超馳控制在核電廠液位控制中的應(yīng)用

李樹玲

（海南核電有限公司 ?？冢?/p>

一、引言

核電廠的生產(chǎn)工藝 ，除了要求控制系統(tǒng)在生產(chǎn)處于正常狀態(tài)時(shí)能夠克服外界干擾，平穩(wěn)操作外，還必須考慮在事故狀態(tài)下也能安全運(yùn)行，即當(dāng)工況異常時(shí)應(yīng)該有一定保護(hù)措施。保護(hù)措施分為硬保護(hù)和軟保護(hù)兩類。硬保護(hù)措施就是當(dāng)工況異常時(shí)發(fā)出聲、光報(bào)警，由操縱員將控制器切換到手動(dòng)，進(jìn)行手動(dòng)操作處理，或者是通過專設(shè)的連鎖保護(hù)線路實(shí)現(xiàn)自動(dòng)停，達(dá)到保護(hù)的目的，但對(duì)于整個(gè)機(jī)組運(yùn)行來說，硬保護(hù)可能會(huì)造成經(jīng)濟(jì)損失；而軟保護(hù)就是通過一個(gè)特定設(shè)計(jì)的選擇性控制系統(tǒng)，在工況異常時(shí)，設(shè)備不需要自動(dòng)停，由該選擇性控制系統(tǒng)自動(dòng)改變操作方式，使參數(shù)脫離極限值，并且當(dāng)參數(shù)回復(fù)正常時(shí)，原控制系統(tǒng)自動(dòng)恢復(fù)，避免設(shè)備停運(yùn)。

二、超馳控制

超馳控制是軟保護(hù)的一種，又稱為取代控制、選擇性控制，當(dāng)自動(dòng)控制系統(tǒng)接到事故報(bào)警、偏差越限、故障等異常信號(hào)時(shí)，超馳邏輯將根據(jù)事故發(fā)生的原因立即執(zhí)行自動(dòng)切手動(dòng)、優(yōu)先增、優(yōu)先減、禁止增、禁止減等邏輯功能，將系統(tǒng)轉(zhuǎn)換到預(yù)設(shè)定好的安全狀態(tài)，并發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

常規(guī)控制儀表構(gòu)成的控制系統(tǒng)絕大部分缺少識(shí)別系統(tǒng)內(nèi)外設(shè)備狀態(tài)及信號(hào)品質(zhì)的能力，只要輸入端有偏差信號(hào)存在，控制器就會(huì)有相應(yīng)的動(dòng)作，而不管系統(tǒng)內(nèi)部是否出現(xiàn)問題或者外部設(shè)備是否工作異常，有時(shí)甚至?xí)霈F(xiàn)控制偏離給定值的現(xiàn)象而造成事故。

超馳控制則能有效抑制上述不良后果。對(duì)內(nèi)，它是監(jiān)測(cè)自動(dòng)控制過程的眼睛，隨時(shí)都在監(jiān)測(cè)自動(dòng)控制回路中變送器信號(hào)的品質(zhì)、輸入和輸出偏差限值等。如果控制儀表本身出現(xiàn)問題，控制回路失去了自動(dòng)控制的基礎(chǔ)條件，超馳控制將選擇自動(dòng)切手動(dòng)的方式，切換控制回路的工作模式。對(duì)外，它是自動(dòng)控制系統(tǒng)的安全轉(zhuǎn)折器，若控制儀表一切正常，被控制的主輔設(shè)備發(fā)生異常，超馳控制將根據(jù)判定邏輯得出的結(jié)果決定自動(dòng)控制系統(tǒng)的控制策略或運(yùn)行方向，從而轉(zhuǎn)入安全通道，脫離可能發(fā)生的危險(xiǎn)工況。

三、超馳控制在系統(tǒng)中的作用

1.監(jiān)測(cè)功能

超馳控制還可以監(jiān)測(cè)參數(shù)偏差，在核電廠中用到的自動(dòng)調(diào)節(jié)絕大多數(shù)都是閉環(huán)負(fù)反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)，通常又都是無差調(diào)節(jié)，在調(diào)節(jié)器增益確定的條件下，過程輸入、給定值、輸出信號(hào)和被調(diào)設(shè)備的反饋值偏差都應(yīng)該在限定范圍內(nèi)，如果偏差越限，表示系統(tǒng)發(fā)生異常。偏差變大的監(jiān)視主要是防范現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備如變送器、一次元件和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等發(fā)生故障或者調(diào)節(jié)器內(nèi)部失靈而引發(fā)的系統(tǒng)失調(diào)。

