劉建閣,代 濤,張曉輝,劉 佳
(武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所,湖北 武漢 430064)
蒸汽發(fā)生器(SG)是連接壓水堆一、二回路的關(guān)鍵熱交換設(shè)備,用于將冷卻劑從堆芯帶出的熱量通過(guò)傳熱管傳遞給二回路側(cè)的水,并產(chǎn)出蒸汽,帶動(dòng)汽輪機(jī)做功。SG 的水位是自然循環(huán)蒸汽發(fā)生器中重要的控制參數(shù),水位的高低直接影響出口蒸汽品質(zhì)和安全運(yùn)行,通常正常運(yùn)行時(shí)通過(guò)水位控制系統(tǒng)(給水流量控制器) 來(lái)維持水位在整定值( 旋葉式分離器的中部),并依靠水位控制和調(diào)節(jié)器來(lái)確保在瞬態(tài)工況下水位維持在正常的范圍之內(nèi)。
如果SG 水位過(guò)高,飽和水會(huì)淹沒(méi)或局部淹沒(méi)干燥器,導(dǎo)致從SG 流出的蒸汽濕度過(guò)大,進(jìn)而引起汽輪機(jī)葉片的腐蝕或損壞;當(dāng)發(fā)生二回路側(cè)管道破裂事故時(shí),過(guò)高的水裝量可能造成堆芯過(guò)度冷卻引起反應(yīng)性增加事故。相反,如果SG 水位過(guò)低,二回路側(cè)不能充分冷卻一回路,會(huì)引起一、二回路負(fù)荷失配;過(guò)低的水位導(dǎo)致蒸汽進(jìn)入給水環(huán),在給水管道中會(huì)產(chǎn)生水錘危害;蒸汽區(qū)域覆蓋SG 部分傳熱管,引起傳熱惡化;循環(huán)倍率降低,上升通道中蒸汽含量過(guò)高會(huì)在管壁產(chǎn)生蒸汽膜和雜質(zhì)沉積,會(huì)發(fā)生傳熱管腐蝕的危險(xiǎn)。因此,SG 的水位直接影響SG 本身乃至核動(dòng)力裝置一、二回路系統(tǒng)的安全運(yùn)行。
SG 水位控制問(wèn)題一直是工業(yè)界和學(xué)術(shù)界研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。文獻(xiàn)[1] 針對(duì)小飽和自然循環(huán)蒸汽發(fā)生器水位控制系統(tǒng)的特殊性,列出了影響因素(給水流量、蒸汽流量、排污量、循環(huán)倍率、一回路平均溫度的變化、給水溫度變化、二次側(cè)壓力等),建立了相應(yīng)的模糊控制規(guī)則,應(yīng)用Simulink 對(duì)水位調(diào)節(jié)進(jìn)行仿真,驗(yàn)證了模糊控制應(yīng)用于水位控制性能。文獻(xiàn)[2] 介紹了自然循環(huán)SG 的運(yùn)行原理,分析了3 種常用的核電站SG 水位控制方式的特點(diǎn):1)大小流量分開(kāi)控制。小流量時(shí)由旁路調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié),大流量時(shí)旁路調(diào)節(jié)閥全開(kāi),主給水調(diào)節(jié)閥起作用。2)主從控制通道控制(串級(jí)控制)。水位調(diào)節(jié)采取串級(jí)控制方式,主通道為水位控制通道,從通道為流量控制通道。3)前饋控制。影響SG 水位變化的主要因素是負(fù)荷,即蒸汽流量,為了提高整個(gè)控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度,引入主要擾動(dòng)量——蒸汽流量作開(kāi)環(huán)控制,即前饋控制,蒸汽流量一旦變化,給水流量相應(yīng)地作出調(diào)整以避免水位大的變化。文獻(xiàn)[3] 認(rèn)為:SG 是一個(gè)高度復(fù)雜的非線性時(shí)變系統(tǒng),SG 在瞬態(tài)、啟動(dòng)和低功率運(yùn)行工況下的 “收縮” 與 “膨脹” 現(xiàn)象引起的逆動(dòng)力學(xué)效應(yīng)使SG 的水位控制變得復(fù)雜,可在傳統(tǒng)PID 控制方法基礎(chǔ)上,考慮模糊控制方法與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方法來(lái)提高控制系統(tǒng)的有效性。