舰用核动力装置控制系统技术特点与发展研究

伍赛特

（上海汽车集团股份有限公司，上海200438）

0 引言

舰用核动力装置以核裂变能作为推进动力的来源[1-3]。该装置包括核反应堆，为产生动力推动舰船前进所必需的有关设备，以及保证装置正常运行且不会对人员健康和环境安全造成特别危害的结构、工艺系统和部件。在工业生产过程中，常要求某些物理量（如温度、压力、流量、功率、频率、物料成分比例等）保持不变，或要求其按照给定规律变化。自动控制就是在没有人直接干预的情况下，通过控制装置使被控制对象（如机器、设备或过程）的物理量（或工作状态）自动地按照预定的规律运行。随着科学技术的不断发展，自动控制技术所起的作用越来越重要，自动化水平也越来越高。没有自动控制，就无法对反应堆中的核反应进行有效控制，对核能的和平利用也就难以顺利实现[4]。

1 舰用核动力装置的技术特点

核动力装置是一个复杂且具有严格安全性要求的大型工程系统。电站核动力装置在正常运行时，普遍采用带基本负荷的运行方式，无须频繁变化功率。由于舰用核动力装置需要随舰在海上航行，经常变换航速，且船体空间有限，所以与陆上核动力装置相比，舰用核动力装置存在运行空间狭小、负荷变化范围大、机动性要求高、保障困难等问题，这不仅要求该装置具有灵活而快速的负荷跟踪特性，而且要求其高度安全可靠。因此，舰用核动力装置的主要任务是实现核能向热能，进而向机械能和电能的转换，其工艺原理和过程复杂，并且是具有放射性的特殊对象。

2 舰用核动力装置控制系统的任务和要求

为充分利用核反应堆裂变过程中产生的中子和能量，舰用核动力装置控制系统必须能启动、停闭反应堆，并维持核反应堆中链式裂变的持续进行，同时又能够改变链式裂变反应的强弱，并维持各种运行参数在安全限值范围内。这些都需要采用相应的控制手段来实现。不论是电站核动力装置还是舰用核动力装置，为了保证安全、可靠和经济地实现核能的利用，核动力装置中除了必要的用于能量传递和转换的工艺系统和设备外，都设置有仪表和控制系统。

2.1 舰用核动力装置仪表与控制系统的功能

仪表与控制系统主要用于实现核参数和工艺过程参数的测量，以此监测核动力装置的运行状态。同时，还可用于驱动不同的控制机构，以改变核动力装置的运行状态。为保护核动力装置，防止运行参数偏离正常值而导致事故的发生，并限制和缓解事故发生后产生的后果，仪表与控制系统通常需要包含以下几方面的功能：

（1）实现对核动力装置启堆、带负荷运行和停堆的操作与控制，使核动力装置能够在各种正常运行工况下，控制对安全具有重要影响的变量，使它们维持在设计规定的正常运行限值内，以保证核动力装置的运行安全。

（2）实现对输出功率的调节控制，满足负荷要求。

（3）通过对工艺流程中各种设备的操作与控制，实现对各种过程参数的控制，使核动力装置正常有效地运行。

（4）当重要参数超过限值时，及时发出报警，并在必要时产生合适的保护动作，保证核动力装置的安全，防止设备损坏和放射性物质泄漏。

（5）实现对各种运行参数的采集和显示，向操作员提供核动力装置运行所需的完整而准确的信息，使其能正确地监督核动力装置的运行状况。

2.2 舰用核动力装置仪表与控制系统的重要性

核动力装置仪表与控制系统作为核动力装置中的信息化装备，协调着系统内各装置设备的有序工作，并使其按照要求实现能量的转换和输出。因此，该系统在核动力装置运行过程中发挥着重要作用，其原因主要如下：（1）仪表与控制系统可为操作员提供准确而适当的核动力装置运行状态信息，并在正常和异常运行工况时，为操作员介入运行提供手段。（2）仪表与控制系统在核动力装置正常运行时，可为各系统提供各类自动控制的手段及监视信息，减轻操作员的负担，并保证核动力装置能安全、可靠、经济地运行。（3）仪表与控制系统在核动力装置处于异常状态时，为保证核动力装置及环境的安全提供快速自动保护功能，防止与缓解因操作员失误或核动力装置设备故障而导致的危害。

2.3 舰用核动力装置仪表与控制系统设备的分类

核动力装置控制系统是影响核动力装置运行安全性的重要系统之一。根据控制设备对安全性的重要程度，一般将仪表和控制系统的设备分为两类，即安全重要设备和非安全重要设备。（1）安全重要设备。这是核动力装置的电气设备和系统的一个安全级别。在合格寿命期内，在正常运行和发生设计基准事故期间及后续阶段，这类设备应能保持其安全功能。（2）非安全重要设备。这类控制仪表及其供电设备，在实现或保持核动力装置安全方面无明显作用。

