超馳控制在核電廠液位控制中的應用

李樹玲

（海南核電有限公司 ?？冢?/p>

一、引言

核電廠的生產工藝 ，除了要求控制系統在生產處于正常狀態時能夠克服外界干擾，平穩操作外，還必須考慮在事故狀態下也能安全運行，即當工況異常時應該有一定保護措施。保護措施分為硬保護和軟保護兩類。硬保護措施就是當工況異常時發出聲、光報警，由操縱員將控制器切換到手動，進行手動操作處理，或者是通過專設的連鎖保護線路實現自動停，達到保護的目的，但對于整個機組運行來說，硬保護可能會造成經濟損失；而軟保護就是通過一個特定設計的選擇性控制系統，在工況異常時，設備不需要自動停，由該選擇性控制系統自動改變操作方式，使參數脫離極限值，并且當參數回復正常時，原控制系統自動恢復，避免設備停運。

二、超馳控制

超馳控制是軟保護的一種，又稱為取代控制、選擇性控制，當自動控制系統接到事故報警、偏差越限、故障等異常信號時，超馳邏輯將根據事故發生的原因立即執行自動切手動、優先增、優先減、禁止增、禁止減等邏輯功能，將系統轉換到預設定好的安全狀態，并發出報警信號。

常規控制儀表構成的控制系統絕大部分缺少識別系統內外設備狀態及信號品質的能力，只要輸入端有偏差信號存在，控制器就會有相應的動作，而不管系統內部是否出現問題或者外部設備是否工作異常，有時甚至會出現控制偏離給定值的現象而造成事故。

超馳控制則能有效抑制上述不良后果。對內，它是監測自動控制過程的眼睛，隨時都在監測自動控制回路中變送器信號的品質、輸入和輸出偏差限值等。如果控制儀表本身出現問題，控制回路失去了自動控制的基礎條件，超馳控制將選擇自動切手動的方式，切換控制回路的工作模式。對外，它是自動控制系統的安全轉折器，若控制儀表一切正常，被控制的主輔設備發生異常，超馳控制將根據判定邏輯得出的結果決定自動控制系統的控制策略或運行方向，從而轉入安全通道，脫離可能發生的危險工況。

三、超馳控制在系統中的作用

1.監測功能

超馳控制還可以監測參數偏差，在核電廠中用到的自動調節絕大多數都是閉環負反饋調節系統，通常又都是無差調節，在調節器增益確定的條件下，過程輸入、給定值、輸出信號和被調設備的反饋值偏差都應該在限定范圍內，如果偏差越限，表示系統發生異常。偏差變大的監視主要是防范現場設備如變送器、一次元件和執行機構等發生故障或者調節器內部失靈而引發的系統失調。

超馳控制也可以監測設備狀態變異。核電廠的自動調節系統是有條件的，工藝系統設備正常運轉是自動調節投入的起碼條件，設備未運行或者該運行的而沒有運行，會被超馳邏輯認為是運行條件不符或設備狀態異常，而及時采取超馳行動，防止自動調節系統異常導致的機組保護裝置動作。

2.越權處理功能

當系統運行情況滿足超馳條件時，超馳控制將奪取被監測的自動調節回路控制權，將控制方式從自動轉為手動或者采取預先設定的安全工作方式。由此可見，超馳控制信號優先級高于主路控制。所以說超馳控制越權處理能力強，因為它是以自動調節系統正常運行時“發現異常、即時轉換、保持穩定”為原則來設計工作結果，在系統出現異常，不能正常工作時，為使參數調節品質不再繼續變壞，控制系統及時采取超馳控制，保證自動調節系統的使用安全。

比如前面提到的低壓加熱器水位的控制，當某列低加水位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處理，那么加熱器水位高出限值的情況將會進一步惡化，甚至有可能導致全部低加集體解列，進而危害機組運行安全及經濟性。

四、應用實例

1.昌江核電廠簡介

2010年4月25日，海南核電有限公司建設的海南昌江核電廠正式開工建設，廠址位于海南省昌江黎族自治縣海尾鎮塘興村，瀕臨北部灣，可容納建設四臺大型核電機組，首期建設兩臺65萬千瓦的CNP600壓水堆核電機組。兩臺機組已分別于2011年12月28日和2012年9月25日實現反應堆廠房封頂。

2.凝汽器水位控制

（1）系統控制介紹

凝汽器有3個殼體，每個殼體之間由平衡管連通，從整體上看凝汽器構成了一式三套水位測量裝置（004MN、008MN和012MN），每個水位計設有5個水位開關報警點：高高水位、高水位、低水位、低低水位、低低低水位。凝汽器水位的實測值由這3臺水位計的測量值經平均后產生。而凝汽器的水位由2個補給水氣動控制閥039VD（小流量控制閥）和035VD（大流量控制閥）控制，由控制閥控制進入凝汽器的補給水量，使水位保持在一個與負荷相關的整定值上，035VD和039VD電磁閥得電開閥，失電自動（ 圖 1）。

