核电厂稳压器电加热器自动控制研究

张 杰，吴 京，刘一鸣

（华龙国际核电技术有限公司 电气仪控所，北京 100036）

压水堆核电站一回路启动时需先给一回路充水，一回路满水待条件满足后通过稳压器（PZR）内的加热器将稳压器内冷却剂加热至饱和状态并建立汽腔。稳压器建汽腔的目的在于更好地控制一回路的压力，同时为一回路水装量提供一定缓冲。目前核电厂的稳压器建汽腔过程中，通过操纵员的经验手动控制加热器的投退形成汽腔，汽腔形成后通过加热器/喷淋阀的控制来稳定并逐步提升一回路压力至正常运行值。本文通过分析电加热器的控制逻辑以及对建汽腔升温进行建模计算等过程，提出建汽腔过程中的自动控制逻辑方案，以期提高机组启动过程中的自动化水平。

1 稳压器电加热器设备

稳压器加热器和喷淋阀是稳压器压力控制系统的主要设备。稳压器电加热器的基本功能是与稳压器喷淋相互配合，控制和调节反应堆冷却剂系统（RCP）压力。稳压器内主要有比例式加热器和通断式加热器。

1）比例式加热器003/004RS：比例式电加热器主要在稳压器内压力小幅度波动时起作用，用于补偿PZR容器的散热以及连续喷淋带来的热损失。

2）通断式加热器001/002/005/006RS：通断式加热器用于反应堆启动或瞬态过程，主要考虑在机组各种瞬态扰动下对一回路压力进行补偿和调节。

3）6组加热器的功率和稳压器容积见表1[1]。

表1 电加热器参数Table 1 Parameters of electric heater

2 电加热器控制逻辑及手动控制过程分析

2.1 通断式电加热器控制逻辑

RCP001RS、RCP002RS、RCP005RS、RCP006RS均 为通断式电加热器，其控制逻辑基本相同。此处以RCP001RS为例进行说明，其控制逻辑图如图1[2]。分析其控制逻辑得出如下结论：

图1 通断式加热器RCP001RS逻辑图Fig.1 Logic diagram of on-off heater RCP001RS

1）RCP001RS电加热器的启动条件为：

①自动启动：需将RCP057KG置于AUTO，且稳压器压力偏差低430XU1 LOW为1（偏差小于-1.7bar）或稳压器水位偏差高439XU2 HIGH为1（偏差大于5%）。

②手动启动：需将RCP057KG置于MANU且KIC中RCP001RS置于Me START。

2）RCP001RS电加热器的退出条件为：

①自动退出：稳压器压力偏差大于-1.7bar且稳压器水位偏差小于5%。

②手动退出：RCP001RS置于STOP即可。

3）RCP001RS电加热器的切除条件为：

稳压器液位437XU2低2信号（-4.63m）输出为1时，切除稳压器加热器。

2.2 比例式电加热器控制逻辑

RCP003RS和RCP004RS均为比例式电加热器，其控制逻辑相同。此处以RCP003RS为例进行说明，其控制逻辑图如图2[3]，稳压器压力控制模拟图如图3[4]。分析其控制逻辑得出如下结论：

图2 比例式加热器RCP003RS逻辑图Fig.2 Logic diagram of proportional heater RCP003RS

图3 稳压器压力控制模拟图Fig.3 Simulation diagram of pressurizer pressure control

1）RCP003RS电加热器的启动条件为：

将RCP003RS置于ME START，且稳压器压力偏差位于-1bar和1bar之间，此时比例式电加热器从0%～100%线性开启。

2）RCP003RS电加热器的退出条件为：

将RCP003RS置于STOP或稳压器压力器压力偏差大于1bar。

3）RCP003RS电加热器的切除条件为：

同通断式电加热器：稳压器液位437XU2低2信号（-4.63m）输出为1时，切除稳压器加热器。

4）稳压器压力控制分析

RCP013、014、015MP通过一个表决器取其平均值分两路输出，稳压器压力P与其本身设置的整定值Pref相比较，并将压力偏差P-Pref进行PID运算。输出信号补偿压差用来对喷淋阀和比例电加热器实施连续控制，对通断电加热器实施断续控制。此外，调节器输出端接一自动/手动控制器RCP401KU（RCI），操纵员可通过设定压力偏差值来手动控制电加热器的压力偏差输入信号进而控制通断式和比例式电加热器的启停与控制。

