核電廠穩壓器電加熱器自動控制研究

張 杰，吳 京，劉一鳴

（華龍國際核電技術有限公司 電氣儀控所，北京 100036）

壓水堆核電站一回路啟動時需先給一回路充水，一回路滿水待條件滿足后通過穩壓器（PZR）內的加熱器將穩壓器內冷卻劑加熱至飽和狀態并建立汽腔。穩壓器建汽腔的目的在于更好地控制一回路的壓力，同時為一回路水裝量提供一定緩沖。目前核電廠的穩壓器建汽腔過程中，通過操縱員的經驗手動控制加熱器的投退形成汽腔，汽腔形成后通過加熱器/噴淋閥的控制來穩定并逐步提升一回路壓力至正常運行值。本文通過分析電加熱器的控制邏輯以及對建汽腔升溫進行建模計算等過程，提出建汽腔過程中的自動控制邏輯方案，以期提高機組啟動過程中的自動化水平。

1 穩壓器電加熱器設備

穩壓器加熱器和噴淋閥是穩壓器壓力控制系統的主要設備。穩壓器電加熱器的基本功能是與穩壓器噴淋相互配合，控制和調節反應堆冷卻劑系統（RCP）壓力。穩壓器內主要有比例式加熱器和通斷式加熱器。

1）比例式加熱器003/004RS：比例式電加熱器主要在穩壓器內壓力小幅度波動時起作用，用于補償PZR容器的散熱以及連續噴淋帶來的熱損失。

2）通斷式加熱器001/002/005/006RS：通斷式加熱器用于反應堆啟動或瞬態過程，主要考慮在機組各種瞬態擾動下對一回路壓力進行補償和調節。

3）6組加熱器的功率和穩壓器容積見表1[1]。

表1 電加熱器參數Table 1 Parameters of electric heater

2 電加熱器控制邏輯及手動控制過程分析

2.1 通斷式電加熱器控制邏輯

RCP001RS、RCP002RS、RCP005RS、RCP006RS均 為通斷式電加熱器，其控制邏輯基本相同。此處以RCP001RS為例進行說明，其控制邏輯圖如圖1[2]。分析其控制邏輯得出如下結論：

圖1 通斷式加熱器RCP001RS邏輯圖Fig.1 Logic diagram of on-off heater RCP001RS

1）RCP001RS電加熱器的啟動條件為：

①自動啟動：需將RCP057KG置于AUTO，且穩壓器壓力偏差低430XU1 LOW為1（偏差小于-1.7bar）或穩壓器水位偏差高439XU2 HIGH為1（偏差大于5%）。

②手動啟動：需將RCP057KG置于MANU且KIC中RCP001RS置于Me START。

2）RCP001RS電加熱器的退出條件為：

①自動退出：穩壓器壓力偏差大于-1.7bar且穩壓器水位偏差小于5%。

②手動退出：RCP001RS置于STOP即可。

3）RCP001RS電加熱器的切除條件為：

穩壓器液位437XU2低2信號（-4.63m）輸出為1時，切除穩壓器加熱器。

2.2 比例式電加熱器控制邏輯

RCP003RS和RCP004RS均為比例式電加熱器，其控制邏輯相同。此處以RCP003RS為例進行說明，其控制邏輯圖如圖2[3]，穩壓器壓力控制模擬圖如圖3[4]。分析其控制邏輯得出如下結論：

圖2 比例式加熱器RCP003RS邏輯圖Fig.2 Logic diagram of proportional heater RCP003RS

圖3 穩壓器壓力控制模擬圖Fig.3 Simulation diagram of pressurizer pressure control

1）RCP003RS電加熱器的啟動條件為：

將RCP003RS置于ME START，且穩壓器壓力偏差位于-1bar和1bar之間，此時比例式電加熱器從0%～100%線性開啟。

2）RCP003RS電加熱器的退出條件為：

將RCP003RS置于STOP或穩壓器壓力器壓力偏差大于1bar。

3）RCP003RS電加熱器的切除條件為：

同通斷式電加熱器：穩壓器液位437XU2低2信號（-4.63m）輸出為1時，切除穩壓器加熱器。

4）穩壓器壓力控制分析

RCP013、014、015MP通過一個表決器取其平均值分兩路輸出，穩壓器壓力P與其本身設置的整定值Pref相比較，并將壓力偏差P-Pref進行PID運算。輸出信號補償壓差用來對噴淋閥和比例電加熱器實施連續控制，對通斷電加熱器實施斷續控制。此外，調節器輸出端接一自動/手動控制器RCP401KU（RCI），操縱員可通過設定壓力偏差值來手動控制電加熱器的壓力偏差輸入信號進而控制通斷式和比例式電加熱器的啟停與控制。

