文献标识码：B文章编号：1003-0492（2025）07-076-06中图分类号：TP273

★王潇，吉一哲，王志嘉，鲁超，吴桂生，王森（北京广利核系统工程有限公司，北京100094）

关键词：VVER-1200；大气排放阀；PI控制器；电动调节阀；防扰动

VVER-1200堆型核电站是在VVER-1000堆型基础上改进设计而成的俄罗斯最先进的第三代核电技术^[1]。其单台机组设有四个主蒸汽回路，每台蒸汽发生器上设有一套主蒸汽阀站，由快速隔离阀、主蒸汽保护阀、大气排放阀（BRU-A）及大气排放阀的前置截止阀组成。BRU-A用于实现事故工况下（蒸汽压力异常增加和汽轮机负荷突然下降）^[2]向大气排放蒸汽，进而达到控制和稳定蒸汽发生器（SG）蒸汽管线压力的目的。其控制方案的可靠性、合理性对确保核电站的安全具有重要意义。

国内某VVER-1200堆型核电站首次采用了北京广利核系统工程有限公司供货的数字化控制系统（DCS）实现电站的保护和控制功能。面对VVER-1200堆型全新的BRU-A功能需求以及全新的仪控系统架构要求，制定安全、可靠的DCS控制方案是工程应用亟待解决的问题。本文通过对VVER-1200堆型核电站BRU-A功能需求的分析，结合仪控系统架构、功能分配以及DCS平台产品的特点，研究了适用于VVER-1200堆型大气排放阀的控制方案。

1　功能概述

1.1　大气排放阀控制功能需求

VVER-1200堆型核电站单机组配置四套电动调节型的BRU-A，分别安装在四个冗余蒸汽环路中。BRU-A包括四种控制模式，分别为蒸汽压力维持模式、冷却模式、手动调节模式和备用模式。

蒸汽压力维持模式是指在预期运行工况或事故工况下，通过调节BRU-A的阀门开度，将蒸汽排放至大气中，使SG蒸汽管线压力维持在预设的压力设定值（7.3MPa）。

冷却模式是指在事故工况下，通过设定一回路冷却速率（15℃/h，30℃/h，60℃/h），计算实时的压力设定值，调节BRU-A动作并排放蒸汽，从而达到冷却一回路的作用。

手动调节模式是指操作员通过人机接口装置，手动调节BRU-A开度，实现SG蒸汽压力控制。

当BRU-A不执行任何功能时，BRU-A前置截止阀处于关闭状态，BRU-A默认处于备用模式。备用模式下，当反应堆功率小于5%，BRU-A自动关闭；当反应堆功率大于5%，BRU-A处于50%开度状态。

1.2　仪控系统架构和功能分配

VVER-1200堆型核电站仪控系统包括反应堆保护系统（RPS）、安全相关正常运行仪控系统（SR NO I&C）、机组上层系统（UULS）、后备盘（SCP）、优先级驱动控制系统（PACS）等多个子系统。RPS、SR NO I&C以及PACS均包含四个冗余序列，用于实现不同环路BRU-A阀门的控制功能。其中，RPS每个序列由子组A和子组B两组冗余的控制器构成^[3]。仪控系统的实现原理如图1所示。

图1仪控系统架构

根据VVER-1200堆型核电站要求，BRU-A蒸汽压力维持模式控制功能和冷却模式控制功能分配在安全1级的RPS中实现，手动调节模式功能和备用模式控制功能分配在安全2级的SR NO I&C中实现。手动调节模式功能涉及的人机接口装置包括UULS和SCP，其中SCP的手动调节指令由PACS接收后转发至SR NO I&C。分配至不同安全等级系统中的功能通过PACS实现不同指令的优先级管理功能。

2　设计要求

BRU-A具有多种不同的控制模式，其功能分配在不同的仪控子系统中实现。控制方案设计时，不仅需要在不同子系统中分别采取措施实现调节阀的控制精度、故障安全要求，还需要考虑不同子系统指令的优先级处理。另外，功能的分散以及RPS子组A和子组B的冗余控制器的系统架构，增加了不同控制模式之间、冗余控制器之间无扰切换设计的难度。

结合VVER-1200堆型核电站仪控系统架构的特点、BRU-A调节阀的控制需求以及功能分配情况，我们对BRU-A控制方案的设计要求总结如下。

（1）控制精度要求

控制精度是保证调节性能的重要因素之一。为了避免因BRU-A控制精度误差过大导致蒸汽管线压力失去控制，RPS和SR NO I&C需要分别采取手段尽可能提高DCS的控制精度。

