某核电厂化学和容积控制系统闭环控制参数优化

刘东亮　王犇　雒志强

【摘 要】介绍了某核电厂核岛闭环控制原理。对化学和容积控制系统在调试过程中发生的压力和温度闭环控制失效问题进行了原因分析，通过优化闭环控制参数解决了上述问题。

【关键词】核电厂；闭环；控制；参数；优化

中图分类号： TM76 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）11-0062-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.11.025

【Abstract】The paper introduces the NI closed-loop control principle at a nuclear power plant. Analyze cause of the pressure and temperature control failure problems occurred during the chemical and volume control system commissioning. Solved those problems by optimized the closed-loop control parameters.

【Key words】Nuclear power plant； Closed-loop； Control； Parameter； Optimization

0 引言

核电厂核岛闭环控制是全厂自动控制的核心，参考成熟堆型压水堆核电厂建造经验，闭环控制参数在设计初始值基础上需经调试优化才能获得可用数据。尽管相同堆型核电厂之间的闭环控制参数存在差异，但对于新建机组而言仍有较大参考价值。某核电厂面临核岛闭环控制参数只有设计初始值而缺少有价值参考数据的客观情况，且核岛调节器多选用步进式电动执行器，这与国内已掌握的核电厂连续调节式气动执行器控制理念完全不同。

化学和容积控制系统（RCV）是一回路重要的辅助系统，设计功能为一回路冷却剂容积控制、水化学控制和反应性控制。RCV的运行状态与反应堆冷却剂系统（RCP）的运行状态直接相关，RCV闭环控制参数的优化效果对于机组运行安全而言有重要意义[1]。该核电厂在未装载核燃料的工况下，调试发现了RCV高压减压站压力控制闭环和非再生式热交换器出口温度控制闭环存在因设计给定初始控制参数不合适导致闭环投运效果不佳问题。研究分析后得出了导致上述两个问题发生的原因，通过调试优化高压减压站下游压力调节阀（RCV1420VP）和非再生式热交换器出口温度调节阀（RCV1237/1247VN）控制参数成功解决了问题。

1 核岛闭环控制原理

该核电厂核岛闭环控制通道主要选用电动执行器（ECA），闭环控制通道类型包括PID+ECA控制、ECA阀位控制、ECA控制三种。

1.1 PID+ECA控制通道

PID+ECA控制通道主要由接收被控对象过程偏差的PID模块和接收阀位偏差的ECA控制器组成，用于执行机构接收多个闭环控制回路指令，可调校参数为PID模块参数和ECA模块内部参数。控制原理见图1。1.2 ECA阀位控制通道

ECA阀位控制通道主要由接收被控对象设定值的函数发生器和接收阀位偏差的ECA控制器组成，可调校参数为ECA模块的控制参数。控制原理见图2。

1.3 ECA控制通道

ECA控制通道主要由接收被控對象设定值的函数发生器和接收控制偏差的ECA控制器组成，其中由转换系数或归一化系数函数发生器产生控制偏差（XD），ECA模块接收偏差指令进行闭环控制，可调校参数为ECA模块的控制参数。该型控制通道在核岛控制应用范围最广，且在三种闭环控制通道中调校难度最大。控制原理见图3。

2 RCV主要闭环控制参数优化

前文所述ECA控制通道调校难度最大，同时也是现场发生控制问题最多的通道类型。RCV系统调试过程中先后发生了一回路超压和非再生式热交换器出口温度控制闭环参数

2.1 高压减压站压力控制闭环参数优化

2.1.1 压力控制失效原因分析

冷态功能试验（CFT）期间在主泵首次启动过程中发生一回路超压问题，调取历史数据后发现RCV1420VP开度与高压减压站压力在试验过程中存在异常波动，见图4。

为防止高压减压站内部发生闪蒸，需维持高压减压站下游表压力为5 bar。压力调节器是一个步进式电动执行器（ECA_SC），被调量为高压减压站出口压力，调节量为下泄流量；被调量与其设定值比较后产生控制偏差信号输入ECA_SC，通过调节RCV1420VP的开度控制下泄流量以实现维持高压减压站出口表压力为5 bar的目标。

CFT期间通过持续观察，发现高压减压站压力控制闭环投运后压力控制效果不佳且有明显的发散特征。由于压力设定值为5 bar，而保护阈值仅为6 bar，经分析1bar压力值对应约1%阀门开度，所以RCV1420VP的调节区间非常狭窄，阀门开度轻微波动就可能造成压力超出允许范围；由图4可知高压减压站下游压力（RCV1412MP测量值）在CFT期间对RCV1420VP开度的变化非常敏感，这与上述分析是一致的。按照设计给出的初始控制参数，保护阈值的回差值为1bar，即当6bar保护阈值触发后RCV1420VP将通过增大阀门开度以降低压力，但只有当压力实测值恢复到保护阈值减去其回差值（5bar）时闭环的压力调节功能才开始发挥作用，但此时RCV1420VP在阀门动作惯性作用下无法及时响应压力调节需求，导致压力跟随阀门开度发生频繁波动，闭环控制效果不佳。

