昌江核電穩壓器水位串級控制的調試及改進

陳 巖

（海南核電有限公司 海南昌江）

海南昌江1、2號機組的穩壓器水位控制系統是由IA系統提供的非安全級平臺DCS平臺實現的。穩壓器控制主要包括壓力控制和水位控制兩方面。其中穩壓器水位對一回路冷卻劑系統中的水裝量和反應堆冷卻劑系統壓力起維持的功能，穩壓器水位的高低對穩壓器調節一回路系統壓力的能力產生重要的影響，如果穩壓器水位過高，穩壓器控制一回路壓力的能力將下降；如果水位過低，則穩壓器內電加熱器元件就會裸露導致干燒的危險。因此必須對穩壓器水位進行調節，以確保穩壓器水位在正常運行范圍之內。

一、穩壓器水位控制基本原理

穩壓器的水位控制是由化學和容積控制系統（RCV）完成的，通過串級PID改變調節閥RCV046VP開度，最終改變一回路的上充流量大小使穩壓器水位維持在其整定值上。

串級控制相比單回路PID反饋控制多了一個副回路，抗擾動能力也優于單回路控制，但是串級控制系統復雜，考慮到簡單可靠的原則，核電站中的串級控制的使用也非常有限，其中穩壓器水位控制就是核電最復雜的串級PID控制控制之一。穩壓器水位控制是一個串級調節系統，水位整定值和測量水位的差值經水位調節器（主調節器）運算處理后，再加上下泄流量（目的是除去下泄流對一回路水裝量的消耗），作為上充流量調節器（副調節器）的給定值，調節上充流量調節閥（RCV046VP）的開度，實現對穩壓器水位的控制。

具體的邏輯如圖1，主調節器的測量值是穩壓器水位（由RCP007、008和011MN三個穩壓器水位變送器測量值，數據經過403表決器處理后得到的有效平均值）；內部設定值是反應堆冷卻劑溫度的函數，由一回路平均溫度和參考溫度（由汽機壓力得到）計算而來；而主調器的輸出將作為副調節器的設定值，即令主調器的水位設定值PI調節輸出計算的一個上充流量，再加上去容控箱的下泄流量，得出副調節器的整定值。而副調節器的測量值為上充流量RCV018MD；其輸出即為執行機構：上充流量調節閥（1RCV046VP）。圖1的ME404給定值站的Lref部分，為內部水位的設定值，即通過一回路平均溫度信號和Tavg和二回路負荷的參考壓力計算的水位。但熱試期間考慮到二回路負荷未投入，所以本次只討論當外給定水位的情況，即操縱員在KIC/BUP手動設定的目標水位（即圖1的404KU或404RC手操站）。主調節器參數為圖 1中 1RCP404RG：Kp=4.6；K=12.5 min即采取比例積分控制，其中的積分環節的作用是消除穩態工況下實際水位與整定值間的靜差；副調節器為（圖1中去往RCV AD08部分）1RCV404RG：Kp2=0；K2=0.5 min，需要注意到副調節器采用了較少見的純積分控制，即單獨滯后環節，原因是上充流量（1RCV018MD）對時間的積分即為給主調節器的計算液位的變化量。

圖1 穩壓器水位控制模擬圖

該邏輯圖中的412GD（圖2）是一個非線性環節，用來增大水位調節器的響應速度，又兼顧調節的穩定性，它在小的偏差信號時降低增益，又提高調節的穩定性，減少上充閥頻繁動作；大的偏差信號時保持增益，使其響應速度加快。

