基于FPGA的核電廠電伴熱控制系統改進

劉福瑞 秦虎成

摘要：壓水堆核電站以含硼水作為冷卻劑和慢化劑，隨著水中硼濃度的升高，硼水易于出現結晶現象。為了維持硼水正常循環、防止硼結晶、加強對工藝管道或者設備防凍保護，需要設計電伴熱系統實現這一目的，本文主要從基于FPGA控制的電伴熱方案，對核電站電伴熱系統的控制方案持續改進進行介紹。

關鍵字：電伴熱、FPGA、溫度開關

1 前言

壓水堆核電站以含硼水作為冷化劑和慢化劑，核電站內有很多系統管道輸送含硼水，各管道內的硼酸溶液濃度有所不同，隨著硼水中含硼的濃度升高，硼水出現結晶的溫度也相應升高，為了防止硼酸溶液的結晶，給硼酸溶液管道進行伴熱至關重要。

核電站電伴熱系統簡稱為RHT（Special Process Electrical Heat Tracing System）用來為硼溶液流過的部分管道、閥門和泵進行伴熱，防止硼水結晶，同時還為部分工藝管道或設備提供防凍保護。

2 RHT系統控制原理

RHT系統由兩個獨立的伴熱回路組成，正常回路和備用回路。正常回路和備用回路分別通過敷設在管道兩端的雙支鉑熱電阻檢測管道表面及設備的溫度信號，一路送給正常回路控制器，另一路送給備用回路控制器，由主備控制器發出控制信號，控制加熱斷路器的通斷，來控制電加熱元件電壓，達到對管道進行伴熱的目的，并顯示溫度。系統工作時，向正常和備用回路通電，每個管段的伴熱回路將投入運行。正常回路（A）與備用回路（B）溫度控制整定值之間的關系為：TBmin<TBmax=TAmin<TAmax。

正常運行工況下，熱電阻測溫并通過控制機柜控制伴熱回路進行伴熱。當管道表面溫度達到高整定值（TAmax）時，控制機柜切斷電源，管道溫度降低到低整定值（TAmin）時，再給伴熱元件通電。若系統發生故障，正常回路不能按要求運行，則當管道溫度下降到TBmin時，接通備用回路。當溫度超過 TAmin 時，相應的控制機柜關掉備用回路，備用回路的伴熱元件停止通電。在TAmin 和TAmax 值之間，正常回路足以提供所要求的熱量。

3 RHT系統控制方案

3.1溫度開關控制方案

溫度開關是機械式的自動控制溫度的設備，當某個伴熱回路的溫度低于溫度開關的低溫度設定值時，該回路的溫度開關閉合，送出控制信號至加熱電路盤，加熱電路盤內斷路器閉合，該路對應的伴熱元件開始通電加熱。當溫度高于溫度開關高設定值時，溫度開關斷開，加熱電路盤內斷路器斷開，伴熱元件停止加熱。溫度開關控制方案詳見圖1。

溫度開關控制方案采用熱電偶作為測量元件，每個控制回路裝有雙支熱電偶，一支傳送至DCS用于溫度值顯示和報警，另一只用于現場就地顯示箱顯示。

在福清3/4號機組、方家山1/2號機組及嶺澳二期以前核電項目硼伴熱系統均采用溫度開關控制方案。

優點：每個回路單獨控制，避免回路之間相互影響;溫度開關采用機械式，耐輻照性能較好，安裝布置更靈活;控制方式簡單，且不需要供電

缺點：采用分散控制，維護比較麻煩，使用的盤箱柜及電纜較多，溫度開關普遍采用進口產品，成本高（1400萬），供貨周期長;溫度開關的可靠性較差;調試比較麻煩，溫度開關溫度設定值易漂移;熱電偶測溫范圍內測量精度較低;與DCS通訊都是靠硬接線完成，故障點較多。

為了實現公司“開源節流，降低成本，降本增效”的目標，在保證設計質量的前提下，基于冗余FPGA的控制方案勢應運而生。

3.2 FPGA控制方案

為了解決溫度開關控制方式的分散性及盤箱柜和電纜用量較大的弊端，現提出一種單體集中控制，分組分散控制的控制方案，該采用FPGA芯片作為核心，輔以溫度控制模塊，通訊模塊、溫度顯示模塊，數據分析模塊、數據緩存模塊等組成FPGA控制器。

FPGA，即現場可編程門陣列，它是作為專用集成電路領域中的一種半定制電路而出現的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數有限的缺點。