文獻(xiàn)[4] 提出了通過(guò)引入故障診斷和容錯(cuò)控制技術(shù)來(lái)確??刂葡到y(tǒng)在傳感器功能發(fā)生失效或者部分失效的情況下仍然能夠保持正常運(yùn)行、并將SG 的水位維持在設(shè)定值附近的一種方法。文獻(xiàn)[5 - 6] 針對(duì)SG 水位控制系統(tǒng)具有滯后、非線性、時(shí)變和干擾的不確定特點(diǎn),特別是在大蒸汽流量擾動(dòng)情況下 “虛假水位” 現(xiàn)象嚴(yán)重帶來(lái)的水位控制擾動(dòng)大特點(diǎn),提出了采用模糊控制方案來(lái)嘗試解決虛假水位帶來(lái)的控制問(wèn)題。文獻(xiàn)[7] 研究了SG 水位控制系統(tǒng)的控制器設(shè)計(jì)方法,運(yùn)用線性參數(shù)變化系統(tǒng)理論和Lyapunov 穩(wěn)定性理論設(shè)計(jì)了SG 水位控制系統(tǒng)的保性能控制器、狀態(tài)反饋控制器和輸出反饋控制器,驗(yàn)證了所提出控制方法的可行性。
上述研究主要集中在針對(duì)陸上大型自然循環(huán)SG 水位控制問(wèn)題,通過(guò)探索嘗試?yán)酶倪M(jìn)的水位控制器或者先進(jìn)控制理論來(lái)解決SG 水位控制非線性問(wèn)題、虛假水位問(wèn)題等,而針對(duì)小堆用小型自然循環(huán)SG 水位控制問(wèn)題的研究相對(duì)較少。由于小堆用途廣泛,負(fù)荷變化可能較大型SG 更為頻繁,因此,小堆SG 水位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更加需要詳細(xì)研究分析。
本文以海上小型壓水堆的小飽和自然循環(huán)SG 為研究對(duì)象,設(shè)計(jì)了SG 水位控制系統(tǒng),并選用RELAP5 系統(tǒng)程序[8],對(duì)所建立的SG 水位控制系統(tǒng)進(jìn)行研究,分析逐級(jí)階躍降升負(fù)荷(100%FP-90%FP-80%FP-70%FP-60%FP-50%FP-40%FP-30%FP-40%FP-50%FP-60%FP-70%FP-80%FP-90%FP-100%FP,F(xiàn)P 表示滿功率或滿負(fù)荷) 、 大幅度階躍降升負(fù)荷(100%FP-30%FP-100%FP)情況下SG 水位控制特性以及熱工參數(shù)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性,驗(yàn)證了水位控制方案的可行性, 從而用于指導(dǎo)小型壓水堆中自然循環(huán)SG 的水位控制系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)。
小飽和自然循環(huán)SG 水位控制系統(tǒng)基本要求如下:1)穩(wěn)態(tài)功率運(yùn)行工況下,可維持SG 水位在程序設(shè)定的目標(biāo)水位定值上,偏差要盡可能?。?)線性變負(fù)荷工況下,能自動(dòng)跟蹤5%FP/min 線性負(fù)荷變化,維持水位在預(yù)定的范圍之內(nèi);3)階躍變負(fù)荷工況下,水位控制系統(tǒng)能承受10%FP 階躍負(fù)荷變化,維持水位在預(yù)定的范圍之內(nèi);4)甩負(fù)荷工況下,水位控制系統(tǒng)、能承受預(yù)期階躍負(fù)荷變化( 在蒸汽旁通控制系統(tǒng)協(xié)助下),保持系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。其中,階躍負(fù)荷變化和甩負(fù)荷工況變化對(duì)控制系統(tǒng)的考驗(yàn)相對(duì)比較苛刻,理論上SG 水位控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)這2 種類型的工況,其他穩(wěn)態(tài)工況和線性變負(fù)荷工況均能夠?qū)崿F(xiàn)。本文重點(diǎn)分析階躍負(fù)荷變化工況下水位控制特性。
