超驰控制在核电厂液位控制中的应用

李树玲

（海南核电有限公司 海口）

一、引言

核电厂的生产工艺 ，除了要求控制系统在生产处于正常状态时能够克服外界干扰，平稳操作外，还必须考虑在事故状态下也能安全运行，即当工况异常时应该有一定保护措施。保护措施分为硬保护和软保护两类。硬保护措施就是当工况异常时发出声、光报警，由操纵员将控制器切换到手动，进行手动操作处理，或者是通过专设的连锁保护线路实现自动停，达到保护的目的，但对于整个机组运行来说，硬保护可能会造成经济损失；而软保护就是通过一个特定设计的选择性控制系统，在工况异常时，设备不需要自动停，由该选择性控制系统自动改变操作方式，使参数脱离极限值，并且当参数回复正常时，原控制系统自动恢复，避免设备停运。

二、超驰控制

超驰控制是软保护的一种，又称为取代控制、选择性控制，当自动控制系统接到事故报警、偏差越限、故障等异常信号时，超驰逻辑将根据事故发生的原因立即执行自动切手动、优先增、优先减、禁止增、禁止减等逻辑功能，将系统转换到预设定好的安全状态，并发出报警信号。

常规控制仪表构成的控制系统绝大部分缺少识别系统内外设备状态及信号品质的能力，只要输入端有偏差信号存在，控制器就会有相应的动作，而不管系统内部是否出现问题或者外部设备是否工作异常，有时甚至会出现控制偏离给定值的现象而造成事故。

超驰控制则能有效抑制上述不良后果。对内，它是监测自动控制过程的眼睛，随时都在监测自动控制回路中变送器信号的品质、输入和输出偏差限值等。如果控制仪表本身出现问题，控制回路失去了自动控制的基础条件，超驰控制将选择自动切手动的方式，切换控制回路的工作模式。对外，它是自动控制系统的安全转折器，若控制仪表一切正常，被控制的主辅设备发生异常，超驰控制将根据判定逻辑得出的结果决定自动控制系统的控制策略或运行方向，从而转入安全通道，脱离可能发生的危险工况。

三、超驰控制在系统中的作用

1.监测功能

超驰控制还可以监测参数偏差，在核电厂中用到的自动调节绝大多数都是闭环负反馈调节系统，通常又都是无差调节，在调节器增益确定的条件下，过程输入、给定值、输出信号和被调设备的反馈值偏差都应该在限定范围内，如果偏差越限，表示系统发生异常。偏差变大的监视主要是防范现场设备如变送器、一次元件和执行机构等发生故障或者调节器内部失灵而引发的系统失调。

超驰控制也可以监测设备状态变异。核电厂的自动调节系统是有条件的，工艺系统设备正常运转是自动调节投入的起码条件，设备未运行或者该运行的而没有运行，会被超驰逻辑认为是运行条件不符或设备状态异常，而及时采取超驰行动，防止自动调节系统异常导致的机组保护装置动作。

2.越权处理功能

当系统运行情况满足超驰条件时，超驰控制将夺取被监测的自动调节回路控制权，将控制方式从自动转为手动或者采取预先设定的安全工作方式。由此可见，超驰控制信号优先级高于主路控制。所以说超驰控制越权处理能力强，因为它是以自动调节系统正常运行时“发现异常、即时转换、保持稳定”为原则来设计工作结果，在系统出现异常，不能正常工作时，为使参数调节品质不再继续变坏，控制系统及时采取超驰控制，保证自动调节系统的使用安全。

比如前面提到的低压加热器水位的控制，当某列低加水位3高或者2高延迟3 s后，该加热器的紧急疏水阀超驰打开，将水排向凝汽器。如果没有超驰控制的越权处理，那么加热器水位高出限值的情况将会进一步恶化，甚至有可能导致全部低加集体解列，进而危害机组运行安全及经济性。

四、应用实例

1.昌江核电厂简介

2010年4月25日，海南核电有限公司建设的海南昌江核电厂正式开工建设，厂址位于海南省昌江黎族自治县海尾镇塘兴村，濒临北部湾，可容纳建设四台大型核电机组，首期建设两台65万千瓦的CNP600压水堆核电机组。两台机组已分别于2011年12月28日和2012年9月25日实现反应堆厂房封顶。

2.凝汽器水位控制

（1）系统控制介绍

凝汽器有3个壳体，每个壳体之间由平衡管连通，从整体上看凝汽器构成了一式三套水位测量装置（004MN、008MN和012MN），每个水位计设有5个水位开关报警点：高高水位、高水位、低水位、低低水位、低低低水位。凝汽器水位的实测值由这3台水位计的测量值经平均后产生。而凝汽器的水位由2个补给水气动控制阀039VD（小流量控制阀）和035VD（大流量控制阀）控制，由控制阀控制进入凝汽器的补给水量，使水位保持在一个与负荷相关的整定值上，035VD和039VD电磁阀得电开阀，失电自动（ 图 1）。

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图1 凝汽器水位控制示意图

（2）超驰控制的应用

正常运行情况下，凝汽器水位调节采用分程控制：机组运行时先开启小流量控制阀039VD向凝汽器补水，当039VD的阀门开度达到70%以上时，逐步开启大流量控制阀035VD。

当凝汽器水位出现低低信号的异常工况时，035VD和039VD电磁阀得电，超驰控制介入，强制全开两个补水控制阀。进而避免凝汽器水位继续下降，导致连锁停运凝结水泵，为机组的稳定运行提供进一步的保障。

