核動(dòng)力蒸汽發(fā)生器水位的前饋反饋控制

，， ，，

(1.中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064;2.華中科技大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，武漢 430074)

U形管自然循環(huán)蒸汽發(fā)生器(steam generator, SG)是核動(dòng)力艦船中連接一回路與二回路的樞紐設(shè)備。蒸汽發(fā)生器的水位必須控制在合理的范圍內(nèi)，水位過(guò)高或過(guò)低都會(huì)影響核動(dòng)力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。采用文獻(xiàn)[1]提出的分段線性數(shù)學(xué)模型，在傳統(tǒng)PID控制[2-6]基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種SG水位的前饋反饋串級(jí)控制系統(tǒng)。

1 蒸汽發(fā)生器的簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型

自然循環(huán)蒸汽發(fā)生器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見(jiàn)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(fā)生器結(jié)構(gòu)示意圖

來(lái)自一回路的冷卻劑將從一回路帶來(lái)的熱量通過(guò)SG傳遞給二回路的汽輪發(fā)電機(jī)，SG二次側(cè)給水進(jìn)入SG后，憑借自然循環(huán)壓頭的作用在環(huán)形通道內(nèi)進(jìn)行自然循環(huán)。假設(shè)一回路冷卻劑溫度等參數(shù)恒定不變，僅從質(zhì)量平衡的角度出發(fā)，文獻(xiàn)[1]提出了SG的分段線性數(shù)學(xué)模型，見(jiàn)式(1)。

(1)

式中：Y——SG的水位；

G1——幅值；

G2——幅值;

τ2——阻尼時(shí)間常數(shù)；

T——振蕩周期;

τ1——阻尼時(shí)間常數(shù)；

Qfw、Qs——給水流量和蒸汽流量。

2 蒸汽發(fā)生器水位的動(dòng)態(tài)特性

2.1 給水流量擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)特性

圖2為不同功率下，給水流量階躍變化時(shí)SG水位的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。圖中縱坐標(biāo)中0代表穩(wěn)態(tài)時(shí)的相對(duì)值，不是真實(shí)值。當(dāng)給水流量增加時(shí)，由于給水溫度比蒸汽發(fā)生器內(nèi)的飽和溫度要低，在給水進(jìn)入SG的初期首先吸熱，使得SG內(nèi)的汽泡數(shù)量減少，導(dǎo)致SG水位下降，出現(xiàn)所謂的“虛假水位”現(xiàn)象。另一方面，隨著給水的增加，水位在達(dá)到最低點(diǎn)后會(huì)逐漸上升。在低功率下，SG的虛假水位現(xiàn)象要比高功率下的嚴(yán)重。這是因?yàn)榈凸β蕰r(shí)流量相對(duì)較少，測(cè)量不夠準(zhǔn)確，使得反饋信號(hào)作用受到限制。

圖2 給水流量階躍變化時(shí)SG水位的響

2.2 蒸汽流量擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)特性

圖3為不同功率下蒸汽流量階躍變化時(shí)SG水位的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。當(dāng)蒸汽流量增加時(shí)，SG內(nèi)的汽相壓力降低，汽化強(qiáng)度增加，使得液相表面的汽泡體積迅速增加，導(dǎo)致水位的迅速增加，出現(xiàn)所謂的“虛假水位”現(xiàn)象。另一方面隨著蒸汽用量的增加，水位最終呈下降的趨勢(shì)。同樣，在低功率下SG的虛假水位現(xiàn)象要比高功率嚴(yán)重。

圖3 蒸汽流量階躍變化時(shí)SG水位的響

3 前饋反饋串級(jí)控制

反饋控制系統(tǒng)主要是根據(jù)被控量和給定值的偏差信號(hào)來(lái)進(jìn)行控制。與反饋控制相比，前饋控制直接根據(jù)擾動(dòng)信號(hào)對(duì)被控量進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)快速性好[7]。

綜合前饋控制與反饋控制兩者的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)蒸汽發(fā)生器水位的前饋反饋串級(jí)控制系統(tǒng)，原理見(jiàn)圖4。

圖4 SG水位的前饋反饋控制原理圖

該系統(tǒng)由兩個(gè)閉合的反饋回路及前饋部分組成：內(nèi)回路由給水流量信號(hào)Qfw、給水流量變送器的轉(zhuǎn)換系數(shù)α2、副調(diào)節(jié)器(PI)、調(diào)節(jié)閥組成，也稱副回路；外回路由水位控制對(duì)象y、差壓變送器的轉(zhuǎn)換系數(shù)α3、主調(diào)節(jié)器(PID)和內(nèi)回路組成，也稱主回路；前饋控制部分由蒸汽流量信號(hào)Qs和蒸汽流量變送器的轉(zhuǎn)換系數(shù)α1組成。

