AP1000稳压器压力自动控制逻辑的实现方式及特点分析

　　摘要：AP1000压水堆采用美国西屋公司设计的第三代压水堆核电技术，其非安全仪控系统开发是基于成熟的数字化平台OVATION系统。稳压器压力的自动控制作为压水堆核电站重要的控制功能，在AP1000堆型中首次使用OVATION平台实现。文章总结了AP1000稳压器压力控制逻辑及其在OVATION3.3平台上的实现方法，同时对比国内其他压水堆核电厂稳压器压力控制实现方式，对这一实现方案的特点进行分析，说明其可用性和安全性。
　　关键词：AP1000；OVATION；稳压器；压力控制；压水堆
　　中图分类号：TM44文献标识码：A文章编号：1009-2374（2013）33-0046-03
　　1概述
　　与其他压水堆一样，稳压器压力控制系统（PPCS）的功能主要是维持稳压器压力在其设定值范围内，使机组在正常运行过程中以及部分瞬态条件下不致引起紧急停堆，也不会使稳压器安全阀动作。功率运行模式下AP1000的稳压器压力控制采用自动控制方式，通过将冷段的冷却剂喷淋注入稳压器来降低系统压力，用比例电加热器的功率变化以及备用（通断式）电加热器的通断来提升或降低稳压器的压力。其他电厂工况下，稳压器压力控制采用手动调节，本文只针对自动控制方式进行论述。
　　OVATION平台已在中国的火电机组中广泛使用，其网络设计先进、操作方便，对数字量逻辑运算以及模拟量的调节功能已经完全得到实践验证，作为数字化仪控平台，其具有冗余性特征，能够满足核电仪控系统需求。
　　本文首先对AP1000稳压器压力控制逻辑进行解析，之后给出用OVATION平台将其实现的工程解决方案，第三部分结合与同领域其他核电厂稳压器控制方式的比较，总结出实现AP1000稳压器压力控制的技术特点，并进行分析论证，说明基于OVATION平台的AP1000稳压器压力控制方案的可行性和安全性。
　　2AP1000稳压器压力控制逻辑
　　AP1000稳压器控制系统采用四通道信号，用4个压力信号的中值Pm表征稳压器当前压力，与压力设定值Pref进行比较，求得偏差量E0作为控制信号，压力设定值在AP1000设计中为预设值，不同工况下可由操纵员手动改变。
　　D、F分别代表喷淋阀0%开度和100%开度时对应的Ec临界值。当压力偏差Ec达到D，系统开始执行喷淋，喷淋阀开度随Ec线性变化，当压力偏差Ec等于F时，喷淋阀开度达到100%，此后尽管压力偏差继续增大，喷淋阀开度也只能保持在100%开度不变。
　　在负荷调节模式下，为了应对更剧烈的扰动，D、F的值会随着电厂的功率变化而改变，D、F两点平行移动，两点间喷淋阀开度的响应曲线斜率保持不变。
　　A、B分别代表比例电加热器0%功率和100%功率时对应的Ec临界值。当压力偏差下降到A时，电加热器启动，压力偏差Ec达到负偏差范围中的B值时，电加热器功率达到100%，压力偏差Ec继续下降，比例电加热器保持100%功率不变。
　　H、I分别表示备用（通断式）电加热器响应滞回特性的两个临界点。压力偏差E0下降到H值时备用（通断式）电加热器开启；当压力偏差E0上升到I值时备用（通断式）电加热器关闭。
　　3稳压器压力控制在OVATION平台的实现方式
　　在AP1000设计中，使用OVATION平台的PLS系统是非安全级仪控系统，稳压器压力信号由安全级系统PMS负责采集，通过隔离传输给OVATION系统的1#机柜（PLS系统中1-4#机柜用于同PMS接口），AI卡件负责接收4个信号通道的压力值，再由Drop1的AO卡件输出给Drop10，存入稳压器压力的点信息，参与稳压器压力控制。
　　点信息可以通过以太网络广播给全部Drop，包括工程师站、操纵员站和历史站。用于实现稳压器压力控制的逻辑下装在核岛机柜间的DropX中，组态逻辑以CB图（SAMA图）的形式存储于DropX的控制器中，并且在线运行。经过逻辑运算后分别产生数字量输出信号和模拟量输出信号。通过AI卡件向喷淋阀和比例加热器传输控制指令，通过继电器输出卡件向备用（通断式）加热器传输控制
　　指令。
　　组态逻辑的实现由OVATION平台提供的ControlBuilder实现，主要的实现方法如下：
　　3.1四取中逻辑
　　3.2P-I算法
　　OVATION3.3系统提供的PID算法模块可以方便地实现稳压器压力控制PI调节器的功能，PID算法块能够软件实现比例、积分、微分算法，同时可以对工程量和设定值进行增益、偏差调节。
　　需要用户输入的整定量为：Kp-比例系数，ti-积分时间常量，τd-微分时间常量，Kd-微分增益，作为P-I控制，微分时间常量td和微分增益Kd设为0。
　　除此之外，PID模块还具有自动跟踪和抗积分饱和等
　　功能。
　　跟踪是确保控制回路在手、自动状态切换时整个控制回路没有扰动的重要手段，在热控回路中跟踪的应用主要可以分为设定值跟踪过程值、控制器输出跟踪MA站输出、两路输出在切换时的跟踪等等。
　　OVATION系统的跟踪功能不同于其他DCS系统，其模块并没有单独的引脚以供跟踪数值和跟踪条件连接，所有的跟踪条件和跟踪数值全部通过模块参数予以设置，使用起来非常方便，并且大大降低人为失误率。
　　抗积分饱和功能能够有效抑制P-I控制的超调，提高自动控制的效率，同时保证设备的正常使用寿命。热控回路的积分饱和是指：如果执行机构已经到极限位置，仍然不能消除静差时，由于积分作用，尽管PID差分方程式所得的运算结果继续增大或减小，但执行机构已无相应的动作。当积分饱和发生后，若偏差量向相反方向变化，调节器的输出不会马上反应，而是需要足够时间的反向调节输出，才能达到执行机构接受指令的有效响应范围，从而影响了自动调节品质和生产过程的安全。4AP1000稳压器压力控制特点分析
　　4.1P-I控制
　　在其他压水堆稳压器压力控制方式选择上，PI和PID控制器都有所使用，AP1000机组稳压器压力控制使用PI控制器。PID控制器适用于有较大惯性组件的系统，在AP1000中，使用的OVATION系统为全数字控制系统，网络数据传输采用以太网，控制器运算周期为10ms到30s可调，一般设定为100ms，因此，系统本身运算速率非常快，压力信号采集来自4个通道的罗斯蒙特变送器（响应速度较快），在PMS系统中通过AF100网络及ICP组件传输给PLS系统，中间也不存在大滞后环节，因此不需要PID控制。