2.3 電加熱器手動控制過程

目前穩壓器建汽腔過程中，采用操縱員手動操作的方式實現電加熱器的投運和退出過程。控制過程如下：

1）確認穩壓器加熱器可用

確認無RCP001-006RS相關報警。

2）手動投運穩壓器電加熱器

首先關閉穩壓器兩個噴淋閥（RCP001/002VP），再逐個手動投運比例式加熱器和通斷式加熱器，順序與操作依次為：

◇ RCP001RS：通過RCP057KG將穩壓器加熱器RCP001RS置于手動，然后投運。

◇ RCP002RS：通過RCP058KG將穩壓器加熱器RCP002RS置于手動，然后投運。

◇ RCP005RS：通過RCP061KG將穩壓器加熱器RCP005RS置于手動，然后投運。

◇ RCP006RS：通過RCP062KG將穩壓器加熱器RCP006RS置于手動，然后投運。

◇ RCP003/004RS：將RCP003/004RS置于Me-start，RCP401KU置于INT，手動設置定值-1bar。

3）手動退出穩壓器加熱器

在穩壓器內冷卻劑溫度（RCP010MT）達到220℃時退出第一組加熱器，之后隨著溫度的上升，每增加1℃（約2min），退出一組加熱器，先退通斷式加熱器，再退比例式加熱器[5]，最后剩一組比例式加熱器運行。順序與操作依次為：

◇ 溫度到達220℃時，手動退出第1組通斷式加熱器RCP001RS。

◇ 溫度到達221℃時，手動退出第2組通斷式加熱器RCP002RS。

◇ 溫度到達222℃時，手動退出第3組通斷式加熱器RCP005RS。

◇ 溫度到達223℃時，手動退出第4組通斷式加熱器RCP006RS。

◇ 溫度到達224℃時，手動退出第1組比例式加熱器RCP003RS。

3 穩壓器建汽腔升溫建模及計算

3.1 穩壓器溫度測量準確度分析

目前，建汽腔過程中采用每升高1℃（觀察RCP010MT穩壓器液相溫度指示）手動退出一組電加熱器的控制方式。該控制方式對于溫度測量通道要求較高，不僅響應時間要足夠快，測量精度也需要滿足相應要求，否則可能出現過早或過晚退出的情況。經查詢相關資料，穩壓器液相溫度計RCP010MT為標準響應B級溫度傳感器，對應的其測量誤差為：a=0.30+0.005｜t｜。在穩壓器建汽腔過程中電加熱器準備退出前后的溫度約為220℃，帶入計算a=1.4℃。

結論：不考慮DCS設備模數轉換等誤差，單純從穩壓器溫度測量傳感器RCP010MT的測量結果可以看出，在220℃時測量示值有±1.4℃的偏差。因此，目前采用觀察RCP010MT指示按照每升高1℃退出一組電加熱器的手動退出方式的誤差較大。本文在自動控制方案設計中采用線性功率計算法控制加熱器退出。

3.2 建汽腔過程中升溫計算

由表1電加熱器參數可知，電加熱器的總功率為1440kW。25bar.g下水的比熱值C約為4.4kJ/kg×℃。因此，在6組電加熱器全開情況下，水溫升高1℃所需熱量Q=m×C。該處的計算主要是考慮在加熱器逐組退出后，剩余加熱器將穩壓器內水的升溫情況。在穩壓器建汽腔過程中，電加熱器在大約達到水的飽和溫度前約220℃左右考慮開始退出。

220℃下水的比容V約為0.0011899m3/kg，計算穩壓器滿水位40m3狀態下水的質量m≈40m3/0.0011899m3/kg =33616kg。

因此，Q=m×C=33616kg×4.4kJ/kg×℃=1.479×108J，即升高1℃需1.479×108J的熱量，記為Q1。

6組加熱器全開的狀態下功率水平P1=1440kW，因此升高1℃需要時間T=Q1/P1=1.479×108J/（3.6×106）J/(kW·h)/1440kW×60min/h=1.71min，記為T1。

結論：在約220℃下，將穩壓器內40m3水升高1℃需要6組電加熱器額定功率運行大約1.71min，該結果同§2.3電加熱器手動控制過程中操縱員經驗值約2min相同。

