刘福瑞 秦虎成

摘要：压水堆核电站以含硼水作为冷却剂和慢化剂，随着水中硼浓度的升高，硼水易于出现结晶现象。为了维持硼水正常循环、防止硼结晶、加强对工艺管道或者设备防冻保护，需要设计电伴热系统实现这一目的，本文主要从基于FPGA控制的电伴热方案，对核电站电伴热系统的控制方案持续改进进行介绍。

关键字：电伴热、FPGA、温度开关

1 前言

压水堆核电站以含硼水作为冷化剂和慢化剂，核电站内有很多系统管道输送含硼水，各管道内的硼酸溶液浓度有所不同，随着硼水中含硼的浓度升高，硼水出现结晶的温度也相应升高，为了防止硼酸溶液的结晶，给硼酸溶液管道进行伴热至关重要。

核电站电伴热系统简称为RHT（Special Process Electrical Heat Tracing System）用来为硼溶液流过的部分管道、阀门和泵进行伴热，防止硼水结晶，同时还为部分工艺管道或设备提供防冻保护。

2 RHT系统控制原理

RHT系统由两个独立的伴热回路组成，正常回路和备用回路。正常回路和备用回路分别通过敷设在管道两端的双支铂热电阻检测管道表面及设备的温度信号，一路送给正常回路控制器，另一路送给备用回路控制器，由主备控制器发出控制信号，控制加热断路器的通断，来控制电加热元件电压，达到对管道进行伴热的目的，并显示温度。系统工作时，向正常和备用回路通电，每个管段的伴热回路将投入运行。正常回路（A）与备用回路（B）温度控制整定值之间的关系为：TBmin<TBmax=TAmin<TAmax。

正常运行工况下，热电阻测温并通过控制机柜控制伴热回路进行伴热。当管道表面温度达到高整定值（TAmax）时，控制机柜切断电源，管道温度降低到低整定值（TAmin）时，再给伴热元件通电。若系统发生故障，正常回路不能按要求运行，则当管道温度下降到TBmin时，接通备用回路。当温度超过 TAmin 时，相应的控制机柜关掉备用回路，备用回路的伴热元件停止通电。在TAmin 和TAmax 值之间，正常回路足以提供所要求的热量。

3 RHT系统控制方案

3.1温度开关控制方案

温度开关是机械式的自动控制温度的设备，当某个伴热回路的温度低于温度开关的低温度设定值时，该回路的温度开关闭合，送出控制信号至加热电路盘，加热电路盘内断路器闭合，该路对应的伴热元件开始通电加热。当温度高于温度开关高设定值时，温度开关断开，加热电路盘内断路器断开，伴热元件停止加热。温度开关控制方案详见图1。

温度开关控制方案采用热电偶作为测量元件，每个控制回路装有双支热电偶，一支传送至DCS用于温度值显示和报警，另一只用于现场就地显示箱显示。

在福清3/4号机组、方家山1/2号机组及岭澳二期以前核电项目硼伴热系统均采用温度开关控制方案。

优点：每个回路单独控制，避免回路之间相互影响;温度开关采用机械式，耐辐照性能较好，安装布置更灵活;控制方式简单，且不需要供电

缺点：采用分散控制，维护比较麻烦，使用的盘箱柜及电缆较多，温度开关普遍采用进口产品，成本高（1400万），供货周期长;温度开关的可靠性较差;调试比较麻烦，温度开关温度设定值易漂移;热电偶测温范围内测量精度较低;与DCS通讯都是靠硬接线完成，故障点较多。

为了实现公司“开源节流，降低成本，降本增效”的目标，在保证设计质量的前提下，基于冗余FPGA的控制方案势应运而生。

3.2 FPGA控制方案

为了解决温度开关控制方式的分散性及盘箱柜和电缆用量较大的弊端，现提出一种单体集中控制，分组分散控制的控制方案，该采用FPGA芯片作为核心，辅以温度控制模块，通讯模块、温度显示模块，数据分析模块、数据缓存模块等组成FPGA控制器。