2.3 电加热器手动控制过程

目前稳压器建汽腔过程中，采用操纵员手动操作的方式实现电加热器的投运和退出过程。控制过程如下：

1）确认稳压器加热器可用

确认无RCP001-006RS相关报警。

2）手动投运稳压器电加热器

首先关闭稳压器两个喷淋阀（RCP001/002VP），再逐个手动投运比例式加热器和通断式加热器，顺序与操作依次为：

◇ RCP001RS：通过RCP057KG将稳压器加热器RCP001RS置于手动，然后投运。

◇ RCP002RS：通过RCP058KG将稳压器加热器RCP002RS置于手动，然后投运。

◇ RCP005RS：通过RCP061KG将稳压器加热器RCP005RS置于手动，然后投运。

◇ RCP006RS：通过RCP062KG将稳压器加热器RCP006RS置于手动，然后投运。

◇ RCP003/004RS：将RCP003/004RS置于Me-start，RCP401KU置于INT，手动设置定值-1bar。

3）手动退出稳压器加热器

在稳压器内冷却剂温度（RCP010MT）达到220℃时退出第一组加热器，之后随着温度的上升，每增加1℃（约2min），退出一组加热器，先退通断式加热器，再退比例式加热器[5]，最后剩一组比例式加热器运行。顺序与操作依次为：

◇ 温度到达220℃时，手动退出第1组通断式加热器RCP001RS。

◇ 温度到达221℃时，手动退出第2组通断式加热器RCP002RS。

◇ 温度到达222℃时，手动退出第3组通断式加热器RCP005RS。

◇ 温度到达223℃时，手动退出第4组通断式加热器RCP006RS。

◇ 温度到达224℃时，手动退出第1组比例式加热器RCP003RS。

3 稳压器建汽腔升温建模及计算

3.1 稳压器温度测量准确度分析

目前，建汽腔过程中采用每升高1℃（观察RCP010MT稳压器液相温度指示）手动退出一组电加热器的控制方式。该控制方式对于温度测量通道要求较高，不仅响应时间要足够快，测量精度也需要满足相应要求，否则可能出现过早或过晚退出的情况。经查询相关资料，稳压器液相温度计RCP010MT为标准响应B级温度传感器，对应的其测量误差为：a=0.30+0.005｜t｜。在稳压器建汽腔过程中电加热器准备退出前后的温度约为220℃，带入计算a=1.4℃。

结论：不考虑DCS设备模数转换等误差，单纯从稳压器温度测量传感器RCP010MT的测量结果可以看出，在220℃时测量示值有±1.4℃的偏差。因此，目前采用观察RCP010MT指示按照每升高1℃退出一组电加热器的手动退出方式的误差较大。本文在自动控制方案设计中采用线性功率计算法控制加热器退出。

3.2 建汽腔过程中升温计算

由表1电加热器参数可知，电加热器的总功率为1440kW。25bar.g下水的比热值C约为4.4kJ/kg×℃。因此，在6组电加热器全开情况下，水温升高1℃所需热量Q=m×C。该处的计算主要是考虑在加热器逐组退出后，剩余加热器将稳压器内水的升温情况。在稳压器建汽腔过程中，电加热器在大约达到水的饱和温度前约220℃左右考虑开始退出。

220℃下水的比容V约为0.0011899m3/kg，计算稳压器满水位40m3状态下水的质量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的热量，记为Q1。

6组加热器全开的状态下功率水平P1=1440kW，因此升高1℃需要时间T=Q1/P1=1.479×108J/（3.6×106）J/(kW·h)/1440kW×60min/h=1.71min，记为T1。

结论：在约220℃下，将稳压器内40m3水升高1℃需要6组电加热器额定功率运行大约1.71min，该结果同§2.3电加热器手动控制过程中操纵员经验值约2min相同。