SG 水位控制系統(tǒng)原理如圖1 所示。SG 的水位調(diào)節(jié)通過(guò)控制進(jìn)入SG 的給水流量來(lái)實(shí)現(xiàn),給水流量的調(diào)節(jié)是由給水流量調(diào)節(jié)閥和給水泵轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn),蒸汽發(fā)生器的水位主要取決于給水流量、蒸汽流量、反應(yīng)堆冷卻劑溫度等。SG 水位控制原理如下:根據(jù)反應(yīng)堆冷卻劑平均溫度以及二回路壓力需求確定的SG 靜態(tài)特性曲線,確定出不同負(fù)荷下的SG 目標(biāo)水位設(shè)定值,將實(shí)測(cè)水位濾波后與目標(biāo)水位相比較,得出水位偏差;采用濾波后的蒸汽流量測(cè)量值表征實(shí)際負(fù)荷需求,將實(shí)際測(cè)量給水流量與實(shí)際負(fù)荷需求相比較得到流量偏差(也稱負(fù)荷偏差);最后將水位偏差與負(fù)荷偏差分別進(jìn)行比例運(yùn)算后相加從而得到總的偏差信號(hào),總偏差信號(hào)經(jīng)過(guò)PI 比例-積分運(yùn)算后得到需要調(diào)節(jié)的給水流量或者調(diào)節(jié)閥開(kāi)度信號(hào),最后調(diào)節(jié)閥門實(shí)現(xiàn)給水流量控制,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)SG 水位的控制。
根據(jù)SG 水位控制系統(tǒng)原理圖,可得到SG 的水位控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)。SG 水位和流量總偏差 ?E計(jì)算公式如下:
圖 1 SG 水位控制框圖Fig.1 SG level control block diagram
其中: L目標(biāo)為SG 的目標(biāo)水位; L測(cè)量為SG 的實(shí)測(cè)水位; M蒸汽為S G 的蒸汽流量( 負(fù)荷表征參量);M給水為SG 的實(shí)測(cè)給水流量; K1, K2為比例系數(shù);τ1,τ2為濾波時(shí)間常數(shù)。
最終SG 給水流量調(diào)節(jié)量或給水流量調(diào)節(jié)閥開(kāi)度Y計(jì)算公式如下:
其中: K3, K4為 比例系數(shù); T1為積分時(shí)間常數(shù)。
本文采用輕水堆熱工水力瞬態(tài)分析最佳估算程序RELAP5 對(duì)小型自然循環(huán)SG 運(yùn)行控制特性進(jìn)行分析。RELAP5 程序是美國(guó)核管會(huì)進(jìn)行輕水堆冷卻劑系統(tǒng)事故瞬態(tài)分析評(píng)審用最佳估算程序,它采用一維、瞬態(tài)、兩流體六方程模型來(lái)模擬輕水堆的熱工水力系統(tǒng)瞬態(tài)過(guò)程,RELAP5 程序建模具有高度的靈活、自由特性,它充分利用集總參數(shù)法并通過(guò)抓住主要熱工水力現(xiàn)象來(lái)模擬復(fù)雜而又龐大的壓水堆核動(dòng)力裝置一、二回路系統(tǒng),可對(duì)堆芯、蒸汽發(fā)生器、換熱器等設(shè)備進(jìn)行單獨(dú)的瞬態(tài)分析。
