文獻標識碼：B文章編號：1003-0492（2025）07-076-06中圖分類號：TP273

★王瀟，吉一哲，王志嘉，魯超，吳桂生，王森（北京廣利核系統工程有限公司，北京100094）

關鍵詞：VVER-1200；大氣排放閥；PI控制器；電動調節閥；防擾動

VVER-1200堆型核電站是在VVER-1000堆型基礎上改進設計而成的俄羅斯最先進的第三代核電技術^[1]。其單臺機組設有四個主蒸汽回路，每臺蒸汽發生器上設有一套主蒸汽閥站，由快速隔離閥、主蒸汽保護閥、大氣排放閥（BRU-A）及大氣排放閥的前置截止閥組成。BRU-A用于實現事故工況下（蒸汽壓力異常增加和汽輪機負荷突然下降）^[2]向大氣排放蒸汽，進而達到控制和穩定蒸汽發生器（SG）蒸汽管線壓力的目的。其控制方案的可靠性、合理性對確保核電站的安全具有重要意義。

國內某VVER-1200堆型核電站首次采用了北京廣利核系統工程有限公司供貨的數字化控制系統（DCS）實現電站的保護和控制功能。面對VVER-1200堆型全新的BRU-A功能需求以及全新的儀控系統架構要求，制定安全、可靠的DCS控制方案是工程應用亟待解決的問題。本文通過對VVER-1200堆型核電站BRU-A功能需求的分析，結合儀控系統架構、功能分配以及DCS平臺產品的特點，研究了適用于VVER-1200堆型大氣排放閥的控制方案。

1　功能概述

1.1　大氣排放閥控制功能需求

VVER-1200堆型核電站單機組配置四套電動調節型的BRU-A，分別安裝在四個冗余蒸汽環路中。BRU-A包括四種控制模式，分別為蒸汽壓力維持模式、冷卻模式、手動調節模式和備用模式。

蒸汽壓力維持模式是指在預期運行工況或事故工況下，通過調節BRU-A的閥門開度，將蒸汽排放至大氣中，使SG蒸汽管線壓力維持在預設的壓力設定值（7.3MPa）。

冷卻模式是指在事故工況下，通過設定一回路冷卻速率（15℃/h，30℃/h，60℃/h），計算實時的壓力設定值，調節BRU-A動作并排放蒸汽，從而達到冷卻一回路的作用。

手動調節模式是指操作員通過人機接口裝置，手動調節BRU-A開度，實現SG蒸汽壓力控制。

當BRU-A不執行任何功能時，BRU-A前置截止閥處于關閉狀態，BRU-A默認處于備用模式。備用模式下，當反應堆功率小于5%，BRU-A自動關閉；當反應堆功率大于5%，BRU-A處于50%開度狀態。

1.2　儀控系統架構和功能分配

VVER-1200堆型核電站儀控系統包括反應堆保護系統（RPS）、安全相關正常運行儀控系統（SR NO I&C）、機組上層系統（UULS）、后備盤（SCP）、優先級驅動控制系統（PACS）等多個子系統。RPS、SR NO I&C以及PACS均包含四個冗余序列，用于實現不同環路BRU-A閥門的控制功能。其中，RPS每個序列由子組A和子組B兩組冗余的控制器構成^[3]。儀控系統的實現原理如圖1所示。

圖1儀控系統架構

根據VVER-1200堆型核電站要求，BRU-A蒸汽壓力維持模式控制功能和冷卻模式控制功能分配在安全1級的RPS中實現，手動調節模式功能和備用模式控制功能分配在安全2級的SR NO I&C中實現。手動調節模式功能涉及的人機接口裝置包括UULS和SCP，其中SCP的手動調節指令由PACS接收后轉發至SR NO I&C。分配至不同安全等級系統中的功能通過PACS實現不同指令的優先級管理功能。

2　設計要求

BRU-A具有多種不同的控制模式，其功能分配在不同的儀控子系統中實現。控制方案設計時，不僅需要在不同子系統中分別采取措施實現調節閥的控制精度、故障安全要求，還需要考慮不同子系統指令的優先級處理。另外，功能的分散以及RPS子組A和子組B的冗余控制器的系統架構，增加了不同控制模式之間、冗余控制器之間無擾切換設計的難度。

結合VVER-1200堆型核電站儀控系統架構的特點、BRU-A調節閥的控制需求以及功能分配情況，我們對BRU-A控制方案的設計要求總結如下。

（1）控制精度要求

控制精度是保證調節性能的重要因素之一。為了避免因BRU-A控制精度誤差過大導致蒸汽管線壓力失去控制，RPS和SR NO I&C需要分別采取手段盡可能提高DCS的控制精度。

