蒸發(fā)器水位控制系統(tǒng)故障診斷仿真設(shè)計

付 敏 梅宗川 李久銳 楊曉奇

（中科華核電技術(shù)研究院有限公司北京分公司，中國 北京100000）

0 概述

美國對在役壓水堆核電站調(diào)查表明，核電站停堆事故的30%以上是主給水系統(tǒng)事故。大亞灣核電站和嶺澳核電站蒸汽發(fā)生器的水位控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了從0-100%負(fù)荷的給水自動控制，這兩座核電站在蒸發(fā)器水位控制系統(tǒng)設(shè)計和設(shè)備完全一樣，核電廠在運(yùn)營期間，由于蒸發(fā)器水控制系統(tǒng)(ARE)水位失控幾乎導(dǎo)致跳堆，同類事故在韓國蔚珍核電站上也曾發(fā)生并導(dǎo)致停堆。從歷史調(diào)研信息發(fā)現(xiàn)蒸發(fā)器水位失控事件是現(xiàn)場常見事件，若操作員操作不正確或處理不及時可能造成停堆。本文針對導(dǎo)致蒸發(fā)器的物理特性和蒸發(fā)器水位控制系統(tǒng)的控制原理，以及蒸發(fā)器水位控制系統(tǒng)水位失控的各種情況用labview語言進(jìn)行仿真建模。

1 數(shù)學(xué)建模總體設(shè)計

蒸發(fā)器水位控制系統(tǒng)控制原理可用如圖1所示的閉環(huán)來表示。

圖1 蒸發(fā)器水位控制系統(tǒng)控制原理圖

如圖1，對于蒸發(fā)器水位控制系統(tǒng)而言，輸入量有兩種，一種是水位設(shè)定值，一個為反饋量，反饋量是由蒸發(fā)器數(shù)學(xué)模型產(chǎn)生的被控量而產(chǎn)生，包括：蒸發(fā)器蒸汽流量，給水流量，蒸發(fā)器水位，汽機(jī)負(fù)荷寬量程，汽機(jī)負(fù)荷窄量程，以及溫度信號。另一個為定值信號，即水位整定值，該水位定值信號是由反饋量中的汽機(jī)負(fù)荷寬量程信號得到的，與水位實(shí)際信號進(jìn)行對比產(chǎn)生差值信號。擾動量是由是引起被控量發(fā)生不期望變化的外部和內(nèi)部因變量，在這里擾動量是指功率的擾動或水位定值的擾動。在整個水位控制過程中，蒸發(fā)器水位控制系統(tǒng)改變控制量不僅僅依據(jù)給定值還考慮了被控量的反饋量，形成了反饋控制機(jī)制。

蒸汽發(fā)生器水位控制系統(tǒng)設(shè)計總的框圖如圖2所示。

圖2 蒸汽發(fā)生器水位控制系統(tǒng)設(shè)計框圖

分別對蒸發(fā)器水位控制系統(tǒng)和蒸發(fā)器的水位進(jìn)行數(shù)學(xué)建模再采用labview軟件進(jìn)行模擬仿真。

2 蒸發(fā)器水位控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模

蒸汽發(fā)生器水位取決于給水流量、給水溫度、反應(yīng)堆冷卻劑溫度和蒸汽流量。大亞灣核電站蒸發(fā)器水位控制系統(tǒng)是由28塊具有不同功能和整定值的bailey 9020模擬板卡按照一定的邏輯關(guān)系連接在一起實(shí)現(xiàn)其控制功能，蒸發(fā)器水位控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型也是基于該控制的邏輯關(guān)系進(jìn)行建立的，由于保密在本論文中不提及該邏輯關(guān)系圖。

3 接口參數(shù)

蒸發(fā)器水位控制系統(tǒng)模型與蒸發(fā)器水位模型之間通過不同的參數(shù)進(jìn)行接口構(gòu)成一個閉環(huán)，進(jìn)行自動控制。

接口參數(shù)有：蒸發(fā)器水位控制系統(tǒng)的輸入信號：蒸發(fā)器水位，蒸汽流量，給水流量，汽機(jī)負(fù)荷寬量程，汽機(jī)負(fù)荷窄量程，給水溫度；蒸發(fā)器水位控制系統(tǒng)的輸出信號：大閥開度信號，小閥開度信號。

4 蒸發(fā)器數(shù)學(xué)模型建立

蒸發(fā)器水位控制系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)時，由大閥門信號和小閥門信號共同控制蒸發(fā)器的給水流量來保證蒸發(fā)器水位的正常。

水位調(diào)節(jié)器由PI組件加微分組件組成。該調(diào)節(jié)器輸入端的增益可調(diào)整，成為給水溫度（亦即汽機(jī)負(fù)荷）的函數(shù)。這樣，最佳調(diào)節(jié)器的設(shè)定值可在每個功率水平上進(jìn)行計算。

5 labview軟件實(shí)現(xiàn)

動態(tài)仿真系統(tǒng)根據(jù)控制系統(tǒng)給出的控制參數(shù)和邊界條件，通過對蒸汽發(fā)生器數(shù)學(xué)模型的計算，模擬蒸發(fā)器水位變化的動態(tài)過程，給出蒸發(fā)器水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)的輸入信號，包括：

蒸汽發(fā)生器水位測量值，蒸汽流量，給水流量，反應(yīng)堆冷卻劑溫度，汽機(jī)負(fù)荷。

控制系統(tǒng)輸出“蒸汽發(fā)生器調(diào)節(jié)閥的開啟和開度信號”到動態(tài)仿真系統(tǒng)進(jìn)行控制對象的動態(tài)仿真。這樣實(shí)現(xiàn)整個閉環(huán)回路的動態(tài)仿真。

動態(tài)仿真系統(tǒng)建立如下部件的仿真及相互聯(lián)動：

蒸汽發(fā)生器：采用兩相流模型模擬一二回路間的換熱過程、汽水轉(zhuǎn)換過程、壓力變化和流動特性等

給水調(diào)節(jié)閥：模擬調(diào)節(jié)閥的特性（開度與壓差及流量的關(guān)系）

主給水泵；模擬主給水泵特性（轉(zhuǎn)速與揚(yáng)程、流量的關(guān)系）

管道、彎頭等部件：模擬阻力特性

根據(jù)實(shí)際的工藝系統(tǒng)設(shè)備和管道布置，給出數(shù)學(xué)方程描述其動態(tài)過程，通過軟件編程模擬其動態(tài)。

將建立好的蒸發(fā)器水位控制系統(tǒng)的模型和蒸發(fā)器模型用labview軟件實(shí)現(xiàn)，進(jìn)行軟件仿真。