本文結(jié)合小型飽和自然循環(huán)SG 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、RELAP5 熱工水力瞬態(tài)分析程序建模原則[8],建立系統(tǒng)的RELAP5 計(jì)算節(jié)點(diǎn)模型,如圖2 所示。其中,控制體200,202,205,210,215,218,220 模擬SG 一回路側(cè)流體,201 模擬一次側(cè)流動(dòng)邊界條件;控制體248,252,254,256,258,262,264,266 模擬SG 二回路側(cè)流體,249,256 分別模擬二次側(cè)給水控制系統(tǒng)和蒸汽流量控制邊界條件;1-210 模擬傳熱管結(jié)構(gòu)材料;260 模擬汽水分離器部件。兩相流體計(jì)算模型選擇非均勻、非平衡態(tài)模型,忽略SG 向環(huán)境的散熱損失,不考慮SG 排污流量影響。將控制系統(tǒng)模型(即式(1)和式(2))輸入計(jì)算模型中。所用的邊界條件有:SG 一次側(cè)流量(各負(fù)荷下均為定值)、SG 一次側(cè)入口冷卻劑溫度(隨負(fù)荷變化而變化)、SG 一次側(cè)運(yùn)行壓力(各負(fù)荷均為定值)、SG 二回路側(cè)蒸汽流量(負(fù)荷表征參量,隨負(fù)荷變化而不同)、SG 二回路側(cè)給水流量(被動(dòng)變化量,隨負(fù)荷變化和水位控制而變化)。
對(duì)所建立的SG 水位控制系統(tǒng)進(jìn)行熱工水力瞬態(tài)特性研究,分析逐級(jí)階躍降升負(fù)荷、大幅度階躍降升負(fù)荷情況下SG 水位控制特性以及熱工參數(shù)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性,分析工況時(shí)間序列如表1 和表2 所示。
根據(jù)上述瞬態(tài)分析工況編寫RELAP5 程序計(jì)算分析卡片,研究了逐級(jí)階躍降升負(fù)荷、大幅度階躍降升負(fù)荷2 種極端工況下SG 水位控制特性以及熱工參數(shù)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性,分別給出了SG 關(guān)鍵熱工參數(shù)在劇烈負(fù)荷變化過(guò)程中的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性:蒸汽流量和給水流量、SG 水位、SG 循環(huán)倍率、SG 一次側(cè)冷卻劑溫度(SG 一次側(cè)入口冷卻劑溫度、SG 一次側(cè)出口冷卻劑溫度、SG 一次側(cè)冷卻劑平均溫度)和SG 熱負(fù)荷。
圖 2 SG 計(jì)算節(jié)點(diǎn)圖Fig.2 Calculation node diagram of SG
表 1 10%FP 逐級(jí)階躍降升功率計(jì)算時(shí)間表Tab.1 10%FP gradually step descending power and rising power calculation time table
表 2 大幅度階躍降升功率計(jì)算時(shí)間表Tab.2 Largely step descending power and rising power calculation time table
圖3 給出了負(fù)荷(蒸汽流量Qs)階躍變化過(guò)程中給水流量Qf 的瞬態(tài)響應(yīng)趨勢(shì)(歸一化參數(shù)值)??梢钥闯觯⒌乃豢刂葡到y(tǒng)模型計(jì)算得到的給水流量能夠快速跟蹤負(fù)荷的變化(階躍降功率、階躍升功率)。
圖 3 蒸汽和給水流量響應(yīng)Fig.3 Mass flow response of steam and feedwater
圖 4 SG 水位響應(yīng)Fig.4 Water level response of steam generator
圖4 給出了負(fù)荷(蒸汽流量Qs)階躍變化過(guò)程中SG 水位L(百分比)的瞬態(tài)響應(yīng)趨勢(shì)??梢钥闯?,所建立的水位控制系統(tǒng)模型基本上能夠維持SG 的水位在目標(biāo)值,但部分負(fù)荷工況下(60%FP)水位表現(xiàn)出一定程度波動(dòng)特征,百分比水位波動(dòng)范圍為49.5%~50.5%,相對(duì)目標(biāo)值50% 的相對(duì)誤差范圍為-1%~+1%,該誤差在工程可接受范圍之內(nèi)。該現(xiàn)象說(shuō)明,SG 的水位控制系統(tǒng)PID 參數(shù)并不一定隨著負(fù)荷的線性變化而能夠完美適用于各個(gè)給水流量控制。
