核電常規(guī)島給水除氧器水位控制系統(tǒng)建模與仿真

王挺，吳文輝，措姆，徐唐煌

（1.上海電力學(xué)院電力與自動(dòng)化工程學(xué)院，上海200090；2.西藏電力有限公司調(diào)度中心,西藏拉薩850000）

我國(guó)核電的發(fā)展的必要性不僅在于能源的稀缺性，也在于核能的清潔性，這標(biāo)志著我國(guó)核電發(fā)展進(jìn)入了新的階段。核電仿真系統(tǒng)的應(yīng)用也有其必要性，運(yùn)行人員的操作技能、對(duì)突發(fā)事故的準(zhǔn)確反映和正確處理的能力是影響核電站安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素之一。由于核電站的事故、異常不能在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行設(shè)備上預(yù)演，也不能停止設(shè)備運(yùn)行來(lái)培訓(xùn)學(xué)員，因而核電仿真系統(tǒng)在這些方面得到廣泛的應(yīng)用。

在核電站中，除氧器是汽水循環(huán)系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備，其水位是機(jī)組運(yùn)行的一個(gè)重要調(diào)節(jié)參數(shù)，但是由于除氧器水位具有滯后，大慣性，時(shí)變等調(diào)節(jié)特性，其自動(dòng)的投入效果尤其在負(fù)荷變動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí)的快速性、穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性方面較差。除氧器是在給水系統(tǒng)中，使給水加熱到飽和溫度，能去除給水中溶解氣體的混合式加熱器，其功能是除去鍋爐給水中的氧氣及其他氣體，保證給水品質(zhì)，維持除氧器水位為設(shè)定值，保證給水泵不被汽蝕。由于除氧器水位過(guò)低，則可能導(dǎo)致給水泵汽蝕，影響給水泵的安全工作，而除氧器水位過(guò)高則會(huì)淹沒(méi)除氧頭，影響除氧效果，還會(huì)使給水經(jīng)汽輪機(jī)抽汽管倒流至汽輪機(jī)，引起水擊事故或給水箱滿水、除氧器振動(dòng)、排汽帶水等。由此可見(jiàn)，維持除氧器的水位正常，優(yōu)化調(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)顯得極為重要[1]。

在本文中，主要根據(jù)某工程熱平衡圖來(lái)進(jìn)行機(jī)理建模，在驗(yàn)證單沖量PID有效控制的同時(shí)，引入三沖量給水控制。

1 給水除氧器水位對(duì)象建模

如圖1所示，根據(jù)某工程熱平衡圖建立的除氧器輸入輸出介質(zhì)關(guān)系，物質(zhì)平衡方程有Q3+Q4+Q5+Q6-Q2)，并通過(guò)凝結(jié)水閥門進(jìn)行除氧器水位控制。式中，Q1為凝結(jié)水流量、Q2為給水流量、Q3為高加疏水流量、Q4為C口抽汽流量、Q5為M口疏水流量、Q6為J口抽汽流量。初始穩(wěn)態(tài)時(shí)，有Q2=Q1+Q3+Q4+Q5+Q6，此時(shí)除氧器水位為H0保持不變。

圖1 除氧器凝結(jié)水水位調(diào)節(jié)示意圖

除氧器擾動(dòng)包括給水?dāng)_動(dòng)，疏水?dāng)_動(dòng)以及抽汽擾動(dòng)。由資料得到，橫截面積F=4258×47250+11442×π=205302015 mm2。凝結(jié)水出口主調(diào)節(jié)門到除氧器的距離需要估算，根據(jù)4臺(tái)低壓加熱器的雙程流動(dòng)，除氧器的布置高度，以及加熱器之間的連接，假定為160 m，經(jīng)計(jì)算得到該出口的速度為4.2 m/s，得到純遲延時(shí)間為38 s。凝結(jié)水流量主調(diào)節(jié)閥CEX025VL Kv=1.5601×107/s/%，則凝結(jié)水流量控制通道的傳函為

2 除氧器水位控制系統(tǒng)SIMULINK建模及動(dòng)態(tài)仿真

除氧器水位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)有單沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)和三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)，而所有調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定，均按照流量百分比整定。

2.1 單沖量除氧器水位控制系統(tǒng)建模及動(dòng)態(tài)仿真

根據(jù)上述分析計(jì)算，可設(shè)計(jì)除氧器單沖量水位控制系統(tǒng)原理方框圖如圖2所示。單沖量水位控制器設(shè)計(jì):根據(jù)該控制器為控制凝結(jié)水流量，且凝結(jié)水流量調(diào)節(jié)閥為氣關(guān)式調(diào)節(jié)閥，所以控制器為正作用控制器，控制器的偏差為被控量減設(shè)定值，即滿足e=y-r。同時(shí)設(shè)置控制器為數(shù)字式控制器，采樣周期為Ts=250 ms=0.25 s，在仿真時(shí)模擬其離散式PI控制器的輸出控制調(diào)節(jié)閥開(kāi)度，并采用非線性元件模擬調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)特性和范圍。根據(jù)對(duì)象的特性以及控制性能要求，經(jīng)仿真建模后測(cè)試并設(shè)置控制參數(shù)的取值或范圍，PI控制器的控制參數(shù)具體包括比例系數(shù)KP和Ti。

