制，稳压器的液腔和汽腔保持在平衡状态，以减少冷却剂的膨胀而引起的压力变化，反应堆冷却剂压力控制是由稳压器及其附属设备进行控制的，因此反应堆冷却剂压力控制是由稳压器压力控制系统来实现的。稳压器压力控制系统是核电站中一个非常重要的控制系统。

福清核电站1、2号机组是M310加改进型压水堆核电机组，采用数字化仪控系统（DCS）和先进主控室设计，其稳压器控制系统的结构和实现有其代表性。本文研究了福清核电站1、2号机组的稳压器压力控制系统的结构和软硬件方面的特点。从稳压器压力测量单元、调节通道、执行机构三个方面分析了稳压器压力控制系统的结构，并简单介绍了软硬件实现，最后总结了福清核电站1、2号机组中稳压器压力控制系统的特点，如多重传感器测量、PID控制回路、执行机构冗余、多样化的执行机构、控制处理器冗余等，为核电站稳压器压力控制系统的调试和维护提供了一定的技术参考。

1 控制系统结构

在福建福清核电站1、2号机组中，稳压器压力控制系统的结构如图1所示，包括测量单元、调节单元、执行机构三个部分。

1.1 稳压器压力测量单元

稳压器的压力控制系统的压力测量采用3台罗斯蒙特公司生产的压力变送器RCP013、014、015MP，量程为11～18MPa，测量精度为0.25%。3台压力变送器独立测量，测量得到的模拟量壓力数据经过一个选择器RCP402VT进行处理后得到压力测量值。选择器的输出是有效输入信号的平均值，当有一个输入无效时，选择器输出余下两个有效输入的平均值，当有两个或两个以上信号无效时，选择器输出保持上一时刻有效值并自动地将相关控制器切换至手动模式。输入信号无效是指该信号的质量位无效或该输入信号与其他两个输入信号的偏差绝对值大于量程的5%。可见，当一个或两个传感器故障时，压力控制系统仍然能够正常运行，即使是三台传感器同时故障，也依然能够借助别的传感器的测量数据进行手动控制。这种3个传感器求平均值的测量模式体现了核电站设计中的单一故障准则，同时也提高了控制系统的准确性、可用性和稳定性。

1.2 执行机构

稳压器压力控制系统的执行机构由非能动式和能动式执行机构组成。

非能动执行机构是三个安全阀组，提供稳压器的超压保护，不受控制系统控制。每组安全阀由两台相似的先导式安全阀串联安装而成。保护阀是提供卸压功能的上游阀门，隔离阀是提供隔离功能的下游阀门，正常运行期间，保护阀关闭，隔离阀开启。当稳压器压力超过保护阀整定值时，相应保护阀开启卸压。三台保护阀的开启整定值分别为16.6MPa.a，17.0 MPa.a，17.2 MPa.a。

稳压器压力控制系统的能动式执行机构包括：6组电加热器，其中两组是比例电加热器，四组是通断电加热器；1个双回路喷雾系统，每个回路都有一个调节阀，共用一个喷头；

稳压器喷雾系统的作用是把取自两个冷段的水喷入稳压器顶部汽腔，使蒸汽冷凝，降低稳压器压力。喷淋流量由两台稳压器喷淋阀进行调节。两台稳压器喷淋阀，均为气动调节阀，将4～20mA模拟量阀门开度信号通过电气转换器和气动放大器输出到阀门膜片以驱动阀门到达指定开度，进而调节喷淋流量来改变稳压器压力。

电加热器的功能是在稳压器压力下降时，加热稳压器中的水，使更多的水汽化，蒸汽压力升高，从而使稳压器的压力升高。

1.3 调节通道

稳压器的压力控制系统的调节通道是一个PID调节回路，传递函数如下：

稳压器压力整定值为15.4MPa，在DCS机柜中设定，PID调节器的输入是压力测量值与整定值之间的偏差，输出作为补偿压差（P-Pref）控制各执行机构。该调节器在由一个PI调节器和一个PD调节器串联组成，调节参数分别为[2]：

比例带PPI=13.6%，PPD=52.19；

积分时间T21=600s；

微分时间T22=6.67s；

下限幅=5%，对应补偿压差为-0.232MPa；

上限幅=95%，对应补偿压差为0.816MPa。

调节器RCP401RG的输出补偿压差（P-Pref）分别送到RCP402、403RG、RCP401、409GD、RCP430XU1操作稳压器喷淋阀、比例电加热器、通断式电加热器。

1.3.1 喷淋阀调节

对两台稳压器喷淋阀进行调节的调节器RCP402、403RG的调节参数如图2所示：

1.3.2 比例式电加热器调节

RCP401、409GD用来调节比例式电加热器RCP003RS、RCP004RS的参数如下图所示：

1.3.3 通断式电加热器调节

通断式电加热器的控制由RCP430XU1控制，当RCP401RG的输出小于-0.17MPa时，通断式电加热器接通，然后当由这些电加热器造成的压力回升到足够大时断开，此时压力回升的速率减小，因为只有比例电加热器在工作，当RCP401RG输出回升到-0.1MPa时，通断式电加热器切除。