超馳控制也可以監(jiān)測(cè)設(shè)備狀態(tài)變異。核電廠的自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)是有條件的，工藝系統(tǒng)設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)是自動(dòng)調(diào)節(jié)投入的起碼條件，設(shè)備未運(yùn)行或者該運(yùn)行的而沒有運(yùn)行，會(huì)被超馳邏輯認(rèn)為是運(yùn)行條件不符或設(shè)備狀態(tài)異常，而及時(shí)采取超馳行動(dòng)，防止自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)異常導(dǎo)致的機(jī)組保護(hù)裝置動(dòng)作。

2.越權(quán)處理功能

當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行情況滿足超馳條件時(shí)，超馳控制將奪取被監(jiān)測(cè)的自動(dòng)調(diào)節(jié)回路控制權(quán)，將控制方式從自動(dòng)轉(zhuǎn)為手動(dòng)或者采取預(yù)先設(shè)定的安全工作方式。由此可見，超馳控制信號(hào)優(yōu)先級(jí)高于主路控制。所以說超馳控制越權(quán)處理能力強(qiáng)，因?yàn)樗且宰詣?dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)“發(fā)現(xiàn)異常、即時(shí)轉(zhuǎn)換、保持穩(wěn)定”為原則來設(shè)計(jì)工作結(jié)果，在系統(tǒng)出現(xiàn)異常，不能正常工作時(shí)，為使參數(shù)調(diào)節(jié)品質(zhì)不再繼續(xù)變壞，控制系統(tǒng)及時(shí)采取超馳控制，保證自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的使用安全。

比如前面提到的低壓加熱器水位的控制，當(dāng)某列低加水位3高或者2高延遲3 s后，該加熱器的緊急疏水閥超馳打開，將水排向凝汽器。如果沒有超馳控制的越權(quán)處理，那么加熱器水位高出限值的情況將會(huì)進(jìn)一步惡化，甚至有可能導(dǎo)致全部低加集體解列，進(jìn)而危害機(jī)組運(yùn)行安全及經(jīng)濟(jì)性。

四、應(yīng)用實(shí)例

1.昌江核電廠簡(jiǎn)介

2010年4月25日，海南核電有限公司建設(shè)的海南昌江核電廠正式開工建設(shè)，廠址位于海南省昌江黎族自治縣海尾鎮(zhèn)塘興村，瀕臨北部灣，可容納建設(shè)四臺(tái)大型核電機(jī)組，首期建設(shè)兩臺(tái)65萬千瓦的CNP600壓水堆核電機(jī)組。兩臺(tái)機(jī)組已分別于2011年12月28日和2012年9月25日實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆廠房封頂。

2.凝汽器水位控制

（1）系統(tǒng)控制介紹

凝汽器有3個(gè)殼體，每個(gè)殼體之間由平衡管連通，從整體上看凝汽器構(gòu)成了一式三套水位測(cè)量裝置（004MN、008MN和012MN），每個(gè)水位計(jì)設(shè)有5個(gè)水位開關(guān)報(bào)警點(diǎn)：高高水位、高水位、低水位、低低水位、低低低水位。凝汽器水位的實(shí)測(cè)值由這3臺(tái)水位計(jì)的測(cè)量值經(jīng)平均后產(chǎn)生。而凝汽器的水位由2個(gè)補(bǔ)給水氣動(dòng)控制閥039VD（小流量控制閥）和035VD（大流量控制閥）控制，由控制閥控制進(jìn)入凝汽器的補(bǔ)給水量，使水位保持在一個(gè)與負(fù)荷相關(guān)的整定值上，035VD和039VD電磁閥得電開閥，失電自動(dòng)（ 圖 1）。

科技是國家強(qiáng)盛之基，創(chuàng)新是民族進(jìn)步之魂。黨的十八大以來，我國創(chuàng)新型國家建設(shè)成果豐碩，創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略大力實(shí)施，創(chuàng)新發(fā)展理念深入人心。當(dāng)前，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）、人工智能技術(shù)（AI）、智能制造等已成為全球技術(shù)研發(fā)的熱點(diǎn)，并逐步向消費(fèi)者日常生活滲透，為傳統(tǒng)行業(yè)創(chuàng)新發(fā)展提供了技術(shù)支撐。

