李海寧,楊 宵,楊勇勇,方華建

(中核武漢核電運(yùn)行技術(shù)股份有限公司，湖北 武漢 430074)

蒸汽發(fā)生器是核電廠一、二回路之間重要換熱設(shè)備，它將堆芯產(chǎn)生的熱量傳遞給二回路系統(tǒng)給水，并產(chǎn)生蒸汽驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)做功發(fā)電。同時(shí)，由于一回路冷卻劑流經(jīng)堆芯具有放射性，蒸汽發(fā)生器承擔(dān)了防止二回路被污染的生物防護(hù)屏障[1]。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，蒸汽發(fā)生器水位過(guò)低將使管束傳熱惡化，導(dǎo)致U型管的頂部裸露，甚至可能導(dǎo)致給水出現(xiàn)水錘現(xiàn)象。反之，如果其水位過(guò)高，不僅因蒸汽的品質(zhì)而影響汽輪機(jī)正常工作和壽命，更易因事故工況下過(guò)大的冷卻而導(dǎo)致反應(yīng)性事故發(fā)生。在機(jī)組啟動(dòng)和停機(jī)過(guò)程中，水位異常引發(fā)機(jī)組跳堆通常占核電跳堆總數(shù)的70%左右[2]。因此將蒸汽發(fā)生器水位控制在安全范圍，對(duì)于壓水堆核電站安全、可靠、經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行，具有重要意義[3]。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)壓水堆蒸汽發(fā)生器水位控制研究頗多，主要集中在模型預(yù)測(cè)的控制技術(shù)及模糊控制技術(shù)：Ambos 等設(shè)計(jì)了基于H∞范數(shù)的非線性水位控制器解決了被控對(duì)象非線性問(wèn)題，陳瑩瑩采用不確定系統(tǒng)Riccati二次鎮(zhèn)定方程將不確定系統(tǒng)魯棒H∞控制問(wèn)題轉(zhuǎn)化為線性時(shí)不變的標(biāo)準(zhǔn)H∞控制問(wèn)題并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析[1]；何道俠著重分析了操縱員在低功率下對(duì)蒸汽發(fā)生器水位瞬態(tài)干預(yù)及手動(dòng)調(diào)節(jié)要領(lǐng)，提出蒸汽發(fā)生器水位風(fēng)險(xiǎn)控制建議[4]；鄧天等基于傳統(tǒng)PID控制技術(shù)利用模糊控制技術(shù)構(gòu)成模糊自整定PID控制器優(yōu)化蒸汽發(fā)生器水位控制設(shè)計(jì)[5]。楊柳拓展了由M. G. Na.提出的模型預(yù)測(cè)的控制方法對(duì)水位進(jìn)行控制并與多變量 PID 控制作對(duì)比[3]。

本文的研究立足于工程實(shí)際，根據(jù)國(guó)內(nèi)在建機(jī)組蒸汽發(fā)生器的水位控制策略，即在高功率下(大于等于18%滿功率)采用復(fù)合串級(jí)三沖量PID控制器，由主給水閥控制蒸汽發(fā)生器水位；在低于18%滿功率時(shí)由旁路調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)給水流量維持蒸汽發(fā)生器水位，此時(shí)相當(dāng)于單沖量的水位開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。

1 蒸汽發(fā)生器水位控制系統(tǒng)

本文利用已開(kāi)發(fā)完全某型百萬(wàn)千瓦級(jí)先進(jìn)壓水堆核電機(jī)組全范圍模擬機(jī)(FSS)開(kāi)展對(duì)蒸汽發(fā)生器水位特性的相關(guān)仿真研究。該全范圍模擬機(jī)中，電廠工藝系統(tǒng)采用中核武漢核電運(yùn)行技術(shù)股份有限公司自主開(kāi)發(fā)新一代仿真平臺(tái)Rinsim 2.0開(kāi)發(fā)，非安全級(jí)DCS采用全仿真的方式，安全級(jí)采用全模擬的方式，DEH采用翻譯的方式?；谠揊SS教員可開(kāi)展反應(yīng)堆各工況模擬培訓(xùn)考試、典型瞬態(tài)測(cè)試、實(shí)際機(jī)組DCS驗(yàn)證及優(yōu)化設(shè)計(jì)等工作。該FSS可模擬參考機(jī)組不同工況下蒸汽發(fā)生器水位特性。由于低功率模式下水位控制為開(kāi)環(huán)系統(tǒng)，本文只對(duì)閉環(huán)PID控制下水位進(jìn)行仿真研究，以此論證該控制系統(tǒng)整定參數(shù)的性能優(yōu)劣。