（2）故障安全要求

HAD102/10-2021要求^[4]，當某個儀控部件失電或出現故障時，系統應被置于一個預定狀態下，這個狀態應已被證明對于安全是可接受的。VVER-1200堆型核電站對儀控系統重要調節器控制邏輯的安全性提出了要求，在控制器停運后，調節器應避免誤動和拒動^[5]。對于電動調節型的BRU-A，DCS在閥門調節過程中出現故障，應使閥門保持在當前狀態，以避免閥門開度變化對蒸汽管線壓力的影響。

（3）防擾動設計要求

BRU-A的蒸汽壓力維持模式控制功能、冷卻模式控制功能在RPS中實現，手動調節模式功能和備用模式控制功能在SR NO I&C實現，不同模式進行切換時，需要防止產生擾動。此外，由于RPS子組A和子組B為異步運行，且使用不同的傳感器參數進行運算，同一時刻不同子組輸出的調節指令可能存在差異。兩個子組在同一時刻或相鄰時刻輸出不同的指令時，將影響閥門的調節效果，因此需要考慮子組A和子組B指令防擾動的措施。

（4）指令優先級要求

PACS接收來自RPS的自動調節指令和來自SR NO I&C的手動調節指令，并將最終的驅動指令發送至BRU-A的電動執行機構。HAD102/10-2021指出，如果一個設備既可以被保護系統驅動，也可以被其他較低安全等級的系統驅動，則來自保護系統的保護功能觸發指令應優先驅動設備^[4]。當來自RPS的指令與來自SR NO I&C的指令產生沖突時，RPS指令應優先輸出。

（5）定期試驗要求

GB/T 5204-2021指出^[6]，設計應使安全系統具有進行功能試驗的能力。BRU-A的自動調節功能屬于安全系統的一部分，根據相關法規標準的要求，設計時應考慮定期試驗的手段。

3　控制方案設計與實現

3.1　RPS自動調節功能

RPS實現BRU-A蒸汽壓力維持模式和冷卻模式下的自動調節功能。電動調節閥的自動調節，一般由DCS基于位置式PI控制算法計算出預期的閥位開度信號，通過模擬量信號（4～20mA）的形式輸出至閥門的電動執行機構。執行機構通過內置的定位器裝置，將接收到的模擬量信號轉換為閥門的開關信號。該控制方式存在如下兩個缺點：

（1）當DCS故障（如失電、信號斷線）后，模擬量信號輸出難以進行保持。

（2）位置式PI采用全量輸出，需要充分考慮防積分飽和措施，以避免因邏輯設計不合理引起閥門誤動作^[7]。

VVER-1200堆型核電站BRU-A的電動執行機構由DCS直接發送開、關指令進行控制，不再通過模擬量信號進行閥門開度調節。當DCS出現失電、模擬量輸出信號斷線等故障時，DCS不會發出控制指令，閥門可以維持在當前位置，避免產生誤動作。此外，可以通過設置控制器輸出模塊的故障安全值，使DCS在診斷出自身故障時無控制指令輸出。

在此基礎上，RPS中考慮采用基于增量式PI算法的控制方法，通過控制量的增量判斷閥門的動作方向。由于增量式PI的輸出僅與當前偏差及前一個周期的偏差有關，不具有累積作用，可以有效避免系統因受到干擾或其他原因導致的積分飽和風險。

RPS基于增量式PI的自動調節功能由偏差計算模塊、死區模塊、增量式PI控制模塊、脈沖步長設置模塊組成，如圖2所示。

圖2自動調節功能模塊

死區模塊用于避免系統受微小擾動和噪聲導致的過度響應和不必要的控制活動，提高了系統的穩定性。增量式PI控制模塊根據控制偏差生成閥門的控制增量，根據控制增量的方向轉化為開關量變寬脈沖指令。

控制增量生成的脈沖指令作用于電動執行機構時，需要考慮脈沖指令的持續時間。當指令持續時間極短時，電動執行機構很難進行響應，因此有必要對脈沖指令的最小步長進行設置。最小脈沖步長需要根據閥門動作的特性進行設置，避免因過長而影響控制精度。

此外，受系統干擾因素的影響，PI控制模塊可能會輸出與偏差預期動作方向相反的控制增量。在設置了最小脈沖步長的情況下，DCS可能在同一時刻會輸出兩個方向的指令，也有可能在正向指令完成后立即輸出反向指令。這種不合適的指令將導致閥門頻繁的反向切換動作，不僅影響調節效果，也會對電動執行機構、閥門的預期壽命造成不利影響。為了避免該問題，可以通過設置反向脈沖間隔時間，來屏蔽反向動作指令的影響。