圖1 凝汽器水位控制示意圖

（2）超馳控制的應(yīng)用

正常運(yùn)行情況下，凝汽器水位調(diào)節(jié)采用分程控制：機(jī)組運(yùn)行時(shí)先開啟小流量控制閥039VD向凝汽器補(bǔ)水，當(dāng)039VD的閥門開度達(dá)到70%以上時(shí)，逐步開啟大流量控制閥035VD。

當(dāng)凝汽器水位出現(xiàn)低低信號(hào)的異常工況時(shí)，035VD和039VD電磁閥得電，超馳控制介入，強(qiáng)制全開兩個(gè)補(bǔ)水控制閥。進(jìn)而避免凝汽器水位繼續(xù)下降，導(dǎo)致連鎖停運(yùn)凝結(jié)水泵，為機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行提供進(jìn)一步的保障。

3.低壓給水加熱器的水位控制

（1）系統(tǒng)控制介紹

低壓加熱器的疏水分為正常疏水和緊急疏水，正常疏水采用逐級(jí)回流的方式返回凝汽器：3號(hào)低加正常疏水通過疏水控制閥（045VL～050VL）流向2號(hào)低加，2號(hào)低加的正常疏水通過疏水控制閥(030VL～032VL)流向1號(hào)低加，1號(hào)低加的正常疏水通過疏水控制閥（054VL～056VL）流向凝汽器。3級(jí)低加的緊急疏水均通過各自的緊急疏水閥（060VL～062VL、036VL～038VL、021VL～022VL）直接流向凝汽器。

（2）超馳控制的應(yīng)用

正常工況下，正常疏水閥自動(dòng)調(diào)節(jié)開度，維持水位；緊急疏水閥處于關(guān)閉狀態(tài)。正常疏水閥及緊急疏水閥都是帶有超馳電磁閥的調(diào)節(jié)型電動(dòng)閥門，正常疏水閥（如054VL）的電磁閥是得電關(guān)閉調(diào)節(jié)閥，失電調(diào)節(jié)閥自動(dòng)，失氣調(diào)節(jié)閥關(guān)；而緊急疏水閥（如060VL）的電磁閥得電調(diào)節(jié)閥自動(dòng)，電磁閥失電調(diào)節(jié)閥開，失氣時(shí)調(diào)節(jié)閥開。

當(dāng)某列低加水位高高高或者高高延遲3 s后，該加熱器的緊急疏水閥的超馳電磁閥得電，打開緊急疏水閥門，并在調(diào)節(jié)回路中，將控制輸出置為100%，將水排向凝汽器，維持加熱器水位匹配整定值。

當(dāng)3A低壓加熱器解列時(shí)，正常疏水閥050VL（至2A低加）、048VL（ 至 2B 低加）、046VL（ 至 2C低加）的超馳電磁閥得電，關(guān)閉正常疏水閥。同樣的情況當(dāng)3B低壓加熱器解列時(shí)正常疏水閥049VL、047VL及045VL的電磁閥得電，關(guān)閉疏水調(diào)節(jié)閥，以免已解列加熱器中的水流向下一級(jí)。當(dāng)1A&2A低壓加熱器解列時(shí)，正常疏水閥032VL的超馳電磁閥得電，關(guān)閉疏水閥032VL，并在調(diào)節(jié)回路中，將控制輸出為0%。

4.高壓加熱器的水位控制

（1）系統(tǒng)控制介紹。高壓加熱器有二列50%容量的高壓加熱器組，No.5A、No.6A和No.7A三個(gè)高壓加熱器為A列，No.5B、No.6B和No.7B三個(gè)高壓加熱器為B列。正常運(yùn)行時(shí)，各高壓加熱器的正常疏水控制閥和緊急疏水控制閥均由DCS實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制功能。在加熱器的正常疏水控制閥的疏水能力不足時(shí)，加熱器內(nèi)的水位將升高。當(dāng)加熱器內(nèi)的水位≥緊急運(yùn)行水位設(shè)定值時(shí)，緊急疏水閥開始工作。此時(shí)正常疏水控制閥全開，DCS自動(dòng)控制緊急疏水控制閥的開度，保持加熱器的水位為緊急運(yùn)行水位值。