（2）故障安全要求

HAD102/10-2021要求^[4]，当某个仪控部件失电或出现故障时，系统应被置于一个预定状态下，这个状态应已被证明对于安全是可接受的。VVER-1200堆型核电站对仪控系统重要调节器控制逻辑的安全性提出了要求，在控制器停运后，调节器应避免误动和拒动^[5]。对于电动调节型的BRU-A，DCS在阀门调节过程中出现故障，应使阀门保持在当前状态，以避免阀门开度变化对蒸汽管线压力的影响。

（3）防扰动设计要求

BRU-A的蒸汽压力维持模式控制功能、冷却模式控制功能在RPS中实现，手动调节模式功能和备用模式控制功能在SR NO I&C实现，不同模式进行切换时，需要防止产生扰动。此外，由于RPS子组A和子组B为异步运行，且使用不同的传感器参数进行运算，同一时刻不同子组输出的调节指令可能存在差异。两个子组在同一时刻或相邻时刻输出不同的指令时，将影响阀门的调节效果，因此需要考虑子组A和子组B指令防扰动的措施。

（4）指令优先级要求

PACS接收来自RPS的自动调节指令和来自SR NO I&C的手动调节指令，并将最终的驱动指令发送至BRU-A的电动执行机构。HAD102/10-2021指出，如果一个设备既可以被保护系统驱动，也可以被其他较低安全等级的系统驱动，则来自保护系统的保护功能触发指令应优先驱动设备^[4]。当来自RPS的指令与来自SR NO I&C的指令产生冲突时，RPS指令应优先输出。

（5）定期试验要求

GB/T 5204-2021指出^[6]，设计应使安全系统具有进行功能试验的能力。BRU-A的自动调节功能属于安全系统的一部分，根据相关法规标准的要求，设计时应考虑定期试验的手段。

3　控制方案设计与实现

3.1　RPS自动调节功能

RPS实现BRU-A蒸汽压力维持模式和冷却模式下的自动调节功能。电动调节阀的自动调节，一般由DCS基于位置式PI控制算法计算出预期的阀位开度信号，通过模拟量信号（4～20mA）的形式输出至阀门的电动执行机构。执行机构通过内置的定位器装置，将接收到的模拟量信号转换为阀门的开关信号。该控制方式存在如下两个缺点：

（1）当DCS故障（如失电、信号断线）后，模拟量信号输出难以进行保持。

（2）位置式PI采用全量输出，需要充分考虑防积分饱和措施，以避免因逻辑设计不合理引起阀门误动作^[7]。

VVER-1200堆型核电站BRU-A的电动执行机构由DCS直接发送开、关指令进行控制，不再通过模拟量信号进行阀门开度调节。当DCS出现失电、模拟量输出信号断线等故障时，DCS不会发出控制指令，阀门可以维持在当前位置，避免产生误动作。此外，可以通过设置控制器输出模块的故障安全值，使DCS在诊断出自身故障时无控制指令输出。

在此基础上，RPS中考虑采用基于增量式PI算法的控制方法，通过控制量的增量判断阀门的动作方向。由于增量式PI的输出仅与当前偏差及前一个周期的偏差有关，不具有累积作用，可以有效避免系统因受到干扰或其他原因导致的积分饱和风险。

RPS基于增量式PI的自动调节功能由偏差计算模块、死区模块、增量式PI控制模块、脉冲步长设置模块组成，如图2所示。

图2自动调节功能模块

死区模块用于避免系统受微小扰动和噪声导致的过度响应和不必要的控制活动，提高了系统的稳定性。增量式PI控制模块根据控制偏差生成阀门的控制增量，根据控制增量的方向转化为开关量变宽脉冲指令。

控制增量生成的脉冲指令作用于电动执行机构时，需要考虑脉冲指令的持续时间。当指令持续时间极短时，电动执行机构很难进行响应，因此有必要对脉冲指令的最小步长进行设置。最小脉冲步长需要根据阀门动作的特性进行设置，避免因过长而影响控制精度。

此外，受系统干扰因素的影响，PI控制模块可能会输出与偏差预期动作方向相反的控制增量。在设置了最小脉冲步长的情况下，DCS可能在同一时刻会输出两个方向的指令，也有可能在正向指令完成后立即输出反向指令。这种不合适的指令将导致阀门频繁的反向切换动作，不仅影响调节效果，也会对电动执行机构、阀门的预期寿命造成不利影响。为了避免该问题，可以通过设置反向脉冲间隔时间，来屏蔽反向动作指令的影响。