1.1 影響因素

蒸汽發(fā)生器是一、二回路傳熱紐帶，二回路給水通過(guò)傳熱管吸收冷卻劑熱量，在上升通道依次經(jīng)過(guò)過(guò)冷、飽和、蒸發(fā)、汽水分離等多種換熱形態(tài)，一、二回路中任何影響蒸汽發(fā)生器汽水質(zhì)量平衡、換熱及自然循環(huán)的因素都將影響蒸汽發(fā)生器水位，進(jìn)而對(duì)蒸汽發(fā)生器水位控制造成擾動(dòng)[4]。本文以某百萬(wàn)千瓦級(jí)核電機(jī)組模擬機(jī)的各功率平臺(tái)為初始條件，通過(guò)在二回路冷卻劑施加給水流量擾動(dòng)、蒸汽流量擾動(dòng)及給水溫度變化等手段實(shí)現(xiàn)蒸汽發(fā)生器水位控制特性研究。

1.2 調(diào)節(jié)控制要求

蒸汽發(fā)生器水位控制系統(tǒng)的任務(wù)是在正常運(yùn)行的各種工況下將水位維持在設(shè)定值的某一誤差范圍內(nèi)，一般技術(shù)要求為[6]：

1)在穩(wěn)態(tài)功率運(yùn)行工況下，維持蒸汽發(fā)生器水位在設(shè)定值上，穩(wěn)態(tài)偏差小于5%；

2)水位控制系統(tǒng)能承受±10%的給水流量，蒸汽流量階躍變化，水位最大超調(diào)量在±300 mm之內(nèi)；

3)在滿功率運(yùn)行時(shí)，能承受-50%負(fù)荷的階躍變化，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

2 蒸汽發(fā)生器水位數(shù)學(xué)模型及控制方案

2.1 SG水位數(shù)學(xué)模型

(1)

式中：H——SG水位，單位為mm；

S——拉普拉斯算子；

kp、k2——穩(wěn)態(tài)增益；

τ1、τ2、τ3——時(shí)間延遲，單位為s；

T1、T2、T4——時(shí)間常數(shù)。

式(1)各項(xiàng)意義如下：

第一項(xiàng)：SG給水流量變化導(dǎo)致蒸汽發(fā)生器水位變化，考慮了蒸汽發(fā)生器質(zhì)量容量，從而引起的容積效應(yīng)；

第二項(xiàng)：表示蒸汽發(fā)生器中蒸汽質(zhì)量變化引起的水位變化；

第三項(xiàng)：表示虛假水位的強(qiáng)度，T4為蒸汽發(fā)生器中混合物收縮/膨脹速率，在給水或蒸汽流量發(fā)生變化的短期內(nèi)，水位與長(zhǎng)期趨于穩(wěn)定時(shí)的變化方向相反。

2.2 PID控制方案

在變工況或者低負(fù)荷下，主控制器的微分作用會(huì)導(dǎo)致主給水閥門閥位頻繁波動(dòng)，響應(yīng)滯后，系統(tǒng)穩(wěn)定性差且靜差較大。同理，副控制器作為前饋調(diào)節(jié)，一旦主控制器輸出稍有變化，主給水調(diào)節(jié)閥也將大幅變化，這些對(duì)控制不利。因此主副控制器去掉微分環(huán)節(jié)，均選擇PI控制策略，如圖1所示。

3 蒸汽發(fā)生器水位動(dòng)態(tài)特性分析

核電站功率運(yùn)行、啟動(dòng)、熱備用、安全停堆直至正常預(yù)熱系統(tǒng)投入運(yùn)行，SG水位控制均必須處于可用狀態(tài)，以維持蒸汽發(fā)生器水位在安全區(qū)間范圍內(nèi)。本文在該全范圍模擬機(jī)上，分別在各穩(wěn)態(tài)功率平臺(tái)上觀察蒸汽發(fā)生器水位在給水流量、蒸汽流量及給水溫度等因素變化下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

圖1 蒸汽發(fā)生器水位控制系統(tǒng)框圖Fig.1 The block diagram of the steam generator water level control system

3.1 給水流量擾動(dòng)時(shí)水位動(dòng)態(tài)響應(yīng)

