蒸發器水位控制系統故障診斷仿真設計

付 敏 梅宗川 李久銳 楊曉奇

（中科華核電技術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查表明，核電站停堆事故的30%以上是主給水系統事故。大亞灣核電站和嶺澳核電站蒸汽發生器的水位控制系統實現了從0-100%負荷的給水自動控制，這兩座核電站在蒸發器水位控制系統設計和設備完全一樣，核電廠在運營期間，由于蒸發器水控制系統(ARE)水位失控幾乎導致跳堆，同類事故在韓國蔚珍核電站上也曾發生并導致停堆。從歷史調研信息發現蒸發器水位失控事件是現場常見事件，若操作員操作不正確或處理不及時可能造成停堆。本文針對導致蒸發器的物理特性和蒸發器水位控制系統的控制原理，以及蒸發器水位控制系統水位失控的各種情況用labview語言進行仿真建模。

1 數學建模總體設計

蒸發器水位控制系統控制原理可用如圖1所示的閉環來表示。

圖1 蒸發器水位控制系統控制原理圖

如圖1，對于蒸發器水位控制系統而言，輸入量有兩種，一種是水位設定值，一個為反饋量，反饋量是由蒸發器數學模型產生的被控量而產生，包括：蒸發器蒸汽流量，給水流量，蒸發器水位，汽機負荷寬量程，汽機負荷窄量程，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負荷寬量程信號得到的，與水位實際信號進行對比產生差值信號。擾動量是由是引起被控量發生不期望變化的外部和內部因變量，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，蒸發器水位控制系統改變控制量不僅僅依據給定值還考慮了被控量的反饋量，形成了反饋控制機制。

蒸汽發生器水位控制系統設計總的框圖如圖2所示。

圖2 蒸汽發生器水位控制系統設計框圖

分別對蒸發器水位控制系統和蒸發器的水位進行數學建模再采用labview軟件進行模擬仿真。

2 蒸發器水位控制系統數學建模

蒸汽發生器水位取決于給水流量、給水溫度、反應堆冷卻劑溫度和蒸汽流量。大亞灣核電站蒸發器水位控制系統是由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系連接在一起實現其控制功能，蒸發器水位控制系統數學模型也是基于該控制的邏輯關系進行建立的，由于保密在本論文中不提及該邏輯關系圖。

3 接口參數

蒸發器水位控制系統模型與蒸發器水位模型之間通過不同的參數進行接口構成一個閉環，進行自動控制。

接口參數有：蒸發器水位控制系統的輸入信號：蒸發器水位，蒸汽流量，給水流量，汽機負荷寬量程，汽機負荷窄量程，給水溫度；蒸發器水位控制系統的輸出信號：大閥開度信號，小閥開度信號。

4 蒸發器數學模型建立

蒸發器水位控制系統處于穩定狀態時，由大閥門信號和小閥門信號共同控制蒸發器的給水流量來保證蒸發器水位的正常。

水位調節器由PI組件加微分組件組成。該調節器輸入端的增益可調整，成為給水溫度（亦即汽機負荷）的函數。這樣，最佳調節器的設定值可在每個功率水平上進行計算。

5 labview軟件實現

動態仿真系統根據控制系統給出的控制參數和邊界條件，通過對蒸汽發生器數學模型的計算，模擬蒸發器水位變化的動態過程，給出蒸發器水位調節系統的輸入信號，包括：

蒸汽發生器水位測量值，蒸汽流量，給水流量，反應堆冷卻劑溫度，汽機負荷。

控制系統輸出“蒸汽發生器調節閥的開啟和開度信號”到動態仿真系統進行控制對象的動態仿真。這樣實現整個閉環回路的動態仿真。

動態仿真系統建立如下部件的仿真及相互聯動：

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

給水調節閥：模擬調節閥的特性（開度與壓差及流量的關系）

主給水泵；模擬主給水泵特性（轉速與揚程、流量的關系）

管道、彎頭等部件：模擬阻力特性

根據實際的工藝系統設備和管道布置，給出數學方程描述其動態過程，通過軟件編程模擬其動態。

將建立好的蒸發器水位控制系統的模型和蒸發器模型用labview軟件實現，進行軟件仿真。