3.3.1方案設計

該方案采用兩個相同的冗余伴熱回路，既正常回路和備用回路，兩個回路間是實體隔離的。RHT系統采用分布式結構，分為現場控制層和現場設備層。

溫度控制采用可編程邏輯門陣列（FPGA）技術，FPGA是通過硬件語言描述實現并行計算機功能的硬件電路。應用FPGA實現伴熱回路的溫度控制可以提高反應速度，降低延遲性等問題，同時FPGA可以根據現場需要進行修改，提高系統的靈活性。

溫度控制系統通過管道上的PT100（RTD）采集實時溫度，將采集到的溫度信號通過A/D轉換模塊轉換成數字量信號并傳送給FPGA芯片， FPGA芯片對傳送到的數字量信號進行邏輯處理，同時將采集到的溫度信號與預設溫度進行比較得出正確的比較結果，最后通過I/O口輸出控制繼電器的通斷以控制伴熱纜的啟停。

3.3.2現場控制層

現場控制層由7個現場控制箱和1個交換機柜組成，每個現場控制箱備有14個回路，現場控制箱用于接收現場鉑電阻溫度信號，通過FPGA控制器對信號進行處理，實現對伴熱元件供電的邏輯控制并通過網絡發送溫度信息到交換機柜。組合來自配電盤和現場控制箱的故障報警信號與指示信號后，經過網絡上傳到全廠DCS系統中。現場控制箱配有用于顯示溫度值、報警信息、故障信息的顯示屏。

現場控制箱為伴熱元件提供電源，現場控制箱接收來自配電盤的電源，并通過斷路器控制分別向14個加熱回路供電， FPGA輸出控制信號驅動中間繼電器實現伴熱纜供電電源斷通進行伴熱控制，該中間繼電器的動作閉合直接控制現場控制箱中的接觸器控制線圈的通斷，由此控制管道上伴熱電纜供電系統的運行，實現將加熱回路的溫度控制在一定范圍內。

現場控制箱的網絡通訊功能，由FPGA的通訊模塊實現，采用以太網通訊方式與交換機柜進行通訊。

交換機柜內配有PLC及相應IO、通訊模塊、HMI，每個交換機柜通過多模光纖與現場控制箱相連，交換機柜通過1根多模光纖輸出信號至DCS系統，實現了RHT系統現場信息到DCS系統的連通。人機交互界面（HMI）可顯示7個現場控制箱98個通道的實時管道溫度信息和所有報警信息。

交換機柜內PLC通過以太網通信接收來自現場控制箱的各回路溫度數據和報警信息。交換機柜通過現場總線分別從各個現場控制箱搜集數據信息，然后通過光纖通信將各回路溫度信號和報警信號送往DCS做系統畫面顯示。

3.3.3現場設備層

現場設備層包括配電盤、測溫鉑電阻和電伴熱元件。配電盤給現場控制箱和交換機柜提供電源。鉑電阻用于對被伴熱管道表面溫度測量。

電伴熱元件用于給硼管道進行加熱，此方案優化了電伴熱元件供電電壓等級。由PLC方案的7種電壓等級，調整為2種電壓等級，大大減少了伴熱設計的計算工作量。

4 RHT系統控制方案的持續改進

RHT系統經歷了溫度開關、基于PLC、基于FPGA控制方案的歷程，在優化設計過程中，解決了各種成本、質量、施工的問題，但是在不同的項目應用中也依然存在一些問題。根據伴熱技術的發展和系統工藝要求，在后期可以改進以下幾個方面：

1）由于現在使用的伴熱纜采用氧化鎂絕緣，在施工現場進行伴熱纜連接時，容易使氧化鎂受潮，降低伴熱和絕緣效果，可以改進伴熱纜絕緣物質，使伴熱纜可以現場裁剪，而不影響伴熱效果;

2）其次根據伴熱系統伴熱模式，控制器應能具有自動診斷功能;

3）優化伴熱纜型號，爭取將伴熱纜型號由4個變為2個，統一電壓等級，降低施工難度，減少業主備品備件數量。

5 結論

本文簡要介紹了核電站中電伴熱系統的特點，并詳細分析了二代加、三代核電站中普遍采用的各種電伴熱系統控制方案，通過分析總結出各控制方案的優缺點，結合當下控制、通訊、半導體新技術，提出一種用于核電站特殊工藝管線電伴熱系統的控制方案，提出了未來電伴熱系統設計的改進目標。希望對未來的電伴熱系統設計能有一定的借鑒意義。

參考文獻

湯吉星.基于PLC的核電廠硼伴熱控制系統改造[J].電工技術，2020.