工程實踐證明，在機組工藝調試過程中，根據系統響應的實際情況選擇合適的最小脈沖步長和反向脈沖間隔時間，可以有效提高調節過程的控制精度，改善調節效果。

3.2　SR NO I&C自動和手動調節功能

BRU-A備用模式下，SR NO I&C通過對BRU-A閥位的判斷，生成0.1s長度的步進式脈沖指令并輸出至PACS，驅動閥門動作并最終維持在關閉狀態或50%開度狀態。

BRU-A的手動調節指令通過人機接口觸發。UULS是BRU-A手動調節的主要人機接口，支持慢開、慢關、快開、快關以及一鍵開關等多種不同的控制方式。SCP是應對UULS不可用的備用操作手段，配置常規硬件按鈕。來自SCP的調節指令首先由PACS采集，然后通過通信方式發送至SR NO I&C。SCP調節指令支持點動調節和連續調節兩種方式。來自UULS或SCP的手動調節指令通過SR NO I&C中的算法處理后，輸出不同長度的調節指令至PACS。指令長度可根據調節的需要進行設置，以保證控制精度。

SR NO I&C出現故障時，由PACS對通信鏈路進行診斷，并通過預設的故障安全值將來自SR NO I&C的指令置為“0”（即無輸出），確保BRU-A不受SR NO I&C故障的影響。

3.3　防擾動設計

（1）RPS中蒸汽壓力維持模式和冷卻模式的防擾動考慮

蒸汽壓力維持模式和冷卻模式應對不同的設計工況：蒸汽壓力維持模式在BRU-A被激活時生效；冷卻模式需要在BRU-A被激活的同時，疊加冷卻模式信號被自動或手動觸發的情況下生效。

BRU-A處于蒸汽壓力維持模式時，RPS根據當前SG蒸汽管線壓力與壓力設定值的偏差進行計算并驅動閥門動作，將SG蒸汽壓力穩定在7.3MPa。此時如切換至冷卻模式，用于PI計算的壓力設定值將在當前SG蒸汽管線壓力或7.3MPa（兩者取小值）的基礎上進行減少，切換過程中無擾動風險。

當冷卻模式的自動或手動觸發條件消失時，允許手動對冷卻模式信號。如果復位時當前SG蒸汽管線壓力大于7.7MPa，則自動切換至蒸汽壓力維持模式。RPS采用7.3MPa的壓力設定值進行計算，BRU-A閥門繼續開啟以降低SG壓力，切換過程無擾動風險。如果復位時SG蒸汽管線壓力低于7.6MPa，則BRU-A激活信號也將同時被復位。此時BRU-A前置截止閥被關閉，BRU-A進入備用模式，無需再考慮冷卻模式向蒸汽壓力維持模式的切換。

（2）SR NO I&C中備用模式和手動調節功能的防擾動考慮

BRU-A備用模式下，由SR NO I&C判斷當前閥位，生成驅動信號維持閥門處于關閉或50%開度狀態。此時BRU-A的前置截止閥處于關閉狀態，BRU-A并不執行任何功能，因此無需操作員通過UULS或SCP對閥門狀態進行干預。此外，操作員能否發出手動調節指令，將受到UULS/SCP中開環控制信號是否激活的限制，因此由人員誤觸發手動指令導致閥門誤動作的可能性極低。即便由于人因失誤導致了手動指令觸發，備用模式下閥門的動作也不會造成任何后果。

（3）RPS自動指令與SR NO I&C手動指令的防擾動考慮

SR NO I&C中備用模式僅用于BRU-A在未執行功能時的初始位置設置，無需考慮與RPS指令之間的干擾。因此，僅需要考慮RPS中受蒸汽壓力維持模式/冷卻模式生成的自動指令與SR NO I&C手動指令之間的防擾動措施。

RPS自動指令的生成受RPS中BRU-A激活信號/冷卻模式信號的影響，而SR NO I&C手動指令的生成受SCP/UULS開環控制信號的影響，兩者之間是相互獨立的。RPS自動指令生效時，SR NO I&C的反向指令在PACS中被閉鎖，RPS指令不會受到影響。但是，當壓力偏差已達到預期的死區范圍內，RPS將不再繼續觸發開、關指令。此時如果通過UULS或SCP觸發手動指令，將對RPS的自動調節功能造成干擾。因此，可以考慮將RPS的BRU-A的激活信號發送至PACS或SR NO I&C，閉鎖來自低級別系統的手動調節指令，防止非預期操作對電站的影響。當RPS中BRU-A激活信號/冷卻模式信號不再生效時，RPS不再輸出調節指令，閥門將保持在當前狀態。由操作員觸發的SR NO I&C手動指令可以在當前閥位開度基礎上進行調節，不會出現擾動。