在FSS上運(yùn)行各穩(wěn)態(tài)功率平臺(tái)，1 min后在主調(diào)閥下游安全殼內(nèi)逆止閥上游加入10%給水流量階躍。將各功率臺(tái)階下的響應(yīng)曲線疊加(見(jiàn)圖2)，由圖可知，隨著運(yùn)行功率臺(tái)階提升，由于10%給水流量階躍增大，進(jìn)入蒸汽發(fā)生器給水流量也逐漸增大，降低了蒸汽發(fā)生器壓力，從而主蒸汽流量降低，然而此時(shí)水位“收縮效應(yīng)”不明顯，因而給水流量增加導(dǎo)致蒸汽發(fā)生器水位陡增；此后由于汽水不平衡及實(shí)際水位走高，引起主控制器動(dòng)作，主給水閥門開(kāi)度降低，直至達(dá)到新的平衡。仿真結(jié)果表明，在高負(fù)荷時(shí)由于引入主蒸汽流量作為前饋控制，對(duì)于克服“虛假水位”具有較好效果；在低負(fù)荷下，給水階躍擾動(dòng)疊加給水溫度低導(dǎo)致水位響應(yīng)更為復(fù)雜多變。

圖2 給水流量+10%擾動(dòng)Fig.2 The positive 10% disturbance of the feedwater flow

圖3 給水流量-10%擾動(dòng)Fig.3 The negative 10% disturbance of the feedwater flow

同理在主給水逆止閥上游插入破口，破口大小相當(dāng)于10%給水流量階躍。由圖3可知，故障插入后，由于給水流量向外泄露，水位呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，隨后由于汽水流量不平衡及實(shí)際水位持續(xù)走低，主給水閥逐漸增大，給水流量逐漸增大以彌補(bǔ)從破口流出的流量，直至穩(wěn)定到一個(gè)新的平衡狀態(tài)。由圖可知，隨著機(jī)組功率增大，10%給水?dāng)_動(dòng)引起水位偏差越大，偏差峰值“左移”，100%FP時(shí)水位最低到-282 mm；在100%FP負(fù)荷時(shí)，水位過(guò)渡持續(xù)時(shí)間較短，25%FP重新穩(wěn)定到0水位需要7～8 min,持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)。

3.2 蒸汽流量擾動(dòng)時(shí)水位動(dòng)態(tài)響應(yīng)

在FSS上運(yùn)行各穩(wěn)態(tài)功率平臺(tái)，插入TSA(Turbine By-pass System-A)大氣旁排閥誤開(kāi)故障，開(kāi)度大小定為當(dāng)前功率下10%額定流量，相當(dāng)于施加+10%蒸汽流量擾動(dòng)。由圖4可知，各功率平臺(tái)下蒸汽發(fā)生器水位呈現(xiàn)先上升后下降并逐漸穩(wěn)定于0水位現(xiàn)象；隨著負(fù)荷增大，水位偏差的峰值越大并且越快到來(lái)，這主要由于負(fù)荷較大時(shí)蒸汽流量擾動(dòng)及蒸汽發(fā)生器壓力變化對(duì)蒸汽發(fā)生器水位影響更為劇烈。水位初期增加蒸汽發(fā)生器“水位膨脹”現(xiàn)象，發(fā)生在給水閥調(diào)節(jié)動(dòng)作之前，水位瞬間上升；然后由于蒸汽流量大于給水流量，蒸汽發(fā)生器水位開(kāi)始下降，蒸汽發(fā)生器水位控制作用，閥門逐漸增大，給水流量增加，水位最后重新穩(wěn)定于程序整定0水位。由于高負(fù)荷時(shí)虛假水位膨脹強(qiáng)度影響，100%FP蒸汽發(fā)生器水位偏離較大，需要調(diào)節(jié)兩個(gè)振蕩周期完成調(diào)節(jié)；其他負(fù)荷時(shí)一個(gè)振蕩周期完成調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)質(zhì)量較好。