3.3 稳压器电加热器断电后衰变热计算

每一组电加热器在退出运行后，理论上在加热体外包壳上尚存在残余的衰变热。采用功率计算法控制加热器退出时，除了需要考虑电加热器正常工作释放热外，电加热器断电后衰变热量对于水温的影响也需要考虑。为此，以P2=24kW为加热器最小加热功率单位进行建模计算。查阅电加热器采购技术规格书等相关资料得到的主要建模必需参数见表2。

表2 电加热器建模主要参数表Table 2 Main parameters of electric heater modeling

采用Ansys19.2软件建模，通过建模计算得到24kW加热器断电后释放热量曲线如图4。

图4 24kW加热体断电后热量释放曲线图Fig.4 Heat release curve of 24kW heater after power failure

由图4可以看出：

1）24kW加热体断电后共释放潜热约70000J，记为Q2。

2）断电后60s后基本释放潜热完成。

根据§3.1节建汽腔过程中升温计算的内容可进一步计算：

6组共1440kW功率的电热器在断电后总释放潜热对于稳压器水温的提高：P1/P2×Q2/Q1≈0.028℃。

3）即6组电加热器同时断电，其释放总潜热仅将稳压器内的水温升高温度约0.028℃，由此判断加热器断电后潜热对于建汽腔过程的升温影响忽略不计。本文中采用线性功率计算法实现自动控制，不考虑潜热影响。

4 稳压器电加热器自动控制

4.1 电加热器投运自动控制

根据本文第2章电加热器控制逻辑分析内容可知，在前置条件满足后，可通过设置RCP401KU投运所有电加热器，具体控制步序如下：

1）确认RCP001RS/002RS/005RS/006RS的控件位置为AUTO。

2）将RCP003RS/004RS置于ME START。

3）RCP401KU置于INT，并将整定值设置为-0.17MPa。

4）以上逻辑过程均可通过自动顺序控制实现。至此，6组电加热器全部投运。该过程如图5。

图5 电加热器投运过程自动控制时序图Fig.5 Automatic control sequence diagram of electric heater operation

4.2 电加热器退出自动控制

1）根据本文第3章稳压器建汽腔升温建模及计算以及§4.1节电加热器投运自动控制方式，电加热器退出控制时先退出用于粗调的4组通断式电加热器（001RS/002RS/005RS/006RS），待汽腔初步建立后，将两组比例式电加热器（003RS/004RS）置于30%功率水平继续加热至汽腔完全建立。

2）退出通断式加热器后，剩下两组比例式电加热器加热，功率P3=216kW×2=432kW。计算其使水温升高1℃需要时间为T2，T2=Q1/P3=1.479×108J/432kW=5.69min，即5.69min将稳压器水位升高1℃。考虑25bar压力下水的饱和温度226℃，可设计在RCP010MT指示温度达到224℃时退出通断式电加热器，即将RCP401KU设置为-0.1Mpa。T3=2×T2=11.38min后稳压器内加热至饱和状态226℃。此时认为汽腔初步建立，将比例式电加热器（003RS/004RS）设置为30%水平，即将RCP401KU设置为-0.03Mpa。

3）维持该状态直至稳压器汽腔完全建立（RCP012MN=0m）。

4）以上逻辑过程均可通过自动顺序控制实现。该过程如图6。

图6 电加热器退出过程自动控制时序图Fig.6 Automatic control sequence diagram of electric heater exit process

对比§2.3节电加热器手动控制过程可以看出，基于稳压器电加热器控制逻辑优化实现的自动投运和退出控制极大简化了操纵员的手动操作过程，进而减少操纵员工作负荷和提高自动化水平。

5 结束语

本文通过分析稳压器建汽腔过程中电加热器控制逻辑以及其手动控制过程，提出采用线性功率计算法对稳压器电加热器建汽腔实现自动控制。通过对建汽腔过程稳压器电加热器升温过程的相关建模和计算，在此基础上进一步提出了电加热器的自动投运和退出控制方案。稳压器建汽腔的电加热器自动控制可以提高核电机组在启动过程中的自动化水平，为核电机组实现一键启动方案的设计提供参考。