3.低压给水加热器的水位控制

（1）系统控制介绍

低压加热器的疏水分为正常疏水和紧急疏水，正常疏水采用逐级回流的方式返回凝汽器：3号低加正常疏水通过疏水控制阀（045VL～050VL）流向2号低加，2号低加的正常疏水通过疏水控制阀(030VL～032VL)流向1号低加，1号低加的正常疏水通过疏水控制阀（054VL～056VL）流向凝汽器。3级低加的紧急疏水均通过各自的紧急疏水阀（060VL～062VL、036VL～038VL、021VL～022VL）直接流向凝汽器。

（2）超驰控制的应用

正常工况下，正常疏水阀自动调节开度，维持水位；紧急疏水阀处于关闭状态。正常疏水阀及紧急疏水阀都是带有超驰电磁阀的调节型电动阀门，正常疏水阀（如054VL）的电磁阀是得电关闭调节阀，失电调节阀自动，失气调节阀关；而紧急疏水阀（如060VL）的电磁阀得电调节阀自动，电磁阀失电调节阀开，失气时调节阀开。

当某列低加水位高高高或者高高延迟3 s后，该加热器的紧急疏水阀的超驰电磁阀得电，打开紧急疏水阀门，并在调节回路中，将控制输出置为100%，将水排向凝汽器，维持加热器水位匹配整定值。

当3A低压加热器解列时，正常疏水阀050VL（至2A低加）、048VL（ 至 2B 低加）、046VL（ 至 2C低加）的超驰电磁阀得电，关闭正常疏水阀。同样的情况当3B低压加热器解列时正常疏水阀049VL、047VL及045VL的电磁阀得电，关闭疏水调节阀，以免已解列加热器中的水流向下一级。当1A&2A低压加热器解列时，正常疏水阀032VL的超驰电磁阀得电，关闭疏水阀032VL，并在调节回路中，将控制输出为0%。

4.高压加热器的水位控制

（1）系统控制介绍。高压加热器有二列50%容量的高压加热器组，No.5A、No.6A和No.7A三个高压加热器为A列，No.5B、No.6B和No.7B三个高压加热器为B列。正常运行时，各高压加热器的正常疏水控制阀和紧急疏水控制阀均由DCS实现自动控制功能。在加热器的正常疏水控制阀的疏水能力不足时，加热器内的水位将升高。当加热器内的水位≥紧急运行水位设定值时，紧急疏水阀开始工作。此时正常疏水控制阀全开，DCS自动控制紧急疏水控制阀的开度，保持加热器的水位为紧急运行水位值。

正 常 疏 水 阀（ 023VL、024VL、031VL、032VL、ADG013VL、ADG012VL） 和 紧 急 疏 水 阀（ 025VL、026VL、033VL、034VL、037VL、038VL）都是带超驰电磁阀的调节型气动阀门，根据相应高压加热器中的水位来调节常规疏水和紧急疏水的流量，调节功能由分散控制系统（DCS）实现（图2）。

正常运行时，高压加热器的紧急疏水控制阀全关，DCS自动控制正常疏水控制阀的开度，保持加热器的水位为正常运行水位值。

疏水流量调节采用单冲量PI调节回路。现场输入的3个水位信号先经信号鉴别模块判别信号的有效性。当检测到水位信号有效时，则该信号通过三取中模块，输入至PI控制模块，PI模块输出的控制信号经A/M站输出至执行器，通过对紧急疏水和常规疏水流量的控制来调节相应高压加热器中的水位；当检测到3个水位信号均故障时，或水位过程量与设定值偏差过大，或控制回路的输出与阀位反馈信号偏差过大时，发出报警信号，并通过逻辑回路将A/M站切换至手动。

图2 高压加热器水位控制流程图

（2）超驰控制的应用。当相应的高压加热器中的水位高高高延迟1 s后，或水位高高延迟3 s后，紧急疏水阀的超驰电磁阀得电，打开紧急疏水阀，并在调节回路中，将控制输出切为100%。

当7A、7B、6A、6B高压加热器中某个加热器解列或该列进水、出水电动阀均全关时，正常疏水阀（023VL、024VL、031VL、032VL）的超驰电磁阀得电，关闭正常疏水阀。并在调节回路中，将控制输出切为0%。

当相应的高压加热器解列或本列进水、出水电动阀均全关或除氧器水位高高或除氧器水位高高高时，5A、5B正常疏水阀（ADG013VL、ADG012VL）的超驰电磁阀得电，关闭正常疏水阀。并在调节回路中，将控制输出切为0%。

五、结论

核电厂的自动控制能够提高工作效率、优化工艺品质，但自动调节系统在综合判断能力方面仍比较薄弱，这就决定了当自动控制系统在工作时遇到突发情况，很难保证故障处置方向总是正确的，无疑选择使用自动控制的同时也带来了控制上的风险。

常规控制系统有时会出现控制偏离给定值的现象，有可能会使机组出现事故。而超驰控制则能有效抑制这种后果，如果被监测系统异常，超驰控制将通过超驰逻辑将控制导向更加安全的方向；若被控制的设备发生异常，超驰控制将根据预先设定的逻辑决定自动控制系统的控制策略或运行方向，从而将机组运行转入安全通道，脱离可能发生的危险工况。