稳压器加热器的控制特点分析

张中祥

（三门核电有限公司 维修处，浙江 台州 317112）

稳压器加热器是稳压器压力控制系统的重要设备。AP1000核电厂通过控制稳压器加热器的投用和切除以及控制喷淋阀的开度来共同调节和维持稳压器的压力[1]。本文分析了AP1000稳压器加热器的控制特点和控制接口，对防范控制信号的丢失提出了解决的对策和建议，对稳压器压力控制系统维护具有一定的参考价值。

1 加热器的控制介绍

1.1 加热器的控制原理

稳压器加热器有开关型和比例型两种。正常运行的情况下，稳压器压力达到低设定值时，投用开关型或比例型加热器，升高稳压器压力。在控制系统中，稳压器的测量压力P，与参考压力Pref（表压15.4Mpa）作比较，求得偏差压力△P作为加热器的控制输入，△P低于-0.172Mpa时，投用开关加热器。△P经过PI控制环节后（称为补偿差压△P补）控制比例加热器的投用和喷淋阀的开度。△P补在-0.1～0.1之间变化时，比例加热器相应地线性输出满功率到零功率。△P补在0.172～0.517之间变化时，喷淋阀对应的线性开度为0～100%，参考图1。稳压器液位如果低于20%，则需切除所有的加热器，防止加热器裸露时通电，损坏加热器；当出现CMT触发或稳压器液位高3（以下简称S0信号）时，切断所有加热器的供电电源，闭锁加热器投用。

1.2 加热器的控制设备和接口

加热器含1组热功率连续可调的比例加热器和4组工作在通断状态的开关加热器A、B、C、D。所有加热器均由MCC直接供电，MCC的电源由负荷中心提供。加热器的控制设备包括3个PLS系统的工作站，站008，站010和站019，1个控制比例加热器的热功率的稳压器电控柜，另外包括执行稳压器液位低2和S0信号处理的PMS系统相关设备，参考图2。

图1 加热器的控制原理图Fig.1 Control schematic diagram of heater

站010控制比例加热器，冗余的AO模件输出4mA～20mA指令到稳压器电控柜，由稳压器电控柜调节比例加热器的热功率；同时输出开关指令到比例加热器的MCC（电机控制中心），控制比例加热器的供电。另外站008控制开关加热器A和C，站019控制开关加热器B和D。S0信号一方面通过PMS系统断开负荷中心的馈线开关，同时送到站010，站008和站019，切断MCC的馈线开关。

2 加热器的控制特点分析

相比M310堆型，AP1000简化了加热器的控制方法。

2.1 采用PI控制比例加热器和喷淋阀

AP1000核电厂控制比例加热器和喷淋阀采用的是PI调节而没有参考M310堆型采用PID调节。微分环节的主要作用是提高控制系统的响应速度。机组运行期间，稳压器压力波动主要由主回路温度变化引起。温度升高引起稳压器压力升高，微分作用使喷淋阀迅速动作，快速地降低稳压器压力。出现压力瞬态下降时，微分作用快速地增大加热器输出热功率，升高稳压器的压力，并维持稳压器的压力稳定。在AP1000中这种压力的瞬态冲击已经大大减小，原因是AP1000稳压器的容积55.9m3，远远大于M310稳压器的容积36m3。增大的稳压器容积可以有效地吸收温度引起的压力冲击。因此，微分环节对系统调节性能的改善并不明显。同时微分的引入，将导致系统即使出现较小的压力正向波动，喷淋阀也会动作，容易出现喷淋阀的频繁动作。在西屋工厂试验中模拟的各种瞬态工况曲线也表明，采用PI环节能够有效地控制稳压器的压力。

