基于Flowmaster-PID控制策略對核電站停堆冷卻系統溫度—流量耦合控制的研究

張科，陳健華，陳麗

（上海核工程研究設計院，上海 200233）

基于Flowmaster-PID控制策略對核電站停堆冷卻系統溫度—流量耦合控制的研究

張科，陳健華，陳麗

（上海核工程研究設計院，上海 200233）

本文采用“Flowmaster”仿真軟件，運用復雜的PID控制策略，對CAP1000核電站中正常余熱排出系統（RNS）的溫度-流量耦合控制特性，進行了建模和仿真研究。通過仿真計算，獲得了與設計目標降溫速率一致的溫度變化曲線，并得到了熱交換器出口流量調節閥及旁通流量調節閥的開度變化曲線和流量分配曲線。通過觀察RNS泵的流量波動特性，對調節閥的調節頻率提出建議。研究結果可為CAP1000核電站的設計和調試運行提供技術支持。

停堆冷卻；PID控制；仿真計算

在以AP1000/CAP1000為代表的第三代非能動先進核電站中，正常余熱排出系統（RNS）的主要功能是為電廠提供停堆冷卻。為了能安全、有效地實現這一重要功能，需對RNS系統的流量和溫度進行耦合調節控制，即在保持系統流量穩定的基礎上，維持RCS系統的降溫速率在合適的范圍之內。本文采用Flowmaster軟件，應用PID控制策略，模擬了CAP1000核電站RNS系統工況下的溫度-流量耦合控制特性，從而為電站的調試和運行提技術支持。

1 仿真建模

1.1 RNS系統描述及仿真模型

RNS系統與停堆冷卻工況有關的工藝流程簡圖如圖1所示。RNS兩個序列同時投運，主系統的反應堆冷卻劑進入RNS系統后，一部分經過RNS熱交換器進行冷卻，另一部分流經熱交換器的旁通管線后，與被冷卻的部分在出口三通處匯合，混合后的流體回到RCS系統。

采用Flowmaster中的瞬態換熱分析進行仿真，建模所用的元件達856個。仿真時對Flowmaster中水的物性參數作了擴展，元件的參數根據設計參數輸入。

1.2 關鍵控制策略

圖1 CAP1000-RNS系統流程簡圖

對RNS系統的溫度和流量進行耦合PID控制，RNS對主系統冷卻的目標降溫速率為允許的最大降溫速率（27．8℃/h）。分別控制每個序列的V006和V008閥門，在對V006進行控制時，先通過Guage元件測量泵入口的溫度變化率，并與Signal Generate元件中預設的降溫速率曲線作對比，若發現泵入口降溫速率偏小，則增大V006閥的開度，反之亦然。同理，對于V008閥門控制時，先測量泵入口的流量，并與預設的恒定流量值作比較，若發現流量偏小，則增大V008閥的開度，反之亦然。為了確保系統的總流量不變，并使系統的降溫速率盡可能達到最大允許降溫速率，兩個閥門的調節信息會進行反饋和迭代，在每一個時間步上得到收斂的結果后，再計算下一個時間步。

2 仿真結果分析

2.1 降溫速率曲線

計算獲得的主系統降溫速率曲線見圖2。從中可以看出，模擬得到的主系統降溫曲線與目標降溫曲線非常吻合。文中模擬了RNS投運2小時內的溫度變化，隨著時間的進一步增加，由于熱交換器管側和殼側的溫差減小，實際的降溫速率會隨之下降，從而偏離最大降溫曲線。

圖2 計算的RCS降溫曲線與目標降溫曲線的對比

2.2 調節閥開度變化曲線

由于A序列和B序列是對稱的，故此處只給出A序列的調節閥開度變化曲線，詳見圖3、4。由圖可以看出，V006A和V008A的閥門開度呈現負相關的變化趨勢， V006A閥門的開度以接近二次曲線的方式增大。這主要是由于隨著時間的推進，在RNS熱交換器冷卻水供水溫度不變的前提下，冷熱流體的溫差減小，為了達到目標降溫速率，須增大V006A的開度以增加流經RNS熱交換器的流量。同時，為了維持流經RNS系統的流量恒定，須減小V008A閥門的開度。在兩小時以后，隨著時間的進一步推進，V006A的閥門開度將很快達到1．0，此后由于V006A無法繼續開大，系統的冷卻速率將會下降。

圖3 V006A閥門的開度變化

圖4 V008A閥門的開度變化

2.3 RNS熱交換器流量及旁通流量變化

圖5 、6給出了流經V006A和V008A閥門的流量，通過與圖3、4相比較可以發現，流經熱交換器的流量正比于閥門V006的開度，旁通流量正比于閥門V008的開度。

圖5 通過熱交換器流量

圖6 旁通流量

2.4 RNS泵的流量變化

泵流量變化曲線見圖7所示。計算得到的泵流量在恒定值附近波動，其波動幅值不大于2%。這是由于閥門調節導致的流量波動，故在實際調節的過程中，須合理設置調節閥的調節頻率，以免引起不必要的部件震動。

圖7 RNS泵的流量變化曲線

3 結語

本文應用Flowmaster軟件，設置了合理的PID控制策略，成功模擬了CAP1000核電站的RNS系統在投運初期運行工況下的溫度-流量耦合控制特性。通過仿真計算，在確保系統總流量恒定的基礎上，獲得了與預期一致的系統降溫速率，同時得到了熱交換器出口流量調節閥以及旁通流量調節閥的開度曲線，并得到相應的流量變化曲線。經過統計泵的流量變化趨勢，提出了需要合理設置調節閥調節頻率的建議。研究的結果可對電站的設計、調試及運行提供技術支持。

TL411

A

1671-0711（2017）10（下）-0196-02