當BRU-A開度受SR NO I&C手動指令影響發生變化，進而導致SG蒸汽管線壓力發生變化后，如果切換至蒸汽壓力維持模式或冷卻模式，RPS自動指令會在壓力偏差作用下生效，可能引起SG蒸汽管線壓力的波動^[8]。因此，操作員手動進行BRU-A激活操作前需要進行工況的確認，電站運行規程應考慮予以限制。

（4）RPS子組A指令和RPS子組B自動調節指令的防擾動考慮

為避免RPS子組A和子組B之間指令的干擾，考慮將其中一個子組作為主控制器，另一個子組作為備用控制器，主控制器故障后自動切換至備用控制器。

每個子組中分別對SG蒸汽管線壓力信號的狀態、儀控設備的狀態（包括信號路徑中采集、通信、處理和輸出板卡狀態）進行監測。當某一個子組出現異常狀態或被旁通時，自動切換至另一個子組進行控制。同時，為便于維護以及系統初始化、故障恢復后主控制器的重新選擇，考慮設置人機接口裝置，為操作員提供手動選擇主控制器的手段。由于增量式PI無累積作用，子組A和子組B之間無需進行調節閥位的跟蹤。當主控制器異常導致切換時，BRU-A將保持在原位，不受切換過程的影響。備用控制器投入控制后，在閥門原先位置的基礎上進行調節。以RPS子組A為例（子組B與子組A類似），切換方案如圖3所示。

圖3RPS子組A和RPS子組B切換方案

3.4　指令優先級

根據VVER-1200堆型核電站儀控系統的安全分級，RPS安全分級為1級，SR NO I&C安全分級為2級，RPS指令優先級高于SR NO I&C指令^[9]。指令的優先級選擇通過PACS中的設備接口模塊實現，當RPS指令存在時，來自SR NO I&C的反向指令被閉鎖輸出。

3.5　定期試驗

BRU-A自動調節功能的定期試驗可以采用傳統的分段交迭的方式進行覆蓋，包括傳感器輸入通道驗證、控制器邏輯功能驗證以及驅動輸出回路驗證三個部分^[10]。

傳感器輸入通道驗證和控制器邏輯功能驗證可以采用主控制器和備用控制器切換的方式，分別對子組A和子組B進行驗證，避免定期試驗導致閥門動作。對于RPS輸出至現場執行機構的驅動輸出回路，由于驅動指令為開關量信號，無需通過改變輸出電流值使閥門產生實際動作來進行驗證。為了避免閥門因定期試驗而產生實際動作，基于DCS平臺產品的功能，將BRU-A驅動輸出回路驗證細分為RPS至PACS的連接驗證、PACS自診斷驗證、PACS至電動執行機構回路驗證，如圖4所示。

RPS至PACS的連接驗證通過在PACS中引入RPS子組A和子組B旁通信號，閉鎖被旁通子組的驅動指令輸出。兩個子組分別進行驗證，驗證過程中處于非旁通狀態的子組可以正常執行控制功能。

圖4BRU-A驅動輸出回路驗證

PACS內部RPS指令的路徑采用短脈沖激勵以及閉鎖輸出的方式進行驗證，在驗證過程，PACS的輸出短時間內被閉鎖，以防止造成閥門動作。PACS至電動執行機構回路驗證同樣通過短脈沖信號激勵的方式。為了避免造成閥門的真實響應，該短脈沖持續時間極短（如1ms），并通過限制輸出回路電流的方式，使得試驗激勵信號無法驅動電動執行機構。

4　結論

針對VVER-1200堆型核電站BRU-A的控制需求，本文提出了基于國產DCS平臺產品的控制方案，從自動、手動調節功能的實現、防擾動考慮、指令優先級和定期試驗方面介紹了DCS控制方案的設計方法。該控制方案具有較高的實用價值，目前已成功應用于國內某VVER-1200堆型核電站項目，通過仿真驗證，可以滿足BRU-A的控制要求。同時，該控制方案也可以為核電站其它電動調節閥類執行器的控制方案設計提供借鑒和參考。

作者簡介：

王　瀟（1990-），男，安徽人，工程師，學士，現就職于北京廣利核系統工程有限公司，主要從事核安全級儀控系統的設計工作。

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摘自《自動化博覽》2025年7月刊