CFT期间主泵首次启动过程中，由于RCP一回路排气不充分造成一回路压力下降4bar，按照设计方案此时由高压减压站的高压阀门（RCV1314VP）调节一回路压力[2]，HP阀门和RCV1420VP阀门产生不良耦合，HP阀门下游压力超过保护阈值（6bar），RCV1420VP开度发生波动，闭环压力控制效果随之变得不稳定；当RCV1412MP测量值超过11bar时RCV1314VP和RCV1324VP关闭，导致一回路发生超压问题。

2.1.2 参数优化方案与验证结果

综合原因分析和现场调试试验，对RCV1420VP压力控制参数进行了优化，将6bar保护阈值的回差值由原来的1bar优化为0.1bar。参数优化后，6bar保护阈值触发后RCV1420VP在开指令作用下开启，当压力下降至5.9bar就可以在压力控制信号作用下进行压力调节，保证了RCV1420VP响应压力调节需求的及时性，解决了高压减压站压力控制闭环控制效果不佳的问题，优化后的控制效果见图5。

2.2 非再生式热交换器出口温度控制闭环参数优化

2.2.1 温度控制失效原因分析

按照设计给定的初始参数投运非再生式热交换器出口温度控制闭环后，温度控制调节阀（RCV1237VN）的开度波动异常，导致阀门电机温度保护动作，RCV1237VN由自动控制切至手动。RCV1237VN控制发生异常振荡的记录曲线见图6。

RCV下泄除盐床中交换树脂的耐受温度不超过65℃；按照系统设计方案，一回路冷却剂经过再生式热交换器和非再生式热交换器两级降温至50℃。非再生式热交换器出口温度调节是一个前馈加法调节器，被调量为非再生式热交换器出口温度（RCV1250/1251MT），调节量为设备冷却水系统（RRI）的冷却水流量。流过非再生式热交换器的下泄流量、RRI冷却水流量、上充流量和非再生式热交换器入口温度作为前馈信号。被调量测量值和温度设定值（50℃）相减，产生温度偏差信号，叠加正作用的前馈信号后再减去负作用的前馈信号偏差值，得到步进式电动调节器（ECA_SC）的输入偏差，通过ECA_SC调节，产生RCV1237VN的开度信号，从而控制RRI冷却水流量，实现非再生式热交换器出口温度调节。

步进驱动是解决电动执行器产生振荡问题的有效驱动方式，其中控制参数设置合理与否决定了实际控制效果[3，4]。通过分析发现单位流量的下泄、冷却和上充流体通过热交换器后释放的热量是不同的，因此这三个变量对被调量影响作用是不同的。初始设计方案中给出的控制参数未考虑各前馈信号对被调量的影响差异，上述三个变量的微分时间参数（TD）和阻尼时间常数（TLAG）均设置为1和100。从一回路单相到100%FP满功率运行，RCV1237VN的入口温度设计范围为50～110℃，若只有一组固定的控制参数，显然无法满足处于不同入口温度影响下的RCV1237VN控制需要。

对比历史试验记录后发现，在下泄流量与此次异常事件过程中流量变化情况相近但下泄温度无明显波动的工况下，RCV1237VN可以正常发挥其温度控制作用；因而，此次异常发生前下泄温度发生的较大幅度的变化（下泄温度由63.8℃增大至71.6℃）是导致问题发生的直接原因，但究其根本原因则是单一固定的初始控制参数无法满足不同入口温度下的RCV1237VN调节需求。

2.2.2 参数优化方案与验证结果

综合原因分析和现场调试试验，对RCV1237VN温度控制参数进行了优化，将控制器的增益系数（GAIN）由原来的固定值4.5优化为根据RCV1237VN入口温度变化的增益系数，将积分时间TI由10改为240。此外，将归一化参数由22.22改为100，将MIN PULS修改为500ms。针对前馈环节设计缺陷，通过现场实际工况（启停上充泵、HP阀门切换）多次验证，最后将图14中的DERIV_1的TD由1修改为75，TLAG由10修改为200，将DERIV_4的TD由1改为0.1，YU由100改为0.1。

上述优化完成后，RCV1237VN在自动模式下对下泄温度发生较大变化的工况时响应动作正常，控制效果符合非再生式热交换器出口温度闭环控设计需求。参数优化后控制系统响应过程见图7。

3 结束语

ECA控制通道是该核电厂核岛系统的主要闭环控制通道类型，基于RCV高压减压站压力控制闭环和非再生式热交换器出口温度控制闭环投运过程中发现的问题进行了ECA控制通道投运问题原因分析和控制参数优化。文中给出的参数优化思路、方案对于核电厂核岛闭环控制通道设计、调试工作有直接参考价值。

【参考文献】

[1]苏林森，杨辉玉.900MW压水堆核电站系统与设备[M].北京：原子能出版社，2005：121-132.

[2]余维铭，邱小平，陳世纪.EPR机组一回路水压试验压力控制策略探讨[J].中国高新技术企业，2015，（35）：73-75.

[3]冷惠文.步进驱动方式在电动执行器控制中的应用[J].自动化仪表，2001，22（6）：23-24.

[4]王兴东，冷惠文.一种新型电动执行器控制器[J].自动化仪表，1998，19（4）：21-22.