工程实践证明，在机组工艺调试过程中，根据系统响应的实际情况选择合适的最小脉冲步长和反向脉冲间隔时间，可以有效提高调节过程的控制精度，改善调节效果。

3.2　SR NO I&C自动和手动调节功能

BRU-A备用模式下，SR NO I&C通过对BRU-A阀位的判断，生成0.1s长度的步进式脉冲指令并输出至PACS，驱动阀门动作并最终维持在关闭状态或50%开度状态。

BRU-A的手动调节指令通过人机接口触发。UULS是BRU-A手动调节的主要人机接口，支持慢开、慢关、快开、快关以及一键开关等多种不同的控制方式。SCP是应对UULS不可用的备用操作手段，配置常规硬件按钮。来自SCP的调节指令首先由PACS采集，然后通过通信方式发送至SR NO I&C。SCP调节指令支持点动调节和连续调节两种方式。来自UULS或SCP的手动调节指令通过SR NO I&C中的算法处理后，输出不同长度的调节指令至PACS。指令长度可根据调节的需要进行设置，以保证控制精度。

SR NO I&C出现故障时，由PACS对通信链路进行诊断，并通过预设的故障安全值将来自SR NO I&C的指令置为“0”（即无输出），确保BRU-A不受SR NO I&C故障的影响。

3.3　防扰动设计

（1）RPS中蒸汽压力维持模式和冷却模式的防扰动考虑

蒸汽压力维持模式和冷却模式应对不同的设计工况：蒸汽压力维持模式在BRU-A被激活时生效；冷却模式需要在BRU-A被激活的同时，叠加冷却模式信号被自动或手动触发的情况下生效。

BRU-A处于蒸汽压力维持模式时，RPS根据当前SG蒸汽管线压力与压力设定值的偏差进行计算并驱动阀门动作，将SG蒸汽压力稳定在7.3MPa。此时如切换至冷却模式，用于PI计算的压力设定值将在当前SG蒸汽管线压力或7.3MPa（两者取小值）的基础上进行减少，切换过程中无扰动风险。

当冷却模式的自动或手动触发条件消失时，允许手动对冷却模式信号。如果复位时当前SG蒸汽管线压力大于7.7MPa，则自动切换至蒸汽压力维持模式。RPS采用7.3MPa的压力设定值进行计算，BRU-A阀门继续开启以降低SG压力，切换过程无扰动风险。如果复位时SG蒸汽管线压力低于7.6MPa，则BRU-A激活信号也将同时被复位。此时BRU-A前置截止阀被关闭，BRU-A进入备用模式，无需再考虑冷却模式向蒸汽压力维持模式的切换。

（2）SR NO I&C中备用模式和手动调节功能的防扰动考虑

BRU-A备用模式下，由SR NO I&C判断当前阀位，生成驱动信号维持阀门处于关闭或50%开度状态。此时BRU-A的前置截止阀处于关闭状态，BRU-A并不执行任何功能，因此无需操作员通过UULS或SCP对阀门状态进行干预。此外，操作员能否发出手动调节指令，将受到UULS/SCP中开环控制信号是否激活的限制，因此由人员误触发手动指令导致阀门误动作的可能性极低。即便由于人因失误导致了手动指令触发，备用模式下阀门的动作也不会造成任何后果。

（3）RPS自动指令与SR NO I&C手动指令的防扰动考虑

SR NO I&C中备用模式仅用于BRU-A在未执行功能时的初始位置设置，无需考虑与RPS指令之间的干扰。因此，仅需要考虑RPS中受蒸汽压力维持模式/冷却模式生成的自动指令与SR NO I&C手动指令之间的防扰动措施。

RPS自动指令的生成受RPS中BRU-A激活信号/冷却模式信号的影响，而SR NO I&C手动指令的生成受SCP/UULS开环控制信号的影响，两者之间是相互独立的。RPS自动指令生效时，SR NO I&C的反向指令在PACS中被闭锁，RPS指令不会受到影响。但是，当压力偏差已达到预期的死区范围内，RPS将不再继续触发开、关指令。此时如果通过UULS或SCP触发手动指令，将对RPS的自动调节功能造成干扰。因此，可以考虑将RPS的BRU-A的激活信号发送至PACS或SR NO I&C，闭锁来自低级别系统的手动调节指令，防止非预期操作对电站的影响。当RPS中BRU-A激活信号/冷却模式信号不再生效时，RPS不再输出调节指令，阀门将保持在当前状态。由操作员触发的SR NO I&C手动指令可以在当前阀位开度基础上进行调节，不会出现扰动。