副調(diào)節(jié)器的任務(wù)是當(dāng)Qs擾動(dòng)時(shí)，迅速改變給水流量，使水位變化較少；當(dāng)Qfw自發(fā)擾動(dòng)時(shí)，及時(shí)予以消除。主調(diào)節(jié)器的任務(wù)是校正水位，使穩(wěn)態(tài)時(shí)的水位等于給定值。主調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)作為副調(diào)節(jié)器的給定信號(hào)，兩者相互獨(dú)立，相互影響小，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)質(zhì)量也優(yōu)于單沖量控制系統(tǒng)。

在SG中，由于蒸汽流量隨負(fù)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(xiàn)所謂的瞬時(shí)“虛假水位”現(xiàn)象。虛假水位現(xiàn)象的出現(xiàn)使得單沖量控制不能獲得良好的調(diào)節(jié)特性。通過(guò)引進(jìn)Qs和Qfw的失配信號(hào)，就能抑制調(diào)節(jié)閥受虛假水位的影響。當(dāng)失配信號(hào)被加到水位偏差信號(hào)上時(shí)，改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。

4 結(jié)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(yīng)。

圖5 蒸汽流量階躍變化時(shí)水位的響應(yīng)，30%功

200 s時(shí)蒸汽流量突然增加25 kg/s，圖中縱坐標(biāo)中0代表穩(wěn)態(tài)時(shí)的相對(duì)值，不是真實(shí)值。可以看出，與簡(jiǎn)單PID控制系統(tǒng)相比，SG水位的前饋反饋控制系統(tǒng)能夠有效地抑制虛假水位現(xiàn)象，降低了超調(diào)量，縮短了調(diào)節(jié)時(shí)間，改善了系統(tǒng)的控制品質(zhì)。

圖6 蒸汽流量階躍變化時(shí)給水流量的響應(yīng)，30%功

從圖6可以看出，在簡(jiǎn)單PID控制系統(tǒng)中，當(dāng)蒸汽流量增加時(shí)，由于虛假水位現(xiàn)象的影響，給水閥產(chǎn)生誤動(dòng)作，導(dǎo)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(yán)重影響了系統(tǒng)的控制質(zhì)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(dòng)作造成的誤差，提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)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(yīng)。

圖7 蒸汽流量階躍變化時(shí)水位的響應(yīng)，15%功

圖8 蒸汽流量階躍變化時(shí)給水流量的響應(yīng)，15%功

與30%功率下的情況相同，前饋反饋串級(jí)控制抑制了虛假水位現(xiàn)象對(duì)SG動(dòng)態(tài)特性的影響，提高了系統(tǒng)的控制品質(zhì)；并且，在低功率水平下，前饋反饋串級(jí)控制可以將系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間大大減少，體現(xiàn)了良好的調(diào)節(jié)快速性。

5 結(jié)束語(yǔ)

蒸汽發(fā)生器水位的前饋反饋串級(jí)控制系統(tǒng)的前饋部分根據(jù)主要擾動(dòng)信號(hào)直接對(duì)被控量進(jìn)行調(diào)節(jié)，反饋回路則克服其余擾動(dòng)信號(hào)的影響。系統(tǒng)不但能很好地抑制“虛假水位”現(xiàn)象的影響，而且調(diào)節(jié)過(guò)程中超調(diào)量小、調(diào)節(jié)及時(shí)、抗干擾能力強(qiáng)，能夠保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定的運(yùn)行。

[1] IRVING E, BIHOREAUX C. Adaptive control of non-minimum phase system application to the PWR steam generator[C]//19th Control and Decision Conference, Albuquerque N.H., USA, December 10-12, 1980：274-279.

[2] MAYURESH V K, BERNARD M, MANFRED M， et al. Linear parameter varying model predictive control for steam generator level control[J].Computers Chem. Engineering,1997,21(Suppl. 1)：861-866.

[3] HU Ke, YUAN Jingqi. Multi-model predictive control method for nuclear steam generator water level[J]. Energy Conversion and Management, 2008,49(5)：1167-1174.

[4] 滕樹(shù)杰,張乃堯,崔震華.核動(dòng)力裝置蒸汽發(fā)生器水位的分層模糊自適應(yīng)控制[J].控制與決策，2002,17(6)：933-936.

[5] 宋梅村,張宇聲.蒸汽發(fā)生器水位的模糊自適應(yīng)PID控制[J].船海工程,2007,36(5)：55-58.

[6] 楊 柳，袁景淇.壓水堆蒸汽發(fā)生器水位的前饋模型預(yù)測(cè)控制[J].控制工程，2008,15(3)：250-272.

[7] 文群英.熱工自動(dòng)控制系統(tǒng)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2006.