FPGA，即现场可编程门阵列，它是作为专用集成电路领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。

3.3.1方案设计

该方案采用两个相同的冗余伴热回路，既正常回路和备用回路，两个回路间是实体隔离的。RHT系统采用分布式结构，分为现场控制层和现场设备层。

温度控制采用可编程逻辑门阵列（FPGA）技術，FPGA是通过硬件语言描述实现并行计算机功能的硬件电路。应用FPGA实现伴热回路的温度控制可以提高反应速度，降低延迟性等问题，同时FPGA可以根据现场需要进行修改，提高系统的灵活性。

温度控制系统通过管道上的PT100（RTD）采集实时温度，将采集到的温度信号通过A/D转换模块转换成数字量信号并传送给FPGA芯片， FPGA芯片对传送到的数字量信号进行逻辑处理，同时将采集到的温度信号与预设温度进行比较得出正确的比较结果，最后通过I/O口输出控制继电器的通断以控制伴热缆的启停。

3.3.2现场控制层

现场控制层由7个现场控制箱和1个交换机柜组成，每个现场控制箱备有14个回路，现场控制箱用于接收现场铂电阻温度信号，通过FPGA控制器对信号进行处理，实现对伴热元件供电的逻辑控制并通过网络发送温度信息到交换机柜。组合来自配电盘和现场控制箱的故障报警信号与指示信号后，经过网络上传到全厂DCS系统中。现场控制箱配有用于显示温度值、报警信息、故障信息的显示屏。

现场控制箱为伴热元件提供电源，现场控制箱接收来自配电盘的电源，并通过断路器控制分别向14个加热回路供电， FPGA输出控制信号驱动中间继电器实现伴热缆供电电源断通进行伴热控制，该中间继电器的动作闭合直接控制现场控制箱中的接触器控制线圈的通断，由此控制管道上伴热电缆供电系统的运行，实现将加热回路的温度控制在一定范围内。

现场控制箱的网络通讯功能，由FPGA的通讯模块实现，采用以太网通讯方式与交换机柜进行通讯。

交换机柜内配有PLC及相应IO、通讯模块、HMI，每个交换机柜通过多模光纤与现场控制箱相连，交换机柜通过1根多模光纤输出信号至DCS系统，实现了RHT系统现场信息到DCS系统的连通。人机交互界面（HMI）可显示7个现场控制箱98个通道的实时管道温度信息和所有报警信息。

交换机柜内PLC通过以太网通信接收来自现场控制箱的各回路温度数据和报警信息。交换机柜通过现场总线分别从各个现场控制箱搜集数据信息，然后通过光纤通信将各回路温度信号和报警信号送往DCS做系统画面显示。

3.3.3现场设备层

现场设备层包括配电盘、测温铂电阻和电伴热元件。配电盘给现场控制箱和交换机柜提供电源。铂电阻用于对被伴热管道表面温度测量。

电伴热元件用于给硼管道进行加热，此方案优化了电伴热元件供电电压等级。由PLC方案的7种电压等级，调整为2种电压等级，大大减少了伴热设计的计算工作量。

4 RHT系统控制方案的持续改进

RHT系统经历了温度开关、基于PLC、基于FPGA控制方案的历程，在优化设计过程中，解决了各种成本、质量、施工的问题，但是在不同的项目应用中也依然存在一些问题。根据伴热技术的发展和系统工艺要求，在后期可以改进以下几个方面：

1）由于现在使用的伴热缆采用氧化镁绝缘，在施工现场进行伴热缆连接时，容易使氧化镁受潮，降低伴热和绝缘效果，可以改进伴热缆绝缘物质，使伴热缆可以现场裁剪，而不影响伴热效果;

2）其次根据伴热系统伴热模式，控制器应能具有自动诊断功能;

3）优化伴热缆型号，争取将伴热缆型号由4个变为2个，统一电压等级，降低施工难度，减少业主备品备件数量。

5 结论

本文简要介绍了核电站中电伴热系统的特点，并详细分析了二代加、三代核电站中普遍采用的各种电伴热系统控制方案，通过分析总结出各控制方案的优缺点，结合当下控制、通讯、半导体新技术，提出一种用于核电站特殊工艺管线电伴热系统的控制方案，提出了未来电伴热系统设计的改进目标。希望对未来的电伴热系统设计能有一定的借鉴意义。

参考文献

汤吉星.基于PLC的核电厂硼伴热控制系统改造[J].电工技术，2020.