当BRU-A开度受SR NO I&C手动指令影响发生变化，进而导致SG蒸汽管线压力发生变化后，如果切换至蒸汽压力维持模式或冷却模式，RPS自动指令会在压力偏差作用下生效，可能引起SG蒸汽管线压力的波动^[8]。因此，操作员手动进行BRU-A激活操作前需要进行工况的确认，电站运行规程应考虑予以限制。

（4）RPS子组A指令和RPS子组B自动调节指令的防扰动考虑

为避免RPS子组A和子组B之间指令的干扰，考虑将其中一个子组作为主控制器，另一个子组作为备用控制器，主控制器故障后自动切换至备用控制器。

每个子组中分别对SG蒸汽管线压力信号的状态、仪控设备的状态（包括信号路径中采集、通信、处理和输出板卡状态）进行监测。当某一个子组出现异常状态或被旁通时，自动切换至另一个子组进行控制。同时，为便于维护以及系统初始化、故障恢复后主控制器的重新选择，考虑设置人机接口装置，为操作员提供手动选择主控制器的手段。由于增量式PI无累积作用，子组A和子组B之间无需进行调节阀位的跟踪。当主控制器异常导致切换时，BRU-A将保持在原位，不受切换过程的影响。备用控制器投入控制后，在阀门原先位置的基础上进行调节。以RPS子组A为例（子组B与子组A类似），切换方案如图3所示。

图3RPS子组A和RPS子组B切换方案

3.4　指令优先级

根据VVER-1200堆型核电站仪控系统的安全分级，RPS安全分级为1级，SR NO I&C安全分级为2级，RPS指令优先级高于SR NO I&C指令^[9]。指令的优先级选择通过PACS中的设备接口模块实现，当RPS指令存在时，来自SR NO I&C的反向指令被闭锁输出。

3.5　定期试验

BRU-A自动调节功能的定期试验可以采用传统的分段交迭的方式进行覆盖，包括传感器输入通道验证、控制器逻辑功能验证以及驱动输出回路验证三个部分^[10]。

传感器输入通道验证和控制器逻辑功能验证可以采用主控制器和备用控制器切换的方式，分别对子组A和子组B进行验证，避免定期试验导致阀门动作。对于RPS输出至现场执行机构的驱动输出回路，由于驱动指令为开关量信号，无需通过改变输出电流值使阀门产生实际动作来进行验证。为了避免阀门因定期试验而产生实际动作，基于DCS平台产品的功能，将BRU-A驱动输出回路验证细分为RPS至PACS的连接验证、PACS自诊断验证、PACS至电动执行机构回路验证，如图4所示。

RPS至PACS的连接验证通过在PACS中引入RPS子组A和子组B旁通信号，闭锁被旁通子组的驱动指令输出。两个子组分别进行验证，验证过程中处于非旁通状态的子组可以正常执行控制功能。

图4BRU-A驱动输出回路验证

PACS内部RPS指令的路径采用短脉冲激励以及闭锁输出的方式进行验证，在验证过程，PACS的输出短时间内被闭锁，以防止造成阀门动作。PACS至电动执行机构回路验证同样通过短脉冲信号激励的方式。为了避免造成阀门的真实响应，该短脉冲持续时间极短（如1ms），并通过限制输出回路电流的方式，使得试验激励信号无法驱动电动执行机构。

4　结论

针对VVER-1200堆型核电站BRU-A的控制需求，本文提出了基于国产DCS平台产品的控制方案，从自动、手动调节功能的实现、防扰动考虑、指令优先级和定期试验方面介绍了DCS控制方案的设计方法。该控制方案具有较高的实用价值，目前已成功应用于国内某VVER-1200堆型核电站项目，通过仿真验证，可以满足BRU-A的控制要求。同时，该控制方案也可以为核电站其它电动调节阀类执行器的控制方案设计提供借鉴和参考。

作者简介：

王　潇（1990-），男，安徽人，工程师，学士，现就职于北京广利核系统工程有限公司，主要从事核安全级仪控系统的设计工作。

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摘自《自动化博览》2025年7月刊