3 舰用核动力装置控制系统的基本组成和结构

根据各控制系统的控制对象和作用，舰用核动力装置控制系统总体上可分为一回路控制系统、安全保护控制系统、二回路控制系统三大部分。

3.1 一回路控制系统

一回路控制系统由核反应堆功率控制系统和一回路过程参数控制系统组成。核反应堆功率控制系统实现对核反应堆功率的控制，使得输出的核功率能够跟踪负荷功率的变化，并满足动态和静态指标要求。其主要由棒控系统和功率自动调节装置组成，有手动和自动两种控制方式。一回路过程参数控制系统实现对一回路主冷却剂系统与各辅助系统工艺流程的控制，使得各工艺流程和相应的温度、压力、流量、水位等热工水力参数能够满足安全运行的要求。

3.2 安全保护控制系统

安全保护控制系统的功能是在设备故障、误操作或其他不正常状态下，监督反应堆的异常状态，产生与保护动作有关的必要信号，防止反应堆运行状态超过规定的安全限值或减轻超过安全限值所造成的损坏和损坏后果。

3.3 二回路控制系统

二回路控制系统实现对二回路系统设备和工艺流程的控制，使得各设备和工艺流程能够安全运行，并满足动态和静态指标要求。舰用核动力装置的二回路控制系统主要由汽轮机控制系统、蒸汽发生器水位控制系统、蒸汽排放控制系统、主冷凝器水位与过冷度控制系统、主抽汽器冷却水量控制系统、乏汽压力控制系统、辅蒸汽压力控制系统、滑油与调节油控制系统、辅冷凝水过冷度和水位控制系统以及海水和轴系控制系统等组成。另外，舰用核动力装置的综合控制系统还包括综合管理系统，实现对所有运行参数的数据采集、传输、存储、显示、报警、堆舱视频监视、综合供电等，并提供操作界面。

3.4 舰用核动力装置控制系统的体系结构

核动力装置仪表与控制系统是核动力装置的神经网络和大脑中枢，运行人员要求实现对核动力装置的有效控制，上述控制系统必须能够互相交换信息，密切配合，构成一个有机的整体。核动力装置的复杂性使核动力装置仪表与控制系统成为一个典型的集散式控制系统，并向着分布式和现场总线控制系统的体系结构发展。

3.5 舰用核动力装置控制的基本要素

通常而言，为实现对舰用核动力装置的控制，必须具备以下几个功能：（1）测量与指示，用于随时掌握核动力装置与设备各主要参数的现状。例如，中子注量率或功率、温度、压力、流量等。只有在上述前提下，舰用核动力装置才有可能做出正确的判断，从而采取相应措施来有效地控制反应堆。这些参数是通过核参量和热工参量的测量系统获得的。（2）控制系统，将根据测量系统的指示与期望得到的参数值进行比较、判断后，可按某种要求得出控制参数变化的规律。（3）确定控制参数变化规律的方法可以是运行人员凭借自身经验判断，由此称为手动控制系统。而用一套仪器设备代替人的功能，则被称为自动控制系统。后者不仅减轻了运行人员的劳动强度，更重要的是能提高控制的准确性和速度，还能实现更加完善、更加复杂的控制。（4）执行机构，将控制指令转化为驱动作用，实现对被控对象的操作。例如，对控制棒来说，执行机构就是控制棒驱动机构，包括控制电机、传动机械和控制棒本身。有时，也指逻辑电路。（5）功率放大装置，控制器的控制信号往往是低功率的电信号，无法驱动执行机构动作。因此，通常需要在控制系统和执行机构之间设置功率放大环节。

舰用核动力装置相比其他设备多了一种被称为安全保护控制的要素。对核动力装置而言，安全性首当其冲。而在确保安全的前提下，并不希望舰用核动力装置频繁停堆。所以，有必要对事故加以分类，以便采取措施排除故障，使反应堆继续正常工作。

4 结语

核动力装置仪表与控制系统的总体发展趋势是功能越来越丰富，数字化和智能化程度越来越高，体积、重量、功耗越来越小，控制性能、可靠性和可维护性越来越好，人机界面越来越友好。提高核动力仪表与控制系统对信息的处理和利用水平，在仪表与控制系统中提供包括运行故障实时诊断等功能在内的操作员运行支持能力，是世界核能界在仪表与控制系统实现数字化以后的下一个探索目标，是当今先进核动力仪表与控制系统研究领域的一个热门的前沿课题。这也是今后舰用核动力装置仪表与控制系统发展的必然趋势。