圖4 蒸汽流量+10%擾動(dòng)Fig.4 The positive 10% disturbance of the steam flow

圖5 蒸汽流量-10%擾動(dòng)Fig.5 The negative 10% disturbance of the steam flow

同樣，在主蒸汽母管上游施加-10%蒸汽流量擾動(dòng)。由圖5可知，在施加擾動(dòng)后，各功率平臺(tái)下蒸汽發(fā)生器水位呈現(xiàn)先下降后上升然后逐漸穩(wěn)定于0水位，水位變化與正擾動(dòng)相反；隨著負(fù)荷增大，水位“收縮”現(xiàn)象越明顯。這是由于負(fù)荷減少，蒸汽發(fā)生器壓力升高，下降通道中循環(huán)流量及再循環(huán)流量減少導(dǎo)致水位下降。該過(guò)渡過(guò)程之后，隨著主給水閥開(kāi)始調(diào)節(jié)逐步增大，主給水流量大于主蒸汽流量，水位逐步上升。

3.3 給水溫度擾動(dòng)時(shí)水位動(dòng)態(tài)響應(yīng)

在高壓給水加熱器系統(tǒng)仿真模型中通過(guò)改變換熱器傳遞到給水側(cè)的熱量，以此觀察給水溫度變化對(duì)蒸汽發(fā)生器水位影響。由于施加擾動(dòng)在高加處，給水溫度變化傳遞到蒸汽發(fā)生器需要90 s左右，對(duì)水位影響是個(gè)逐步過(guò)程。滿功率時(shí)，主給水溫度為226 ℃，以此為分界點(diǎn)分別考察218 ℃、222 ℃、230 ℃給水溫度變化對(duì)蒸汽發(fā)生器水位影響。由圖6可知，隨著給水溫度增加，120 s左右時(shí)蒸汽發(fā)生器水位在226 ℃上下分別呈現(xiàn)“膨脹”和“收縮”現(xiàn)象。這是由于當(dāng)溫低于226 ℃時(shí)，給水溫度降低使得下降通道過(guò)冷度增加，密度增大，水位降低，呈現(xiàn)“收縮”現(xiàn)象；另外上升通道中由于過(guò)冷度增加沸騰區(qū)減小，沸騰減弱，含汽量減小，導(dǎo)致兩相流動(dòng)加速，水位也會(huì)降低；含汽量減小使得再循環(huán)流量降低，使得水位進(jìn)一步降低[7]。隨后由于水位降低，給水調(diào)節(jié)閥開(kāi)度逐步開(kāi)大，水位重新穩(wěn)定在零水位。當(dāng)溫度高于226 ℃時(shí)的蒸汽發(fā)生器此時(shí)瞬態(tài)現(xiàn)象正好與“收縮”時(shí)的現(xiàn)象相反，蒸汽發(fā)生的水位呈現(xiàn)為“膨脹”。

圖6 給水溫度變化對(duì)水位影響Fig.6 The effect of feedwater temperature change on the steam generator water level

4 結(jié)論

本文從工程實(shí)際出發(fā)，利用國(guó)內(nèi)在建工程設(shè)計(jì)資料開(kāi)發(fā)的百萬(wàn)千瓦級(jí)先進(jìn)壓水堆核電機(jī)組全范圍模擬機(jī)(FSS)，采用常規(guī)的PID控制方案組態(tài)，從分析蒸汽發(fā)生器水位影響因素入手蒸汽發(fā)生器水位動(dòng)態(tài)特性仿真，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行機(jī)理解釋。仿真結(jié)果表明：

1)在蒸汽發(fā)生器水位閉環(huán)控制時(shí)，該機(jī)組模擬機(jī)能承受±10%給水流量和蒸汽流量階躍，水位最大超調(diào)量不超過(guò)283 mm；系統(tǒng)能較好的克服“虛假水位”現(xiàn)象，滿足蒸汽發(fā)生器水位控制技術(shù)要求。

2)驗(yàn)證了蒸汽流量階躍較給水流量階躍變化引起的“收縮”和“膨脹”現(xiàn)象更為強(qiáng)烈；給水?dāng)_動(dòng)時(shí)“虛假水位”峰值隨著負(fù)荷增大“左移”趨勢(shì)，這取決于給水流量擾動(dòng)大小及蒸汽發(fā)生器壓力變化速度；低負(fù)荷時(shí)給水流量擾動(dòng)導(dǎo)致蒸汽發(fā)生器水位過(guò)渡過(guò)程更長(zhǎng)，調(diào)節(jié)也更為復(fù)雜。

3)給水溫度變化，引起蒸汽發(fā)生器呈現(xiàn)“收縮”和“膨脹”現(xiàn)象；給水溫度過(guò)冷將增加低負(fù)荷時(shí)水位調(diào)節(jié)難度。