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。

2 AP1000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Drop X中，组态逻辑以CB图（SAMA图）的形式存储于Drop X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Control Builder实现，主要的实现方法如下：

3.1 四取中逻辑

3.2 P-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。

4 AP1000稳压器压力控制特点分析

4.1 P-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。

选用PI控制在能够有效消除净差、保证控制性能的同时，减少了整定参数数量，降低了调整复杂度，同时避免了微分环节带来的放大干扰、增加震荡等副作用，符合AP1000核电厂安全、简化的设计原则。

4.2 取消极化喷淋

很多核电厂的稳压器控制都采用了极化喷淋的设计，而AP1000中取消了极化喷淋。极化喷淋是为了防止当一回路硼浓度发生较大变化时，用于调节稳压器内部冷却剂的硼浓度，使之接近一回路中的硼浓度。而在AP1000的设计中，反应性控制主要由功率控制系统调节控制棒作用来完成，一回路不采取调硼手段，因而不会产生稳压器中冷却剂的硼浓度和一回路中冷却剂硼浓度差异较大的情况。取消极化喷淋增加了稳压器的稳压性能，同时减少了喷淋阀的磨损，有效延长了喷淋阀的使用寿命。

4.3 喷淋阀动作设定值可调

在以往的压水堆设计中，稳压器喷淋阀的动作设定值曲线是固定不变的，而AP1000设计中，在负荷调节模式下，喷淋阀控制曲线整体向右移动，扩大了压力正偏差允许范围。因为在AP1000设计中包含100%甩负荷（不触发停堆和大气释放阀）、50%快速降功率等控制动作，因此在负荷调节状态下，应适当放宽稳压器压力的限制范围，可以避免喷淋阀的频繁动作带来的压力震荡和设备磨损，在超过设定值后凭借两个喷淋阀显著的降压效果，也可以迅速地将压力控制在允许范围。因此，这种设计符合AP1000安全、简化的设计理念。

4.4 备用（通断式）加热器直接对压力偏差响应

在其他核电厂的设计中，稳压器内的通断式加热器的控制指令也来自P-I控制器出口，而AP1000中，备用（通断式）加热器直接对压力偏差量E0进行响应。其原因是，需要备用（通断式）加热器作用时，说明稳压器压力已经处在比较低的状态，需要迅速加热冷却剂以达到增压效果，而加热器对压力的影响作用相对喷淋阀来说比较慢，因此在这种条件下，不适合用与喷淋阀同样的控制指令来开启备用（通断式）加热器。压力偏差不经调节直接触发备用（通断式）加热器动作能更快速地触发反馈动作，提高系统在低压条件下的调节性能，减小稳压器压力过低触发停堆及安全专设动作的风险。

5 结语

本文对AP1000稳压器压力控制逻辑及其在OVATION平台的实现方式进行了介绍，同时总结并分析了AP1000稳压器自动控制系统采用P-I控制、取消极化喷淋、喷淋阀动作设定值可调、备用（通断式）加热器直接响应压力偏差等若干特点，通过分析，论证了AP1000稳压器自动控制实现方式能够有效提高控制效率，减少控制对象波动，减少设备损耗，保证系统的使用寿命，在控制逻辑方面朝减少频繁动作、防止人为风险等方面做了改进，改进后的设计能够更安全有效地实现稳压器压力控制。

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