2.2 采用偏差压力直接控制开关加热器

图2 加热器的控制接口Fig.2 Control interface of heater

M310采用PID调节后的偏差压力信号作为开关加热器投用和切除的条件。AP1000直接采用偏差压力作为开关加热器投用和切除的条件。系统出现大的压力下降时，两种方法在控制性能上并没有明显的不同，均能够提高稳压器的压力。系统出现较小的压力下降时，PID调节缩短了调节时间，弊端是增加了加热器投用的频率，对MCC的要求更高。取消PID环节后，减小了开关加热器投用的频率。对于可能出现的稳压器压力调节周期过长的情况，也可以通过减小比例加热器的积分时间来增大比例加热器的输出热功率，缩短调节的周期。

2.3 采用多种策略提高控制可靠性

在控制接口的设计上，AP1000结合OVATION系统全数字化的特点，采用了多种方法提高加热器控制的可靠性[2]。

2.3.1 采用分散的机柜控制

设计3个工作站控制加热器。站010是核心控制机柜，控制比例加热器，站008控制开关加热器A、C，站019控制开关加热器B、D。分散控制降低了单个机柜故障引起控制功能丧失的风险。例如站010故障，比例加热器控制功能丧失，但站008和站019工作正常，能够继续控制稳压器的压力。如果由站010控制所有的加热器，站010故障就失去了全部的加热功能。

2.3.2 采用冗余IO模件控制

加热器采用了冗余的AO模件控制比例加热器的功率，冗余的Profibus模件控制加热器的通断。正常运行下，冗余的模件一个工作，一个备用，工作模件故障，自动切换到备用模件，由备用模件承担控制输出。

2.3.3 采用双路断开加热器供电的方法

双路断开加热器的供电指的是当S0信号触发时，一方面PMS系统断开加热器上游的负荷中心馈线开关，另一方面站010接收PMS产生的S0信号，断开MCC的馈线开关。采用这种方式有效地提高了核电厂的安全性。如PLS系统电源丢失，加热器的电源不能通过PLS系统切断，但PMS系统可用，仍然可以断开负荷中心的馈线开关，切断加热器的电源。

图3 冗余AO模件工作原理图Fig.3 Working schematic diagram of redundant AO modules

3 冗余切换试验

如图3所示，机柜上电后，优先完成初始化的模件1，作为工作模件，闭合开关1并将模件1产生的电流输出到现场设备，备用模件2也接收控制器的控制命令，产生电流值，但由于开关2断开，备用模件2的电流值不会输出到现场设备。控制器自动监测模件的工作状态，监测到工作模件1的电子线路故障或通讯故障时，控制器断开开关1，切断工作模件1的输出电流，同时接通开关2，将工作模件2的电流输出到现场设备。

模件冗余切换的条件是控制器监测到工作模件电子故障或工作模件与控制器的通讯产生故障[3]。OVATION支持模件热拔插功能，拔出或插入IO模件，不会影响信号的采集和逻辑处理。因此，可以通过拔除工作模件以模拟通讯故障的方法来实施。

试验分两步实施，第一步验证模件可以正确输出指令且精度满足要求。在操作员站强制输出0%，50%，100%的控制指令，验证输出电流值为4mA，12mA，20mA，且误差在0.1%以内；第二步验证模件冗余切换功能正常，按以下步骤实施。

1）操作员站强制AO输出，验证工作模件工作，且输出指令精度在0.1%以内。

2）在线拔出工作模件，确认备用模件自动投用，且信号的精度仍然在0.1%以内。拔出工作模件，如果信号仍能够可靠传输，则验证了工作模件能够自动切换到备用模件。

3）重新装回拔出的工作模件，拔出备用模件，备用模件自动切换回原工作模件，输出指令不中断且信号精度在0.1%以内。该步骤满足验收标准，则验证了备用模件具备自动切回原工作模件的能力。

4 结束语

对比国内其他核电厂稳压器加热器的控制方法，分析了AP1000稳压器加热器在简化控制方法和提高控制可靠性上采用的策略。同时，针对加热器控制信号丢失的风险提出了冗余切换试验的方法，对后续稳压器的调试和维护有一定的参考和借鉴价值。