综合上述控制要求，得到图4所示稳压器压力控制特性图[3]。

1.4 软硬件介绍

福清核电站采用数字化仪控系统DCS（Distributed Control System ，也称分布式控制系统）对全厂生产过程进行集中监测、操作、管理和分散控制[4]。

福清核电DCS工作站采用DELL T3500工作站，控制器采用目前主流使用的控制器FCP270，控制功能块执行速度为10，000个功能块/秒，可组态多达4，000个控制模块；控制器是控制系统处理一层工艺数据的核心，两个FCP设为一个容错对，与相连的现场总线组件（FBM）一起，可按组态好的控制方案对过程进行控制。

FCP是系统核心设备，完成数据采集、检测、运算、报警和传送信息的功能。CP的处理能力因芯片的型号而异。基本处理周期最快可定义为0.05秒（在系统组态时定义），在福清核电1、2号机组中为0.1秒。

现场总线模块采用DIN 200系列FBM，现场总线组件（FBM）是现场传感器和执行器与控制处理机的接口，是一种智能化的IO组件，FBM对现场设备使用的电气输入和输出信号进行适当转换使得通过现场总线能与这些装置通讯。现场组件可与控制处理机CP或运行I/A Series综合控制软件的个人计算机连接，各种FBM与工厂中通常遇到的各种现场信号相匹配。

交换机采用三层次交换机：电厂级、机组级和ROOM级。电厂级和1、2机组级交换机采用Enterasys N3，Room和9号机组级交换机采用Enterasys N1。

IA系列控制软件采用了目前比较稳定的IA V8.4.3版本，为了适应核电站项目规模大、控制要求高的特点，网络结构采用倒挂树结构Mesh网。

在稳压器压力控制系统中，负责采集稳压器压力的现场总线组件是FBM204，它有4个独立的4～20mA模拟量输入通道和4个独立的0～20mA模拟量输出通道。来自现场压力变送器的4～20mA模拟量信号通过FBM204转化为数字量后传送至FCP处理器，再通过光纤传送至交换机，即输入至？MESH网。压力控制模块程序的组态在FCP中运行，运行周期为100ms。

控制系统输出至稳压器喷淋阀的开度信号和比例式电加热器的功率控制信号是由FBM208进行输出的，FBM208具有4个独立的0～20mA模拟量输入通道和4个独立的0～20模拟量输出通道。

四个通断式电加热器的通断控制信号由FBM242进行输出，FBM242具有16个独立的通断信号输出通道。

2 控制系统特点

2.1 多传感器

稳压器压力控制系统使用三台压力变送器测量稳压器压力数据，当一个或两个传感器故障时，压力控制系统仍然能够正常运行，即使是三台传感器同时故障，也依然能够借助别的传感器的测量数据进行手动控制。这种3个传感器求平均值及可降级求平均的测量模式体现了核电站设计中的单一故障准则，同时也提高了控制系统的准确性、可用性和稳定性。

2.2 PID控制

稳压器压力控制系统使用PID调节模式，适合于核电站环境相对恶劣的场合，PID算法有一套完整的参数整定与设计方法，易于工程师进行现场调整。核电站控制系统更注重可靠性，PID控制能在同等条件下得到更高的可靠性。

2.3 执行机构多样

稳压器压力控制系统采用多样化的执行机构，有非能动的先导式安全阀、隔离阀、冷却剂喷淋阀、比例式电加热器、通断式电加热器。多样化的执行机构增加了控制系统的安全性和稳定生。

2.4 执行机构冗余

稳压器压力控制系统中使用3组安全阀组、2台稳压器喷淋阀、2组比例式电加热器、4组通断式电加热器，这些冗余设计是为了保证核电站中的单一故障准则，即单台设备故障不影响核电站的安全性能。

2.5 控制处理器冗余

在福清核电DCS系统中，两个FCP构成一个冗余容错对使用并线器连接通过光纤连接至交换机。

3 结论

福清核电1、2号机组稳压器压力控制系统采用多传感器求平均及降级求平均的方法得到稳压器压力测量数据，通过PID调节回路产生补偿差压，進而控制多重执行机构。结合数字化仪控系统的特点，其具有，多传感器、PID控制、多样化的执行机构、执行机构冗余、控制处理器冗余等优点，极大提高了稳压器压力控制系统的可靠性和稳定性，进而提高了压水堆核电机组的安全性。

【参考文献】

[1]陈梦然.中国核电发展及未来，武汉：武汉大学，2010.

[2]李玉惠.自动控制原理，北京：清华大学出版社，2008.

[3]高鹏.核电站调节控制系统的数字仿真研究，上海：上海交通大学，2006.

[4]周荣富，陶文英.集散控制系统[M].北京大学出版社，2011：20-22.

[5]凌志浩.DCS与现场总线控制系统[M].华东理工大学出版社，2008：42-43.