圖2 非線性轉換函數

二、基于IA平臺的調節閥對象控制

對于整個DCS平臺而言，調節閥是比較復雜的控制對象，從一層（控制層）向二層（操作員人機接口）送的數據有輸出值、內/外設定值、自動/手動模式、全開、全關等信息。而二層發往一層的命令有開、關、輸入設定值、增減、手/自動模式、內/外設定模式等操作 。其中比較重要的是調節閥的無擾切換：當KIC上從Manual打到Auto時，設定值將保持切換時刻不變且此后由KIC設定值站給出，此時手操站的輸出值跟蹤閥門實際開度；當KIC上從Auto模式打回Manual模式，閥門的開度應保持不變且此后由開度由手操站給出，此時設定值跟蹤實測值 。而A/M間的無擾切換是通過XXXRG-O1-O2和XXXRG-S1-S2兩個計算塊來實現。如圖3所示，XXXRG-O1-O2模塊的輸入為RI01（調節器的輸出值）和RI02（實際閥門的開度），當處于自動時，它的輸出為跟蹤RI02；當處于手動時，它的輸出為XXXRG-O2即手操站的輸出值（RI01），此時根據反演算BCALCI（將下游實際的閥位反計算給PID調節器XXXRG），所以調節器輸出和實際閥位相一致；而此時設定值也因為XXX-S1-S2的無擾切換在跟蹤實測值（XXXRG-S2跟蹤XXX-S1-S2的RI02即實測值）。如果少了O1-O2和S1-S2這兩個邏輯塊，則從自動切到手動的過程將存在擾動。具體塊內的邏輯請參考IA平臺FD圖的TL54模板。

三、穩壓器水位調試過程中出現的問題及解決

調試期間，在上充流量調節穩壓器水位控制中，我們首先在歷史站進行一層相關模塊的趨勢組態，再根據PID調試的經驗方法在人為給定水位擾動后觀察波形中的超調量以及穩定時間。PI調節器各校正環節的作用如下。比例環節：即成比例地反映系統的偏差信號，偏差一旦產生，控制器立即產生控制作用，以減少偏差，比例系數越大，調整速度越快；積分環節：可以消除系統穩態誤差，其作用的強弱取決于積分常數Ti，Ti越大，積分作用越弱，反之越強。但在調整P和I的參數時，參數的調整并未很好的解決問題，對串級調節器的結構分析后，最終查明各原因并解決的過程如下。

（1）主調節器有兩路跟蹤，導致從自動切到手動控制時，水位不能無擾切換水位調節的試驗初期，僅在穩壓器水位RCV046VP在手/自動切換時，就會出現上充流量的異常上升，最終導致調整完畢的水位偏高于KIC的給定值，該結果不滿足無擾切換的要求。深入檢查組態，問題在RCP404RG在手動控制時存在兩路跟蹤導致。見圖4，理論上打自動時，調節器RCP404RG應根據操縱員給定水位而輸出計算的上充流量，再補加上下泄至容控箱損失的流量作為副調節器RCV404RG的設定值，再和實際的上充流量對比來調節RCV046VP；同時正常處于手動控制時，主調節器應跟蹤上充減去下泄流量，再補上下泄流量（圖1和圖4），即和上充流量實際一致。而當前主調節器RCP404RG既有反演算BCALCI跟蹤 (來自于下游RCV404RG的反演算輸出即018MD，上充流量)又有TRACK的跟蹤（上充018MD減去下泄005MD），這導致了當RCV046VP從手動切自動時，RCP404RG的輸出將突然從TRACK的上充減下泄變為BCALCI所跟蹤的上充流量，然后再加下泄流量作為副調節器的設定值，就相當于在手/動無擾切換的時候引入了相當于下泄流量大小的一個擾動，刪除1RCP404RG的反演算BCALCI之后再次驗證，問題解決，手動切自動時，閥門開度穩定不動，符合無擾要求。