科技是國家強盛之基，創新是民族進步之魂。黨的十八大以來，我國創新型國家建設成果豐碩，創新驅動發展戰略大力實施，創新發展理念深入人心。當前，虛擬現實技術（VR）、人工智能技術（AI）、智能制造等已成為全球技術研發的熱點，并逐步向消費者日常生活滲透，為傳統行業創新發展提供了技術支撐。

圖1 凝汽器水位控制示意圖

（2）超馳控制的應用

正常運行情況下，凝汽器水位調節采用分程控制：機組運行時先開啟小流量控制閥039VD向凝汽器補水，當039VD的閥門開度達到70%以上時，逐步開啟大流量控制閥035VD。

當凝汽器水位出現低低信號的異常工況時，035VD和039VD電磁閥得電，超馳控制介入，強制全開兩個補水控制閥。進而避免凝汽器水位繼續下降，導致連鎖停運凝結水泵，為機組的穩定運行提供進一步的保障。

3.低壓給水加熱器的水位控制

（1）系統控制介紹

低壓加熱器的疏水分為正常疏水和緊急疏水，正常疏水采用逐級回流的方式返回凝汽器：3號低加正常疏水通過疏水控制閥（045VL～050VL）流向2號低加，2號低加的正常疏水通過疏水控制閥(030VL～032VL)流向1號低加，1號低加的正常疏水通過疏水控制閥（054VL～056VL）流向凝汽器。3級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）超馳控制的應用

正常工況下，正常疏水閥自動調節開度，維持水位；緊急疏水閥處于關閉狀態。正常疏水閥及緊急疏水閥都是帶有超馳電磁閥的調節型電動閥門，正常疏水閥（如054VL）的電磁閥是得電關閉調節閥，失電調節閥自動，失氣調節閥關；而緊急疏水閥（如060VL）的電磁閥得電調節閥自動，電磁閥失電調節閥開，失氣時調節閥開。

當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，并在調節回路中，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3A低壓加熱器解列時，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，關閉正常疏水閥。同樣的情況當3B低壓加熱器解列時正常疏水閥049VL、047VL及045VL的電磁閥得電，關閉疏水調節閥，以免已解列加熱器中的水流向下一級。當1A&2A低壓加熱器解列時，正常疏水閥032VL的超馳電磁閥得電，關閉疏水閥032VL，并在調節回路中，將控制輸出為0%。

4.高壓加熱器的水位控制

（1）系統控制介紹。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三個高壓加熱器為A列，No.5B、No.6B和No.7B三個高壓加熱器為B列。正常運行時，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實現自動控制功能。在加熱器的正常疏水控制閥的疏水能力不足時，加熱器內的水位將升高。當加熱器內的水位≥緊急運行水位設定值時，緊急疏水閥開始工作。此時正常疏水控制閥全開，DCS自動控制緊急疏水控制閥的開度，保持加熱器的水位為緊急運行水位值。

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節型氣動閥門，根據相應高壓加熱器中的水位來調節常規疏水和緊急疏水的流量，調節功能由分散控制系統（DCS）實現（圖2）。

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

疏水流量調節采用單沖量PI調節回路?，F場輸入的3個水位信號先經信號鑒別模塊判別信號的有效性。當檢測到水位信號有效時，則該信號通過三取中模塊，輸入至PI控制模塊，PI模塊輸出的控制信號經A/M站輸出至執行器，通過對緊急疏水和常規疏水流量的控制來調節相應高壓加熱器中的水位；當檢測到3個水位信號均故障時，或水位過程量與設定值偏差過大，或控制回路的輸出與閥位反饋信號偏差過大時，發出報警信號，并通過邏輯回路將A/M站切換至手動。

圖2 高壓加熱器水位控制流程圖

（2）超馳控制的應用。當相應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，并在調節回路中，將控制輸出切為100%。

當7A、7B、6A、6B高壓加熱器中某個加熱器解列或該列進水、出水電動閥均全關時，正常疏水閥（023VL、024VL、031VL、032VL）的超馳電磁閥得電，關閉正常疏水閥。并在調節回路中，將控制輸出切為0%。

當相應的高壓加熱器解列或本列進水、出水電動閥均全關或除氧器水位高高或除氧器水位高高高時，5A、5B正常疏水閥（ADG013VL、ADG012VL）的超馳電磁閥得電，關閉正常疏水閥。并在調節回路中，將控制輸出切為0%。

五、結論

核電廠的自動控制能夠提高工作效率、優化工藝品質，但自動調節系統在綜合判斷能力方面仍比較薄弱，這就決定了當自動控制系統在工作時遇到突發情況，很難保證故障處置方向總是正確的，無疑選擇使用自動控制的同時也帶來了控制上的風險。

常規控制系統有時會出現控制偏離給定值的現象，有可能會使機組出現事故。而超馳控制則能有效抑制這種后果，如果被監測系統異常，超馳控制將通過超馳邏輯將控制導向更加安全的方向；若被控制的設備發生異常，超馳控制將根據預先設定的邏輯決定自動控制系統的控制策略或運行方向，從而將機組運行轉入安全通道，脫離可能發生的危險工況。