除氧器水位設(shè)定值擾動(dòng)100 mm，采用凝結(jié)水主調(diào)節(jié)閥CEX025VL。該閥在定值擾動(dòng)下除氧器水位控制仿真模型，調(diào)節(jié)器參數(shù)采用試湊法，在調(diào)節(jié)參數(shù)值的大小為KP=0.2%/mm，Ti=160 s，得到水位控制響應(yīng)曲線，如圖3所示。

圖2 除氧器水位單沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)原理模型

圖3 除氧器變動(dòng)負(fù)荷仿真水位響應(yīng)曲線

在相同的對(duì)象模型下，負(fù)荷100%FP到90%FP的負(fù)荷擾動(dòng)，取主調(diào)節(jié)閥門CEX025VL定值擾動(dòng)下的調(diào)節(jié)器參數(shù)，其中除氧器水位采用一階函數(shù)表示，支路延遲時(shí)間為0 s，進(jìn)行仿真。調(diào)節(jié)器參數(shù)采用試湊法，在調(diào)節(jié)參數(shù)值的大小KP=0.2%/mm，Ti=160 s，得到水位控制響應(yīng)曲線，如圖3所示。

2.2 三沖量除氧器水位控制系統(tǒng)建模及動(dòng)態(tài)仿真

由于單沖量水位控制效果不夠理想，提出除氧器三沖量水位控制系統(tǒng)方案[2-3]。如圖4所示，其中K1和K2是調(diào)整給水流量和凝結(jié)水流量的動(dòng)態(tài)配比，本次K2設(shè)定為1，僅對(duì)K1進(jìn)行仿真設(shè)定。

圖4 除氧器水位三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)原理模型

除氧器水位設(shè)定值擾動(dòng)100 mm，以凝結(jié)水主調(diào)節(jié)閥CEX025VL為例，其中有主、副兩個(gè)回路，主回路由主調(diào)節(jié)器、副回路、閥門系數(shù)以及對(duì)象構(gòu)成，副回路由副調(diào)節(jié)器以及變送器組成。調(diào)節(jié)器參數(shù)通過(guò)主副回路的試湊法得到，在KP主=0.4%/mm和KP副=5%/mm，Ti主=225 s和Ti副=250 s調(diào)節(jié)參數(shù)時(shí)，得到水位控制響應(yīng)曲線，如圖3所示。

在相同的對(duì)象模型下，負(fù)荷100%FP到90%FP的負(fù)荷擾動(dòng)，取主調(diào)節(jié)閥門CEX025VL定值擾動(dòng)下的調(diào)節(jié)器參數(shù)，進(jìn)行仿真，得到水位控制響應(yīng)曲線，如圖3所示。

3 除氧器PI控制器參數(shù)整定結(jié)果及調(diào)節(jié)性能比較分析

如果在實(shí)際工程運(yùn)行中進(jìn)行參數(shù)整定，根據(jù)響應(yīng)曲線以觀察調(diào)節(jié)品質(zhì)。對(duì)圖3的響應(yīng)曲線進(jìn)行對(duì)應(yīng)分析，如表1所示。

表1 除氧器調(diào)節(jié)器參數(shù)以及控制性能表

表1中，對(duì)應(yīng)單沖量和三沖量控制在定值擾動(dòng)和100%FP至90%FP降負(fù)荷擾動(dòng)下，均滿足控制要求。然而，就工程而言，采用三沖量對(duì)除氧器水位進(jìn)行的負(fù)荷變化進(jìn)行控制，盡管在時(shí)間上略有增加，但是保證了幅值的超調(diào)明顯的降低，這大大保證了除氧器水位的負(fù)荷跟隨性，因此在負(fù)荷變動(dòng)的一定范圍內(nèi)，可采用三沖量方案。

4 結(jié)論

除氧器作為核電站中的關(guān)鍵設(shè)備，其控制性能的好壞有著舉足輕重的意義[4]。考慮到以后電力系統(tǒng)設(shè)備能否安全穩(wěn)定的運(yùn)行，本文通過(guò)對(duì)福清核電機(jī)組中除氧器水位模型進(jìn)行機(jī)理建模，在仿真上對(duì)其采用三沖量串級(jí)調(diào)節(jié)和單沖量調(diào)節(jié)的比較，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，兩者都能實(shí)現(xiàn)除氧器水位自動(dòng)調(diào)節(jié)，而三沖量水位控制方案比單沖量水位控制方案超調(diào)量小，調(diào)節(jié)時(shí)間短，振蕩少，使系統(tǒng)調(diào)節(jié)更為精細(xì),從而實(shí)現(xiàn)除氧器安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

[1]周君芬,吳永存,崔振武.除氧器和凝汽器水位自控系統(tǒng)的改進(jìn)[J].華東電力,2000(2):35-36.

[2]李霞.三沖量串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)在除氧器水位調(diào)節(jié)中的應(yīng)用[J].科技情報(bào)開(kāi)發(fā)與經(jīng)濟(jì),2010,20(15):222-224.

[3]黎兵,李夔寧.汽包鍋爐串級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)的MATLAB仿真[J].東北電力技術(shù),2006(6):21-23.

[4]丁建設(shè).除氧器、凝汽器水位的Fuzzy-PI復(fù)合控制[J].華東電力,2003(12):61-62.