胡曉杰, 楊 婷, 錢 虹

(上海電力大學 自動化工程學院, 上海 200090)

直流蒸汽發(fā)生器(Once-Through Steam Generator,OTSG)是一體化反應堆的重要核動力裝置,具有體積小、傳熱效率高等優(yōu)點,國內外對其進行了廣泛研究和應用[1-5]。由于OTSG的二次側儲水容積較小,蓄熱能力較差,負荷變化對蒸汽壓力的影響非常顯著;而且蒸汽發(fā)生器過冷、蒸發(fā)、過熱等各區(qū)段之間沒有固定的分界線,不論是一次側還是二次側的擾動,都會導致蒸汽溫度的變化,因此對OTSG控制的要求較高。

目前大多采用三沖量控制方法或在此基礎上加入智能控制算法來控制給水,進而保持OTSG蒸汽壓力不變[6-12]。這樣的控制方法會使OTSG蒸汽的過熱度發(fā)生波動,且波動幅度較大。文獻[12]通過控制主蒸汽閥門來控制OTSG蒸汽壓力,但蒸汽過熱度仍會發(fā)生波動。蒸汽過熱度過高,會導致蒸汽管道和汽輪機高壓缸損壞;蒸汽過熱度過低,則會降低熱力循環(huán)效率,并使汽輪機末級部分的蒸汽濕度變大[13];并且如果只控制主蒸汽壓力,蒸汽過熱度會發(fā)生變化,導致無法確定達到穩(wěn)態(tài)時的電功率與負荷設定值是否相匹配。因此,需要同時保持OTSG的蒸汽壓力和過熱度不變。

針對上述問題,本文設計了OTSG蒸汽壓力和過熱度控制策略。通過設計三沖量給水控制系統(tǒng)控制主給水閥,跟蹤OTSG蒸汽過熱度設定值。采用單回路加前饋控制的方法控制主蒸汽閥門,跟蹤OTSG蒸汽壓力設定值。最后,仿真實驗結果證明了該策略對OTSG具有較好的控制效果。

1 OTSG工作機理及模型建立

1.1 OTSG工作機理

套管式OTSG分為內管和外管,其管道排列方式和傳熱形式如圖1所示。

由圖1(a)可以看出,一回路冷卻劑從內管內部和外管外部流過,二回路給水從內管與外管之間的環(huán)形流道流過[4]。這使得OTSG可以實現雙面加熱,換熱效果非常好。當兩側的冷卻劑密度相等時,換熱效果最好[14]。

由圖1(b)可以看出,OTSG分為過冷段、蒸發(fā)段、過熱段3個階段。過冷段,將過冷水加熱到飽和狀態(tài),含汽率x=0;蒸發(fā)段,將飽和水加熱到飽和蒸汽,0

圖1 套管式OTSG的管道排列方式和傳熱形式

1.2 模型建立

使用熱工水力程序建立OTSG模型,其中采用的質量方程、能量方程和動量方程如下。

質量方程為

(1)

式中:D——實微分;

m——質量,kg;

t——時間;

V——體積控制體;

I——邊界總數;

qm,i——第i邊界處的質量流量,kg/s。

能量方程為

(2)

式中:U——內能,J;

ui——比內能,J/kg。

動量方程為

(3)

式中:υ,υi——速度,m/s;

fk——加速度,m/s2;

k——作用在質量流體上的力的種類。

程序針對兩相列出了上述質量方程、能量方程和動量方程,根據上述方程可以計算出OTSG二次側相溫度、空泡份額、壓力等。

本文建立的OTSG模型如圖2所示。由于OTSG二次側同時存在液相和汽相,并且在液相轉化為汽相過程中容易造成質量流量的不穩(wěn)定,因此將OTSG一次側和二次側各劃分為22個控制體。圖2中110P和210P控制體分別表示OTSG一次側和二次側,在給水入口和蒸汽出口分別給出二次側溫度、壓力和流量邊界條件。

