昌江核电稳压器水位串级控制的调试及改进

陈 岩

（海南核电有限公司 海南昌江）

海南昌江1、2号机组的稳压器水位控制系统是由IA系统提供的非安全级平台DCS平台实现的。稳压器控制主要包括压力控制和水位控制两方面。其中稳压器水位对一回路冷却剂系统中的水装量和反应堆冷却剂系统压力起维持的功能，稳压器水位的高低对稳压器调节一回路系统压力的能力产生重要的影响，如果稳压器水位过高，稳压器控制一回路压力的能力将下降；如果水位过低，则稳压器内电加热器元件就会裸露导致干烧的危险。因此必须对稳压器水位进行调节，以确保稳压器水位在正常运行范围之内。

一、稳压器水位控制基本原理

稳压器的水位控制是由化学和容积控制系统（RCV）完成的，通过串级PID改变调节阀RCV046VP开度，最终改变一回路的上充流量大小使稳压器水位维持在其整定值上。

串级控制相比单回路PID反馈控制多了一个副回路，抗扰动能力也优于单回路控制，但是串级控制系统复杂，考虑到简单可靠的原则，核电站中的串级控制的使用也非常有限，其中稳压器水位控制就是核电最复杂的串级PID控制控制之一。稳压器水位控制是一个串级调节系统，水位整定值和测量水位的差值经水位调节器（主调节器）运算处理后，再加上下泄流量（目的是除去下泄流对一回路水装量的消耗），作为上充流量调节器（副调节器）的给定值，调节上充流量调节阀（RCV046VP）的开度，实现对稳压器水位的控制。

具体的逻辑如图1，主调节器的测量值是稳压器水位（由RCP007、008和011MN三个稳压器水位变送器测量值，数据经过403表决器处理后得到的有效平均值）；内部设定值是反应堆冷却剂温度的函数，由一回路平均温度和参考温度（由汽机压力得到）计算而来；而主调器的输出将作为副调节器的设定值，即令主调器的水位设定值PI调节输出计算的一个上充流量，再加上去容控箱的下泄流量，得出副调节器的整定值。而副调节器的测量值为上充流量RCV018MD；其输出即为执行机构：上充流量调节阀（1RCV046VP）。图1的ME404给定值站的Lref部分，为内部水位的设定值，即通过一回路平均温度信号和Tavg和二回路负荷的参考压力计算的水位。但热试期间考虑到二回路负荷未投入，所以本次只讨论当外给定水位的情况，即操纵员在KIC/BUP手动设定的目标水位（即图1的404KU或404RC手操站）。主调节器参数为图 1中 1RCP404RG：Kp=4.6；K=12.5 min即采取比例积分控制，其中的积分环节的作用是消除稳态工况下实际水位与整定值间的静差；副调节器为（图1中去往RCV AD08部分）1RCV404RG：Kp2=0；K2=0.5 min，需要注意到副调节器采用了较少见的纯积分控制，即单独滞后环节，原因是上充流量（1RCV018MD）对时间的积分即为给主调节器的计算液位的变化量。

图1 稳压器水位控制模拟图

该逻辑图中的412GD（图2）是一个非线性环节，用来增大水位调节器的响应速度，又兼顾调节的稳定性，它在小的偏差信号时降低增益，又提高调节的稳定性，减少上充阀频繁动作；大的偏差信号时保持增益，使其响应速度加快。

图2 非线性转换函数

二、基于IA平台的调节阀对象控制

对于整个DCS平台而言，调节阀是比较复杂的控制对象，从一层（控制层）向二层（操作员人机接口）送的数据有输出值、内/外设定值、自动/手动模式、全开、全关等信息。而二层发往一层的命令有开、关、输入设定值、增减、手/自动模式、内/外设定模式等操作 。其中比较重要的是调节阀的无扰切换：当KIC上从Manual打到Auto时，设定值将保持切换时刻不变且此后由KIC设定值站给出，此时手操站的输出值跟踪阀门实际开度；当KIC上从Auto模式打回Manual模式，阀门的开度应保持不变且此后由开度由手操站给出，此时设定值跟踪实测值 。而A/M间的无扰切换是通过XXXRG-O1-O2和XXXRG-S1-S2两个计算块来实现。如图3所示，XXXRG-O1-O2模块的输入为RI01（调节器的输出值）和RI02（实际阀门的开度），当处于自动时，它的输出为跟踪RI02；当处于手动时，它的输出为XXXRG-O2即手操站的输出值（RI01），此时根据反演算BCALCI（将下游实际的阀位反计算给PID调节器XXXRG），所以调节器输出和实际阀位相一致；而此时设定值也因为XXX-S1-S2的无扰切换在跟踪实测值（XXXRG-S2跟踪XXX-S1-S2的RI02即实测值）。如果少了O1-O2和S1-S2这两个逻辑块，则从自动切到手动的过程将存在扰动。具体块内的逻辑请参考IA平台FD图的TL54模板。

三、稳压器水位调试过程中出现的问题及解决

调试期间，在上充流量调节稳压器水位控制中，我们首先在历史站进行一层相关模块的趋势组态，再根据PID调试的经验方法在人为给定水位扰动后观察波形中的超调量以及稳定时间。PI调节器各校正环节的作用如下。比例环节：即成比例地反映系统的偏差信号，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差，比例系数越大，调整速度越快；积分环节：可以消除系统稳态误差，其作用的强弱取决于积分常数Ti，Ti越大，积分作用越弱，反之越强。但在调整P和I的参数时，参数的调整并未很好的解决问题，对串级调节器的结构分析后，最终查明各原因并解决的过程如下。