正 常 疏 水 閥（ 023VL、024VL、031VL、032VL、ADG013VL、ADG012VL） 和 緊 急 疏 水 閥（ 025VL、026VL、033VL、034VL、037VL、038VL）都是帶超馳電磁閥的調(diào)節(jié)型氣動(dòng)閥門，根據(jù)相應(yīng)高壓加熱器中的水位來調(diào)節(jié)常規(guī)疏水和緊急疏水的流量，調(diào)節(jié)功能由分散控制系統(tǒng)（DCS）實(shí)現(xiàn)（圖2）。

正常運(yùn)行時(shí)，高壓加熱器的緊急疏水控制閥全關(guān)，DCS自動(dòng)控制正常疏水控制閥的開度，保持加熱器的水位為正常運(yùn)行水位值。

疏水流量調(diào)節(jié)采用單沖量PI調(diào)節(jié)回路?，F(xiàn)場(chǎng)輸入的3個(gè)水位信號(hào)先經(jīng)信號(hào)鑒別模塊判別信號(hào)的有效性。當(dāng)檢測(cè)到水位信號(hào)有效時(shí)，則該信號(hào)通過三取中模塊，輸入至PI控制模塊，PI模塊輸出的控制信號(hào)經(jīng)A/M站輸出至執(zhí)行器，通過對(duì)緊急疏水和常規(guī)疏水流量的控制來調(diào)節(jié)相應(yīng)高壓加熱器中的水位；當(dāng)檢測(cè)到3個(gè)水位信號(hào)均故障時(shí)，或水位過程量與設(shè)定值偏差過大，或控制回路的輸出與閥位反饋信號(hào)偏差過大時(shí)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并通過邏輯回路將A/M站切換至手動(dòng)。

圖2 高壓加熱器水位控制流程圖

（2）超馳控制的應(yīng)用。當(dāng)相應(yīng)的高壓加熱器中的水位高高高延遲1 s后，或水位高高延遲3 s后，緊急疏水閥的超馳電磁閥得電，打開緊急疏水閥，并在調(diào)節(jié)回路中，將控制輸出切為100%。

當(dāng)7A、7B、6A、6B高壓加熱器中某個(gè)加熱器解列或該列進(jìn)水、出水電動(dòng)閥均全關(guān)時(shí)，正常疏水閥（023VL、024VL、031VL、032VL）的超馳電磁閥得電，關(guān)閉正常疏水閥。并在調(diào)節(jié)回路中，將控制輸出切為0%。

當(dāng)相應(yīng)的高壓加熱器解列或本列進(jìn)水、出水電動(dòng)閥均全關(guān)或除氧器水位高高或除氧器水位高高高時(shí)，5A、5B正常疏水閥（ADG013VL、ADG012VL）的超馳電磁閥得電，關(guān)閉正常疏水閥。并在調(diào)節(jié)回路中，將控制輸出切為0%。

五、結(jié)論

核電廠的自動(dòng)控制能夠提高工作效率、優(yōu)化工藝品質(zhì)，但自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)在綜合判斷能力方面仍比較薄弱，這就決定了當(dāng)自動(dòng)控制系統(tǒng)在工作時(shí)遇到突發(fā)情況，很難保證故障處置方向總是正確的，無疑選擇使用自動(dòng)控制的同時(shí)也帶來了控制上的風(fēng)險(xiǎn)。

常規(guī)控制系統(tǒng)有時(shí)會(huì)出現(xiàn)控制偏離給定值的現(xiàn)象，有可能會(huì)使機(jī)組出現(xiàn)事故。而超馳控制則能有效抑制這種后果，如果被監(jiān)測(cè)系統(tǒng)異常，超馳控制將通過超馳邏輯將控制導(dǎo)向更加安全的方向；若被控制的設(shè)備發(fā)生異常，超馳控制將根據(jù)預(yù)先設(shè)定的邏輯決定自動(dòng)控制系統(tǒng)的控制策略或運(yùn)行方向，從而將機(jī)組運(yùn)行轉(zhuǎn)入安全通道，脫離可能發(fā)生的危險(xiǎn)工況。