圖2 OTSG模型示意

1.3 穩(wěn)態(tài)工況結果

在建立上述模型的基礎上,給定邊界條件如下:OTSG二次側入口給水溫度為140.35 ℃,壓力為4.538 MPa,給水流量為165.7 kg/s,出口蒸汽溫度為291 ℃(蒸汽過熱度為33 K),蒸汽流量為165.7 kg/s。通過模型的穩(wěn)態(tài)運算,得到結果如圖3所示。由圖3可以看出,OTSG蒸汽壓力穩(wěn)定在給定邊界條件值,誤差為零;過熱度為33.8 K,誤差為0.8 K,在允許范圍內;蒸汽流量為165.7 kg/s,誤差為零;蒸汽空泡份額為1,說明蒸汽為過熱蒸汽。熱工參數均符合要求,建立的OTSG模型合理有效。

圖3 OTSG模型穩(wěn)態(tài)工況運算結果

2 OTSG控制策略

OTSG的控制原理如圖4所示。圖4中,F(p)表示由蒸汽壓力p及其對應的飽和溫度擬合出的函數;F(h)為關于比焓h的函數。

圖4 OTSG控制原理

2.1 蒸汽壓力控制策略

OTSG蒸汽壓力控制采用單回路控制方法。為了使主蒸汽閥更好地跟蹤負荷變化,采用目標負荷作為前饋值。蒸汽壓力控制采用PI控制,控制原理如圖5所示。其回路如圖4中蒸汽壓力控制模塊所示。

圖5 OTSG蒸汽壓力控制原理

根據蒸汽壓力設定值和測量值,通過PI控制器計算得到流量需求變化值;將該變化值與目標負荷計算得到的流量值求和,得到蒸汽流量需求量,并傳輸至主蒸汽閥調節(jié)單元;主蒸汽閥調節(jié)單元根據蒸汽需求量來調節(jié)閥門開度。

2.2 蒸汽過熱度控制策略

OTSG蒸汽過熱度控制采用三沖量控制方法,將蒸汽溫度、蒸汽流量、主給水流量作為輸入量,主給水閥調節(jié)開度作為輸出量,并且采用PI控制,控制原理如圖6所示。其回路如圖4中蒸汽過熱度控制模塊所示。

圖6 OTSG蒸汽過熱度控制原理

利用蒸汽溫度和蒸汽壓力對應的飽和溫度的溫差值表示當前的蒸汽過熱度,給水流量作為反饋量,蒸汽流量作為前饋量。其中,將蒸汽流量作為前饋量可以快速克服負荷變化對蒸汽過熱度的影響。

將PI控制器計算得到的值與蒸汽流量和給水流量之間的差值進行求和,所得到的和值傳輸至主給水閥調節(jié)單元,計算得出主給水閥門開度值。主給水閥調節(jié)單元根據給水需求來改變閥門開度。

3 仿真分析

3.1 構建仿真系統(tǒng)

在MATLAB/Simulink平臺構建仿真系統(tǒng),并與一體化反應堆仿真平臺連接,如圖7所示。一體化反應堆仿真平臺是基于OTSG模型搭建的,MATLAB/Simulink通過OPC(OLE for Process Control)可以與一體化反應堆仿真平臺互相傳輸數據,進而形成閉環(huán)回路。通過OPC讀取蒸汽壓力、蒸汽溫度、蒸汽流量、給水流量和目標負荷的值,仿真機中的目標負荷是根據負荷設定值和負荷升降速率計算得出。將主蒸汽閥門開度和主給水閥開度值通過OPC寫進仿真平臺。

圖7 OTSG控制仿真示意

3.2 仿真結果及分析

大型壓水堆蒸汽發(fā)生器的主蒸汽壓力波動為:上限增加不超過10%,下限降低不超過3.035%[15-16]。目前,一體化反應堆OTSG控制仍處于研究階段,尚未有明確的壓力和過熱度波動比例評價標準,同時也沒有達到目標穩(wěn)態(tài)所用時間的評價標準。因此,本文采用大型壓水堆的評價標準作為OTSG控制性能的評價標準。

