示范快堆直流式蒸汽發生器給水控制系統仿真研究

劉 勇，段天英，張瑋瑛

（中國原子能科學研究院 反應堆工程技術研究部，北京 102413）

0 引言

示范快堆采用“機跟堆”的運行模式，反應堆功率由功率調節系統設定調節[1]，而給水調節系統是一種跟隨式調節，其調節目標為合理平穩地將熱量從二回路系統導出到三回路中。二三回路的熱量交換設備是蒸汽發生器，二回路是鈉介質回路，三回路是水/汽介質回路[2]。示范快堆蒸汽發生器的給水調節的控制特點為控制難度大、擾動因素多，一方面給水控制需要應對來自鈉系統側、給水系統側、汽輪機系統側等多方面多類型的控制擾動；另一方面由于直流式蒸汽發生器具有熱容小[3]、無明顯汽水分界面等特點也加大了其控制算法的設計難度。

圖1 蒸汽發生器模型節點分布圖Fig.1 Model node distribution diagram of steam generator

本文通過建模仿真技術，先建立包括蒸汽發生器在內的相關系統設備仿真模型，在此基礎上針對性地設計一套給水控制算法，并選取幾種示范快堆典型運行工況對其進行仿真試驗驗證。

1 蒸汽發生器及給水系統的仿真建模

示范快堆為雙環路式設計，每個導熱環路配置了8臺蒸汽發生器，每臺蒸汽發生器由蒸發器和過熱器兩部分組成。一次側液態金屬鈉從鈉分配器流出后進入過熱器底部，在過熱器中鈉沿換熱管殼側由下而上流動，經過熱器溢流接管進入蒸發器，在蒸發器換熱管殼側由上而下流動，最終從蒸發器底部流出，進入鈉緩沖罐。二次側水與一次側鈉為逆流換熱，液態水從給水母管進入蒸發器底部，在蒸發器中沿換熱管的管側由下而上流動，在額定功率下，在蒸發器出口產生微過熱蒸汽，然后進入過熱器，仍沿換熱管的管側由上而下流出過熱器，蒸汽過熱度得到進一步提高。

蒸汽發生器采取一維單管模型，重點是蒸發器的建模。蒸發器換熱管內的水持續被加熱，從過冷水到兩相流再到過熱蒸汽，相態變化大；另一方面，由于水走管側，體積較小，水汽平衡易受其他因素干擾而快速變化。因此，蒸汽發生器的一二次側節點劃分多達88個體積節點，以盡可能精確體現出穩態下蒸發器軸向水汽參數的平衡分布狀態以及動態下蒸發器水汽參數變化特性。

蒸汽發生器模型節點分布如圖1所示。

示范快堆蒸汽發生器給水系統模型示意圖如圖2所示。

圖2 蒸汽發生器給水系統模型示意圖Fig.2 Diagram of water supply system model of steam generator

圖3 給水控制算法示意圖Fig.3 Diagram of water supply control algorithm

額定工況下，3臺電動主給水泵并行工作，將除氧器中的水輸送到高壓給水管線中，給水通過高壓加熱器加熱后，首先分成兩個環路的給水管線，每個給水環路管線再次分成8個支路分別進入8個蒸汽發生器。其中，在每個環路給水管線與每個蒸汽發生器給水支路管線中均配置有給水調節閥。系統中的各設備如給水泵、調節閥、高壓加熱器以及各段給水管線均根據示范快堆的系統設備參數建立。

2 給水控制算法

由于快堆蒸汽發生器沒有汽包，換熱管內亦無明顯的汽液分界面，故無法效仿典型壓水堆以蒸汽發生器液位為主調參數進行給水調節。快堆采用蒸汽發生器出口鈉溫替代汽包液位作為給水調節的主調參數。示范快堆每個環路有8個蒸汽發生器模塊，8個模塊在鈉側出口沒有統一的母管，每個模塊的鈉單獨進入一個容積較大的鈉緩沖罐進行攪混。無論是緩沖罐中各個位置的測溫點還是緩沖罐出口管段上的測溫點均不適宜作為代表該環路總出口鈉溫的主調參數。因此，在控制算法中采取對每個蒸汽發生器模塊的出口鈉溫通過各自模塊流量的加權平均計算得到該環路的總出口鈉溫。

