核動力蒸汽發生器水位的前饋反饋控制

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(1.中國艦船研究設計中心，武漢 430064;2.華中科技大學 能源與動力工程學院，武漢 430074)

U形管自然循環蒸汽發生器(steam generator, SG)是核動力艦船中連接一回路與二回路的樞紐設備。蒸汽發生器的水位必須控制在合理的范圍內，水位過高或過低都會影響核動力系統的安全穩定運行。采用文獻[1]提出的分段線性數學模型，在傳統PID控制[2-6]基礎上，設計一種SG水位的前饋反饋串級控制系統。

1 蒸汽發生器的簡化數學模型

自然循環蒸汽發生器的結構簡圖見圖1。

1-冷卻劑入口；2-入口腔室；3-U形管；4-汽水分離器；5-蒸汽出口；6-干燥器；7-給水口；8-出口腔室；9-冷卻劑出口

圖1蒸汽發生器結構示意圖

來自一回路的冷卻劑將從一回路帶來的熱量通過SG傳遞給二回路的汽輪發電機，SG二次側給水進入SG后，憑借自然循環壓頭的作用在環形通道內進行自然循環。假設一回路冷卻劑溫度等參數恒定不變，僅從質量平衡的角度出發，文獻[1]提出了SG的分段線性數學模型，見式(1)。

(1)

式中：Y——SG的水位；

G1——幅值；

G2——幅值;

τ2——阻尼時間常數；

T——振蕩周期;

τ1——阻尼時間常數；

Qfw、Qs——給水流量和蒸汽流量。

2 蒸汽發生器水位的動態特性

2.1 給水流量擾動下的動態特性

圖2為不同功率下，給水流量階躍變化時SG水位的動態響應。圖中縱坐標中0代表穩態時的相對值，不是真實值。當給水流量增加時，由于給水溫度比蒸汽發生器內的飽和溫度要低，在給水進入SG的初期首先吸熱，使得SG內的汽泡數量減少，導致SG水位下降，出現所謂的“虛假水位”現象。另一方面，隨著給水的增加，水位在達到最低點后會逐漸上升。在低功率下，SG的虛假水位現象要比高功率下的嚴重。這是因為低功率時流量相對較少，測量不夠準確，使得反饋信號作用受到限制。

圖2 給水流量階躍變化時SG水位的響

2.2 蒸汽流量擾動下的動態特性

圖3為不同功率下蒸汽流量階躍變化時SG水位的動態響應。當蒸汽流量增加時，SG內的汽相壓力降低，汽化強度增加，使得液相表面的汽泡體積迅速增加，導致水位的迅速增加，出現所謂的“虛假水位”現象。另一方面隨著蒸汽用量的增加，水位最終呈下降的趨勢。同樣，在低功率下SG的虛假水位現象要比高功率嚴重。

圖3 蒸汽流量階躍變化時SG水位的響

3 前饋反饋串級控制

反饋控制系統主要是根據被控量和給定值的偏差信號來進行控制。與反饋控制相比，前饋控制直接根據擾動信號對被控量進行調節，調節快速性好[7]。

綜合前饋控制與反饋控制兩者的優點，設計蒸汽發生器水位的前饋反饋串級控制系統，原理見圖4。

圖4 SG水位的前饋反饋控制原理圖

該系統由兩個閉合的反饋回路及前饋部分組成：內回路由給水流量信號Qfw、給水流量變送器的轉換系數α2、副調節器(PI)、調節閥組成，也稱副回路；外回路由水位控制對象y、差壓變送器的轉換系數α3、主調節器(PID)和內回路組成，也稱主回路；前饋控制部分由蒸汽流量信號Qs和蒸汽流量變送器的轉換系數α1組成。

副調節器的任務是當Qs擾動時，迅速改變給水流量，使水位變化較少；當Qfw自發擾動時，及時予以消除。主調節器的任務是校正水位，使穩態時的水位等于給定值。主調節器的輸出信號作為副調節器的給定信號，兩者相互獨立，相互影響小，系統的調節質量也優于單沖量控制系統。

在SG中，由于蒸汽流量隨負荷變化，使沸騰部分的汽泡量因局部壓力變化而變化，水位呈現所謂的瞬時“虛假水位”現象。虛假水位現象的出現使得單沖量控制不能獲得良好的調節特性。通過引進Qs和Qfw的失配信號，就能抑制調節閥受虛假水位的影響。當失配信號被加到水位偏差信號上時，改善了系統的動態響應特性。

4 結果與分析

圖5和圖6分別為30%功率下，水位與給水流量隨蒸汽流量階躍變化的響應。

圖5 蒸汽流量階躍變化時水位的響應，30%功

200 s時蒸汽流量突然增加25 kg/s，圖中縱坐標中0代表穩態時的相對值，不是真實值。可以看出，與簡單PID控制系統相比，SG水位的前饋反饋控制系統能夠有效地抑制虛假水位現象，降低了超調量，縮短了調節時間，改善了系統的控制品質。

圖6 蒸汽流量階躍變化時給水流量的響應，30%功

從圖6可以看出，在簡單PID控制系統中，當蒸汽流量增加時，由于虛假水位現象的影響，給水閥產生誤動作，導致給水流量瞬間減少，使得蒸汽流量與給水流量的偏差變得更大，嚴重影響了系統的控制質量。而前饋反饋控制卻可以減小甚至消除這種由于給水閥的誤動作造成的誤差，提高了系統的動態性能。

圖7和圖8分別為15%功率下，水位與給水流量隨蒸汽流量階躍變化的響應。

圖7 蒸汽流量階躍變化時水位的響應，15%功

圖8 蒸汽流量階躍變化時給水流量的響應，15%功

與30%功率下的情況相同，前饋反饋串級控制抑制了虛假水位現象對SG動態特性的影響，提高了系統的控制品質；并且，在低功率水平下，前饋反饋串級控制可以將系統的調節時間大大減少，體現了良好的調節快速性。

5 結束語

蒸汽發生器水位的前饋反饋串級控制系統的前饋部分根據主要擾動信號直接對被控量進行調節，反饋回路則克服其余擾動信號的影響。系統不但能很好地抑制“虛假水位”現象的影響，而且調節過程中超調量小、調節及時、抗干擾能力強，能夠保證系統安全穩定的運行。

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