3.3 穩壓器電加熱器斷電后衰變熱計算

每一組電加熱器在退出運行后，理論上在加熱體外包殼上尚存在殘余的衰變熱。采用功率計算法控制加熱器退出時，除了需要考慮電加熱器正常工作釋放熱外，電加熱器斷電后衰變熱量對于水溫的影響也需要考慮。為此，以P2=24kW為加熱器最小加熱功率單位進行建模計算。查閱電加熱器采購技術規格書等相關資料得到的主要建模必需參數見表2。

表2 電加熱器建模主要參數表Table 2 Main parameters of electric heater modeling

采用Ansys19.2軟件建模，通過建模計算得到24kW加熱器斷電后釋放熱量曲線如圖4。

圖4 24kW加熱體斷電后熱量釋放曲線圖Fig.4 Heat release curve of 24kW heater after power failure

由圖4可以看出：

1）24kW加熱體斷電后共釋放潛熱約70000J，記為Q2。

2）斷電后60s后基本釋放潛熱完成。

根據§3.1節建汽腔過程中升溫計算的內容可進一步計算：

6組共1440kW功率的電熱器在斷電后總釋放潛熱對于穩壓器水溫的提高：P1/P2×Q2/Q1≈0.028℃。

3）即6組電加熱器同時斷電，其釋放總潛熱僅將穩壓器內的水溫升高溫度約0.028℃，由此判斷加熱器斷電后潛熱對于建汽腔過程的升溫影響忽略不計。本文中采用線性功率計算法實現自動控制，不考慮潛熱影響。

4 穩壓器電加熱器自動控制

4.1 電加熱器投運自動控制

根據本文第2章電加熱器控制邏輯分析內容可知，在前置條件滿足后，可通過設置RCP401KU投運所有電加熱器，具體控制步序如下：

1）確認RCP001RS/002RS/005RS/006RS的控件位置為AUTO。

2）將RCP003RS/004RS置于ME START。

3）RCP401KU置于INT，并將整定值設置為-0.17MPa。

4）以上邏輯過程均可通過自動順序控制實現。至此，6組電加熱器全部投運。該過程如圖5。

圖5 電加熱器投運過程自動控制時序圖Fig.5 Automatic control sequence diagram of electric heater operation

4.2 電加熱器退出自動控制

1）根據本文第3章穩壓器建汽腔升溫建模及計算以及§4.1節電加熱器投運自動控制方式，電加熱器退出控制時先退出用于粗調的4組通斷式電加熱器（001RS/002RS/005RS/006RS），待汽腔初步建立后，將兩組比例式電加熱器（003RS/004RS）置于30%功率水平繼續加熱至汽腔完全建立。

2）退出通斷式加熱器后，剩下兩組比例式電加熱器加熱，功率P3=216kW×2=432kW。計算其使水溫升高1℃需要時間為T2，T2=Q1/P3=1.479×108J/432kW=5.69min，即5.69min將穩壓器水位升高1℃。考慮25bar壓力下水的飽和溫度226℃，可設計在RCP010MT指示溫度達到224℃時退出通斷式電加熱器，即將RCP401KU設置為-0.1Mpa。T3=2×T2=11.38min后穩壓器內加熱至飽和狀態226℃。此時認為汽腔初步建立，將比例式電加熱器（003RS/004RS）設置為30%水平，即將RCP401KU設置為-0.03Mpa。

3）維持該狀態直至穩壓器汽腔完全建立（RCP012MN=0m）。

4）以上邏輯過程均可通過自動順序控制實現。該過程如圖6。

圖6 電加熱器退出過程自動控制時序圖Fig.6 Automatic control sequence diagram of electric heater exit process

對比§2.3節電加熱器手動控制過程可以看出，基于穩壓器電加熱器控制邏輯優化實現的自動投運和退出控制極大簡化了操縱員的手動操作過程，進而減少操縱員工作負荷和提高自動化水平。

5 結束語

本文通過分析穩壓器建汽腔過程中電加熱器控制邏輯以及其手動控制過程，提出采用線性功率計算法對穩壓器電加熱器建汽腔實現自動控制。通過對建汽腔過程穩壓器電加熱器升溫過程的相關建模和計算，在此基礎上進一步提出了電加熱器的自動投運和退出控制方案。穩壓器建汽腔的電加熱器自動控制可以提高核電機組在啟動過程中的自動化水平，為核電機組實現一鍵啟動方案的設計提供參考。