圖5 給出了負(fù)荷(蒸汽流量Qs)階躍變化過(guò)程中SG 循環(huán)倍率Cr 的瞬態(tài)響應(yīng)趨勢(shì)(歸一化參數(shù)值),可以看出,隨著負(fù)荷的降低,自然循環(huán)SG 的循環(huán)倍率增大,這與SG 在不同負(fù)荷下的設(shè)計(jì)循環(huán)倍率基本一致,但部分負(fù)荷工況下(60%FP)循環(huán)倍率圍繞設(shè)計(jì)值表現(xiàn)出一定程度波動(dòng)特征,循環(huán)倍率波動(dòng)范圍為-1.7%~+1.7%,該誤差在工程可接受范圍之內(nèi)。循環(huán)倍率為被動(dòng)計(jì)算量,受水位影響因而在60%FP 負(fù)荷下表現(xiàn)一定程度波動(dòng)。
圖 5 SG 循環(huán)倍率響應(yīng)Fig.5 Circulation rate response of steam generator
圖 6 SG 一次側(cè)冷卻劑溫度響應(yīng)Fig.6 Coolant temperature response of steam generator primary side
圖6 給出了負(fù)荷(蒸汽流量Qs)階躍變化過(guò)程中SG 一次側(cè)冷卻劑溫度(入口冷卻劑溫度Tin、出口冷卻劑溫度Tout、冷卻劑平均溫度Tavg)的瞬態(tài)響應(yīng)趨勢(shì)(歸一化參數(shù)值)??梢钥闯觯谪?fù)荷變化過(guò)程中,SG 一次側(cè)冷卻劑以確定的主冷卻劑平均溫度控制靜態(tài)特性曲線規(guī)律而隨之變化,SG 入口冷卻劑溫度以設(shè)定變化規(guī)律隨之變化,SG 出口溫度和冷卻劑平均溫度能夠按照預(yù)期規(guī)律跟蹤并響應(yīng)(30%FP ~ 80%FP,主冷卻劑平均溫度線性增加;80%FP ~ 100%FP,主冷卻劑平均溫度維持不變)。
圖7 給出了負(fù)荷(蒸汽流量Qs)階躍變化過(guò)程中SG 熱負(fù)荷q 的瞬態(tài)響應(yīng)趨勢(shì)(歸一化參數(shù)值)??梢钥闯?,在負(fù)荷變化過(guò)程中,SG 熱負(fù)荷隨之變化,但部分負(fù)荷工況下(60%FP)SG 熱負(fù)荷表現(xiàn)出波動(dòng)特征,SG 熱負(fù)荷相對(duì)目標(biāo)值0.6 相對(duì)誤差范圍為-10%~+15%,該誤差相對(duì)較大。該現(xiàn)象說(shuō)明,受SG 水位波動(dòng)變化的影響,熱負(fù)荷的波動(dòng)很可能較大。因此,在設(shè)計(jì)水位控制系統(tǒng)時(shí),需要針對(duì)各個(gè)負(fù)荷狀態(tài)的控制特性進(jìn)行研究分析,以確??刂葡到y(tǒng)參數(shù)的有效性和適用性,避開(kāi)可能存在水位波動(dòng)的工況或者進(jìn)一步優(yōu)化控制系統(tǒng)參數(shù)。
圖 7 SG 熱負(fù)荷響應(yīng)Fig.7 Thermal power response of steam generator
圖8 給出了大幅度負(fù)荷(蒸汽流量Qs)階躍變化過(guò)程中給水流量Qf 的瞬態(tài)響應(yīng)趨勢(shì)(100%FP→30%FP→100%FP,歸一化參數(shù)值)??梢钥闯觯⒌乃豢刂葡到y(tǒng)模型計(jì)算得到的給水流量能夠快速跟蹤大幅度負(fù)荷的變化(階躍降功率、階躍升功率),給水流量波動(dòng)幅值較10%FP 逐漸階躍降升負(fù)荷過(guò)程稍偏大。
圖 8 蒸汽和給水流量響應(yīng)Fig.8 Mass flow response of steam and feedwater
圖9 給出了大幅度負(fù)荷(蒸汽流量Qs)階躍變化過(guò)程中SG 水位L(百分比)的瞬態(tài)響應(yīng)趨勢(shì)??梢钥闯?,所建立的水位控制系統(tǒng)模型能夠維持SG 的水位在目標(biāo)值,SG 水位的瞬態(tài)過(guò)程響應(yīng)幅值較10%FP 逐漸階躍降升負(fù)荷過(guò)程稍偏大。
