張科，陳健華，陳麗

（上海核工程研究設(shè)計院，上海 200233）

基于Flowmaster-PID控制策略對核電站停堆冷卻系統(tǒng)溫度—流量耦合控制的研究

張科，陳健華，陳麗

（上海核工程研究設(shè)計院，上海 200233）

本文采用“Flowmaster”仿真軟件，運用復(fù)雜的PID控制策略，對CAP1000核電站中正常余熱排出系統(tǒng)（RNS）的溫度-流量耦合控制特性，進行了建模和仿真研究。通過仿真計算，獲得了與設(shè)計目標降溫速率一致的溫度變化曲線，并得到了熱交換器出口流量調(diào)節(jié)閥及旁通流量調(diào)節(jié)閥的開度變化曲線和流量分配曲線。通過觀察RNS泵的流量波動特性，對調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)頻率提出建議。研究結(jié)果可為CAP1000核電站的設(shè)計和調(diào)試運行提供技術(shù)支持。

停堆冷卻；PID控制；仿真計算

在以AP1000/CAP1000為代表的第三代非能動先進核電站中，正常余熱排出系統(tǒng)（RNS）的主要功能是為電廠提供停堆冷卻。為了能安全、有效地實現(xiàn)這一重要功能，需對RNS系統(tǒng)的流量和溫度進行耦合調(diào)節(jié)控制，即在保持系統(tǒng)流量穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，維持RCS系統(tǒng)的降溫速率在合適的范圍之內(nèi)。本文采用Flowmaster軟件，應(yīng)用PID控制策略，模擬了CAP1000核電站RNS系統(tǒng)工況下的溫度-流量耦合控制特性，從而為電站的調(diào)試和運行提技術(shù)支持。

1 仿真建模

1.1 RNS系統(tǒng)描述及仿真模型

RNS系統(tǒng)與停堆冷卻工況有關(guān)的工藝流程簡圖如圖1所示。RNS兩個序列同時投運，主系統(tǒng)的反應(yīng)堆冷卻劑進入RNS系統(tǒng)后，一部分經(jīng)過RNS熱交換器進行冷卻，另一部分流經(jīng)熱交換器的旁通管線后，與被冷卻的部分在出口三通處匯合，混合后的流體回到RCS系統(tǒng)。

采用Flowmaster中的瞬態(tài)換熱分析進行仿真，建模所用的元件達856個。仿真時對Flowmaster中水的物性參數(shù)作了擴展，元件的參數(shù)根據(jù)設(shè)計參數(shù)輸入。

1.2 關(guān)鍵控制策略

圖1 CAP1000-RNS系統(tǒng)流程簡圖

對RNS系統(tǒng)的溫度和流量進行耦合PID控制，RNS對主系統(tǒng)冷卻的目標降溫速率為允許的最大降溫速率（27．8℃/h）。分別控制每個序列的V006和V008閥門，在對V006進行控制時，先通過Guage元件測量泵入口的溫度變化率，并與Signal Generate元件中預(yù)設(shè)的降溫速率曲線作對比，若發(fā)現(xiàn)泵入口降溫速率偏小，則增大V006閥的開度，反之亦然。同理，對于V008閥門控制時，先測量泵入口的流量，并與預(yù)設(shè)的恒定流量值作比較，若發(fā)現(xiàn)流量偏小，則增大V008閥的開度，反之亦然。為了確保系統(tǒng)的總流量不變，并使系統(tǒng)的降溫速率盡可能達到最大允許降溫速率，兩個閥門的調(diào)節(jié)信息會進行反饋和迭代，在每一個時間步上得到收斂的結(jié)果后，再計算下一個時間步。

2 仿真結(jié)果分析

2.1 降溫速率曲線

計算獲得的主系統(tǒng)降溫速率曲線見圖2。從中可以看出，模擬得到的主系統(tǒng)降溫曲線與目標降溫曲線非常吻合。文中模擬了RNS投運2小時內(nèi)的溫度變化，隨著時間的進一步增加，由于熱交換器管側(cè)和殼側(cè)的溫差減小，實際的降溫速率會隨之下降，從而偏離最大降溫曲線。

圖2 計算的RCS降溫曲線與目標降溫曲線的對比

2.2 調(diào)節(jié)閥開度變化曲線

由于A序列和B序列是對稱的，故此處只給出A序列的調(diào)節(jié)閥開度變化曲線，詳見圖3、4。由圖可以看出，V006A和V008A的閥門開度呈現(xiàn)負相關(guān)的變化趨勢， V006A閥門的開度以接近二次曲線的方式增大。這主要是由于隨著時間的推進，在RNS熱交換器冷卻水供水溫度不變的前提下，冷熱流體的溫差減小，為了達到目標降溫速率，須增大V006A的開度以增加流經(jīng)RNS熱交換器的流量。同時，為了維持流經(jīng)RNS系統(tǒng)的流量恒定，須減小V008A閥門的開度。在兩小時以后，隨著時間的進一步推進，V006A的閥門開度將很快達到1．0，此后由于V006A無法繼續(xù)開大，系統(tǒng)的冷卻速率將會下降。

圖3 V006A閥門的開度變化

圖4 V008A閥門的開度變化

2.3 RNS熱交換器流量及旁通流量變化

圖5 、6給出了流經(jīng)V006A和V008A閥門的流量，通過與圖3、4相比較可以發(fā)現(xiàn)，流經(jīng)熱交換器的流量正比于閥門V006的開度，旁通流量正比于閥門V008的開度。

圖5 通過熱交換器流量

圖6 旁通流量

2.4 RNS泵的流量變化

泵流量變化曲線見圖7所示。計算得到的泵流量在恒定值附近波動，其波動幅值不大于2%。這是由于閥門調(diào)節(jié)導(dǎo)致的流量波動，故在實際調(diào)節(jié)的過程中，須合理設(shè)置調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)頻率，以免引起不必要的部件震動。

圖7 RNS泵的流量變化曲線

3 結(jié)語

本文應(yīng)用Flowmaster軟件，設(shè)置了合理的PID控制策略，成功模擬了CAP1000核電站的RNS系統(tǒng)在投運初期運行工況下的溫度-流量耦合控制特性。通過仿真計算，在確保系統(tǒng)總流量恒定的基礎(chǔ)上，獲得了與預(yù)期一致的系統(tǒng)降溫速率，同時得到了熱交換器出口流量調(diào)節(jié)閥以及旁通流量調(diào)節(jié)閥的開度曲線，并得到相應(yīng)的流量變化曲線。經(jīng)過統(tǒng)計泵的流量變化趨勢，提出了需要合理設(shè)置調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)頻率的建議。研究的結(jié)果可對電站的設(shè)計、調(diào)試及運行提供技術(shù)支持。

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1671-0711（2017）10（下）-0196-02