圖3 IA平臺中DCS實現無擾切換的模塊

圖4 穩壓器水位控制的主調節器修改

（2）因為非線性函數有誤，最終在水位值上下0.1 m范圍波動，問題（1）解決后，手動切自動時的液位增漲導致不能無擾切換的問題解決了。現仍存在的問題是，當實測水位（1RCP07/08/11MN三取平均）達到404KU設定的程序水位時，水位不能最終穩定，而呈現周期為15 min，幅值為±0.1 m的水位振蕩，表現為水位先超調目標值后，累計達到1%的水位后再反向超調1%。解決思路上，先通過傳統的PID經驗試湊法將比例帶增大，降低比例作用防止振蕩，以及將積分時間從2 min加入開始加入，反復試湊參數仍不能消除該的等幅振蕩。對控制環路中相關函數塊的結構進行分析，根據圖2，非線性函數設計的意圖應水位偏差在2%以外時，增益為1，表示在水位偏離程度較大時可以具有迅速調節的能力；水位偏差在2%以內時，增益為0.2，表示當水位偏離程度不大時要求調節器的輸出具有穩定性。而圖4中，非線性函數412GD在未做修改前（圖中J和J＇分別等于±4%），水位偏差在2%以外時，增益為0.55；水位偏差在2%以內時，增益為2。所以修改前為水位偏離范圍較小時快速調節，水位偏離較大時緩慢調節，與設計思路背離。故現場將J和J＇分別改到±0.4%后，水位上下波動的等幅振蕩終于消失。

（3）液位/百分比比例函數的分辨率問題，導致水位的毛刺波動

圖5 歷史站中調節器和水位的趨勢記錄

上述（1）和（2）的問題解決后，水位的無擾切換無誤以及水位上下波動0.1 m的等幅振蕩消失，已基本上達到水位控制要求，但在控制品質上，仍存在優化空間。穩壓器水位穩定時的毛刺波動見圖5左側紅色曲線的水位趨勢及藍色的調節器輸出趨勢。觀察圖5主調節器的輸入和輸出可見其均呈現一種累積效應導致的階躍變化。向主調節器RCP404RG的上游檢查，非線性函數沒有問題；繼續向上游排查，圖4中433ZO_L1加法器沒有問題（作用是將內/外給定值減去測量值）；而再向上游查到函數404RG_CH時（該函數用途是將-5～3.5 m的水位轉化為0～100%比例）發現其輸入分辨率為小數點后3位，但輸出分辨率為小數點后1位，即輸入輸出分辨率不一致。這將導致輸入該函數的水位變化不能及時反映到輸出的比例結果上。所以輸出分辨率不夠，是導致下游累積到一定變化量后發生階躍變化的原因。將RCP404RG_CH的輸出分辨率改到小數點后3位，其輸出的精度足夠高之后，實際控制效果見圖5的右部分，PID輸出器和實際水位的毛刺變化均已消失。至此穩壓器水位控制的調節品質已達到滿意。

四、水位串級調節的調試總結

結合海南昌江1號機組工程實踐，首先對串級水位PID控制器的控制原理，以及IA平臺中的調節閥無擾切換、內外給定值的控制思路進行講解。而在本次調試實踐中的得出的經驗是，PID調節中不可過于強調PID的3個參數的重要性而忽略控制結構的重要性，因為參數調整和結構調整二者對控制品質的影響有時不能相互代替。比如在副調節器（內環）的調節中，手動固定外環即主調節器的輸出并給出一個階躍，觀察1RCV046VP的輸出信號的超調和響應時間結果滿意，積分也可以將靜差也完全消除；但將外環主PID投入環路后，無論根據設計院給定的參數，還是根據控制器與系統動態性能和穩態性能的定性關系來反復調節P、I參數，都無法消除等幅振蕩以及無擾切換時的擾動。最終通過PID的結構檢查和調整，才消除了上述問題。調試過程中積累了很多DCS平臺下PID調節的寶貴經驗，比如可以得出結論，IA平臺DCS的PID設計中不應既有下游模塊的反演算BCALCI又有TRACK的雙跟蹤，此外也加強了對控制模塊分辨率以及無擾切換的重要性的理解。文中經驗也將對今后核電中各系統PID調節水平提高有一定的幫助。