改變蒸汽過熱度和壓力設定值,以驗證OTSG蒸汽壓力和過熱度控制策略的可行性,OTSG跟蹤設定值的變化曲線如圖8所示。蒸汽壓力和蒸汽過熱度原先設定值分別為4.538 MPa和33 K,在140 s時變?yōu)?.560 MPa和38 K。由圖8(a)可以看出,在3 000 s時蒸汽壓力跟蹤到設定值,穩(wěn)態(tài)誤差為零。由圖8(b)可以看出,在1 627 s時蒸汽過熱度跟蹤到設定值,最大超調量為0.56 K,穩(wěn)態(tài)誤差為零。因此,OTSG蒸汽壓力和過熱度控制策略的設計合理,同時控制OTSG蒸汽壓力和過熱度是可行的。

圖8 OTSG跟蹤設定值變化曲線

負荷從100%下降至80%時,主蒸汽壓力和過熱度變化曲線如圖9所示。由圖9可以看出,在3 000 s時蒸汽壓力穩(wěn)定到設定值,超調量為0.092 MPa,穩(wěn)態(tài)誤差為零;在1 150 s時蒸汽過熱度穩(wěn)定到設定值,超調量為0.5 K,穩(wěn)態(tài)誤差為零。也就是說,在降負荷情況下,OTSG蒸汽壓力和過熱度的調節(jié)時間、超調量都在要求范圍內,且最終都可以穩(wěn)定到設定值。負荷突然下降時,蒸汽流量增加,導致壓力升高,蒸汽從OTSG一次側吸收的熱量減少,過熱度降低。當壓力升高時,主蒸汽閥門開度變大,減小蒸汽流量;當壓力降低時,主蒸汽閥門開度變小,增加蒸汽流量。當過熱度降低時,主給水閥門開度變小,減少給水流量,導致蒸汽流量減小,蒸汽從OTSG一次側吸收的熱量增加;當過熱度升高時,主給水閥門開度變大,增加給水流量,導致蒸汽流量增加,蒸汽從OTSG一次側吸收的熱量減少。分析表明,該控制策略在降負荷情況下的控制性能較好,可以較好地跟蹤蒸汽壓力和過熱度設定值。

圖9 負荷下降時蒸汽壓力和過熱度的變化曲線

負荷從80%升高至100%時,主蒸汽壓力和過熱度變化曲線如圖10所示。

圖10 負荷升高時蒸汽壓力和過熱度的變化曲線

由圖10可以看出,在2 500 s時蒸汽壓力穩(wěn)定到設定值,穩(wěn)態(tài)誤差為零;在610 s時蒸汽過熱度穩(wěn)定到設定值,超調量為0.34 K,穩(wěn)態(tài)誤差為零。也就是說,在升負荷情況下,OTSG蒸汽壓力和過熱度的調節(jié)時間、超調量同樣都在要求范圍內,且最終都可以穩(wěn)定到設定值。負荷突然增加時,蒸汽流量減少,導致壓力下降,蒸汽從OTSG一次側吸收的熱量增加,過熱度降低。當壓力降低時,主蒸汽閥門開度變小,增加蒸汽流量;當壓力升高時,主蒸汽閥門開度變大,減少蒸汽流量。當過熱度升高時,主給水閥門開度變大,增加給水流量,從而會增加蒸汽流量,蒸汽從OTSG一次側吸收的熱量減少;當過熱度降低時,主給水閥門開度變小,減少給水流量,從而會減少蒸汽流量,蒸汽從OTSG一次側吸收的熱量增加。分析表明,該控制策略在升負荷情況下的控制性能較好,可以較好地跟蹤蒸汽壓力和過熱度設定值。

4 結 語

本文設計了同時控制OTSG蒸汽壓力和過熱度的控制策略。根據套管式OTSG管道排列方式以及一回路冷卻劑和二回路給水之間的傳熱區(qū)段分析了OTSG的工作原理,利用熱工水力程序建立了OTSG模型。通過設計三沖量給水控制系統(tǒng)控制主給水閥門,采用單回路加前饋控制方法控制主蒸汽閥門,形成了對一體化反應堆OTSG的控制策略。在MATLAB/Simulink平臺中構建了控制策略的仿真系統(tǒng),仿真結果驗證了OTSG蒸汽壓力和過熱度控制策略的控制效果良好,可以滿足超調量和調節(jié)時間等控制性能要求,對于一體化反應堆核電站OTSG控制系統(tǒng)設計具有較高的參考價值。