圖 9 SG 水位響應(yīng)Fig.9 Water level response of steam generator
圖10 給出了大幅度負(fù)荷(蒸汽流量Qs)階躍變化過(guò)程中SG 循環(huán)倍率Cr 的瞬態(tài)響應(yīng)趨勢(shì)(歸一化參數(shù)值)。可以看出,隨著負(fù)荷的大幅度降低,自然循環(huán)SG 的循環(huán)倍率增大,這與SG 在不同負(fù)荷下的設(shè)計(jì)循環(huán)倍率基本一致,與SG 的運(yùn)行特性一致,受水位控制系統(tǒng)影響,SG 的循環(huán)倍率波動(dòng)幅值較10%FP 逐漸階躍降升負(fù)荷過(guò)程稍偏大。
圖 10 SG 循環(huán)倍率響應(yīng)Fig.10 Circulation rate response of steam generator
圖11 給出了大幅度負(fù)荷(蒸汽流量Qs)階躍變化過(guò)程中SG 一次側(cè)冷卻劑溫度(入口冷卻劑溫度Tin、出口冷卻劑溫度Tout、冷卻劑平均溫度Tavg)的瞬態(tài)響應(yīng)趨勢(shì)(歸一化參數(shù)值)??梢钥闯觯谪?fù)荷變化過(guò)程中,SG 入口冷卻劑溫度以設(shè)定變化規(guī)律隨之變化,SG 出口溫度和冷卻劑平均溫度能夠按照預(yù)期規(guī)律跟蹤并響應(yīng),冷卻劑溫度波動(dòng)幅值較10%FP 逐漸階躍降升負(fù)荷過(guò)程稍偏大。
圖 11 SG 一次側(cè)冷卻劑溫度響應(yīng)Fig.11 Coolant temperature response of steam generator primary side
圖12 給出了大幅度負(fù)荷(蒸汽流量Qs)階躍變化過(guò)程中SG 熱負(fù)荷q 的瞬態(tài)響應(yīng)趨勢(shì)( 歸一化參數(shù)值)。可以看出,在負(fù)荷變化過(guò)程中,SG 熱負(fù)荷隨之變化,受SG 水位波動(dòng)變化綜合影響,熱負(fù)荷的波動(dòng)較10%FP 逐漸階躍降升負(fù)荷過(guò)程小。可見(jiàn),在設(shè)計(jì)水位控制系統(tǒng)時(shí),對(duì)存在控制系統(tǒng)無(wú)法避開(kāi)的負(fù)荷工況時(shí),可以優(yōu)化避開(kāi)可能存在水位波動(dòng)的工況。
圖 12 SG 熱負(fù)荷響應(yīng)Fig.12 Thermal power response of steam generator
針對(duì)小型立式自然循環(huán)U 形管SG 所設(shè)計(jì)的水位控制系統(tǒng),進(jìn)行了10%FP 逐級(jí)階躍降升負(fù)荷、大幅度階躍降升負(fù)荷瞬態(tài)過(guò)程分析,研究結(jié)果表明:
1)所設(shè)計(jì)的水位控制系統(tǒng)以及PID 整定參數(shù)取值基本滿足功率運(yùn)行SG 負(fù)荷控制需求;
2)由于影響兩相流水位因素的多參數(shù)復(fù)雜性,使得某些負(fù)荷下水位控制系統(tǒng)帶有一定的非線性特征,在工程上標(biāo)定水位和給水流量時(shí)需要重點(diǎn)關(guān)注;
3)在設(shè)計(jì)水位控制系統(tǒng)時(shí),需要針對(duì)各個(gè)負(fù)荷狀態(tài)的控制特性進(jìn)行詳細(xì)研究分析,從而確??刂葡到y(tǒng)參數(shù)的有效性和適用性,避開(kāi)可能存在較大水位波動(dòng)的特殊工況點(diǎn)或者進(jìn)一步優(yōu)化控制系統(tǒng)參數(shù),以避免進(jìn)入復(fù)雜的、耦合控制系統(tǒng)在內(nèi)的流動(dòng)不穩(wěn)定區(qū)域;
4)本文研究結(jié)果可用于小堆用自然循環(huán)SG 的水位控制系統(tǒng)工程優(yōu)化設(shè)計(jì)。