（1）主调节器有两路跟踪，导致从自动切到手动控制时，水位不能无扰切换水位调节的试验初期，仅在稳压器水位RCV046VP在手/自动切换时，就会出现上充流量的异常上升，最终导致调整完毕的水位偏高于KIC的给定值，该结果不满足无扰切换的要求。深入检查组态，问题在RCP404RG在手动控制时存在两路跟踪导致。见图4，理论上打自动时，调节器RCP404RG应根据操纵员给定水位而输出计算的上充流量，再补加上下泄至容控箱损失的流量作为副调节器RCV404RG的设定值，再和实际的上充流量对比来调节RCV046VP；同时正常处于手动控制时，主调节器应跟踪上充减去下泄流量，再补上下泄流量（图1和图4），即和上充流量实际一致。而当前主调节器RCP404RG既有反演算BCALCI跟踪 (来自于下游RCV404RG的反演算输出即018MD，上充流量)又有TRACK的跟踪（上充018MD减去下泄005MD），这导致了当RCV046VP从手动切自动时，RCP404RG的输出将突然从TRACK的上充减下泄变为BCALCI所跟踪的上充流量，然后再加下泄流量作为副调节器的设定值，就相当于在手/动无扰切换的时候引入了相当于下泄流量大小的一个扰动，删除1RCP404RG的反演算BCALCI之后再次验证，问题解决，手动切自动时，阀门开度稳定不动，符合无扰要求。

图3 IA平台中DCS实现无扰切换的模块

图4 稳压器水位控制的主调节器修改

（2）因为非线性函数有误，最终在水位值上下0.1 m范围波动，问题（1）解决后，手动切自动时的液位增涨导致不能无扰切换的问题解决了。现仍存在的问题是，当实测水位（1RCP07/08/11MN三取平均）达到404KU设定的程序水位时，水位不能最终稳定，而呈现周期为15 min，幅值为±0.1 m的水位振荡，表现为水位先超调目标值后，累计达到1%的水位后再反向超调1%。解决思路上，先通过传统的PID经验试凑法将比例带增大，降低比例作用防止振荡，以及将积分时间从2 min加入开始加入，反复试凑参数仍不能消除该的等幅振荡。对控制环路中相关函数块的结构进行分析，根据图2，非线性函数设计的意图应水位偏差在2%以外时，增益为1，表示在水位偏离程度较大时可以具有迅速调节的能力；水位偏差在2%以内时，增益为0.2，表示当水位偏离程度不大时要求调节器的输出具有稳定性。而图4中，非线性函数412GD在未做修改前（图中J和J＇分别等于±4%），水位偏差在2%以外时，增益为0.55；水位偏差在2%以内时，增益为2。所以修改前为水位偏离范围较小时快速调节，水位偏离较大时缓慢调节，与设计思路背离。故现场将J和J＇分别改到±0.4%后，水位上下波动的等幅振荡终于消失。

（3）液位/百分比比例函数的分辨率问题，导致水位的毛刺波动

图5 历史站中调节器和水位的趋势记录

上述（1）和（2）的问题解决后，水位的无扰切换无误以及水位上下波动0.1 m的等幅振荡消失，已基本上达到水位控制要求，但在控制品质上，仍存在优化空间。稳压器水位稳定时的毛刺波动见图5左侧红色曲线的水位趋势及蓝色的调节器输出趋势。观察图5主调节器的输入和输出可见其均呈现一种累积效应导致的阶跃变化。向主调节器RCP404RG的上游检查，非线性函数没有问题；继续向上游排查，图4中433ZO_L1加法器没有问题（作用是将内/外给定值减去测量值）；而再向上游查到函数404RG_CH时（该函数用途是将-5～3.5 m的水位转化为0～100%比例）发现其输入分辨率为小数点后3位，但输出分辨率为小数点后1位，即输入输出分辨率不一致。这将导致输入该函数的水位变化不能及时反映到输出的比例结果上。所以输出分辨率不够，是导致下游累积到一定变化量后发生阶跃变化的原因。将RCP404RG_CH的输出分辨率改到小数点后3位，其输出的精度足够高之后，实际控制效果见图5的右部分，PID输出器和实际水位的毛刺变化均已消失。至此稳压器水位控制的调节品质已达到满意。

四、水位串级调节的调试总结

结合海南昌江1号机组工程实践，首先对串级水位PID控制器的控制原理，以及IA平台中的调节阀无扰切换、内外给定值的控制思路进行讲解。而在本次调试实践中的得出的经验是，PID调节中不可过于强调PID的3个参数的重要性而忽略控制结构的重要性，因为参数调整和结构调整二者对控制品质的影响有时不能相互代替。比如在副调节器（内环）的调节中，手动固定外环即主调节器的输出并给出一个阶跃，观察1RCV046VP的输出信号的超调和响应时间结果满意，积分也可以将静差也完全消除；但将外环主PID投入环路后，无论根据设计院给定的参数，还是根据控制器与系统动态性能和稳态性能的定性关系来反复调节P、I参数，都无法消除等幅振荡以及无扰切换时的扰动。最终通过PID的结构检查和调整，才消除了上述问题。调试过程中积累了很多DCS平台下PID调节的宝贵经验，比如可以得出结论，IA平台DCS的PID设计中不应既有下游模块的反演算BCALCI又有TRACK的双跟踪，此外也加强了对控制模块分辨率以及无扰切换的重要性的理解。文中经验也将对今后核电中各系统PID调节水平提高有一定的帮助。