給水調節采取了一種“前饋+反饋”的控制算法，如圖3所示。主反饋通道以上述環路總出口鈉溫為被控變量，采用比例加積分（PI）調節方式。主反饋通道是穩態運行時給水調節的主要調節通道，使得蒸發器出口鈉溫維持在設定值上。

圖4 環路鈉泵轉速和二回路鈉流量Fig.4 Loop sodium pump speed and two return sodium flow

圖5 蒸汽發生器出口平均鈉溫Fig.5 Average sodium temperature of steam generator outlet

圖6 環路給水流量Fig.6 Loop water flow

圖7 給水流量及給水泵轉速Fig.7 Water flow and feed pump speed

圖8 蒸汽發生器出口平均鈉溫Fig.8 Average sodium temperature of steam generator outlet

由于鈉溫的響應變化相對較慢，為了保證給水流量及時跟隨功率的變化，增加了前饋通道。前饋通道算法是根據鈉——水流量匹配的原則來設計的，在不同功率臺階下有特定的二三回路流量設計值，可以根據實測的二回路鈉流量及預設的流量匹配曲線計算得到所需的給水流量，將給水流量需求值與給水流量實測值做偏差即可用于給水的快速調節。前饋通道的設計可以改善系統的動態特性。

3 仿真計算及結果分析

為了驗證該給水控制算法的控制效果，本文分析選取了幾種在示范快堆中具有代表性的典型工況，并用仿真手段加入到已有模型中，對該控制算法進行驗證。

3.1 一臺二回路主循環泵轉速降低

在穩態工況下，一臺二回路主循環泵轉速降低10%（如圖4所示，約621s時刻），二回路鈉流量減小，蒸汽發生器（以下簡稱SG）出口鈉溫下降，隨后給水調節閥在控制系統作用下開度減小，減小給水流量，使得SG出口鈉溫開始回升，最終重新穩定在設定值309℃左右。

3.2 正在運行的給水泵轉速降低

在穩態工況下，正在運行的3臺給水泵轉速突然降低（如圖7所示，約180s時刻），給水流量減小，SG出口鈉溫上升，隨后給水調節閥在控制系統作用下開度增大，增加給水流量，使得SG出口鈉溫開始回降，最終重新穩定在309℃左右。

3.3 一臺給水泵停止工作

在穩態工況下，1號給水泵故障停止工作（約282s時刻），其出口給水流量快速降至0。此時，其它兩臺給水泵流量上升，但總給水流量仍下降；隨后備用泵（4號給水泵）啟動，約30s后達額定流量，約兩三分鐘后給水流量重新穩定。在此過程中給水調節閥在控制系統作用下小范圍調節，SG出口鈉溫也小范圍內波動，最終穩定在309℃左右，在一臺給水泵突然故障停泵工況下，備用給水泵可以很快啟動，給水流量波動較小，給水泵切換的效果和控制系統的調節效果均良好。

3.4 汽輪機主汽門開度減小

在穩態工況下，汽輪機主汽門開度減小（約180s時刻），主蒸汽流量減小，給水流量減小，SG出口鈉溫上升，隨后給水調節閥在控制系統作用下開度增大，給水流量回升，使得SG出口鈉溫開始回降，最終重新穩定在309℃左右，控制效果良好。

3.5 單個蒸汽發生器模塊發生鈉水泄漏

圖9 給水泵轉速及出口流量Fig.9 Feed pump speed and outlet flow

圖10 給水泵轉速及出口流量Fig.10 Feed pump speed and outlet flow

圖11 水泵轉速及出口流量Fig.11 Pump speed and outlet flow

圖12 泵轉速及出口流量Fig.12 Pump speed and outlet flow

圖13 汽輪機調速汽門開度及主蒸汽和給水流量Fig.13 Steam turbine speed regulation valve opening and main steam and water supply flow

圖14 蒸汽發生器出口平均鈉溫Fig.14 Average sodium temperature of steam generator outlet

圖15 主蒸汽母管蒸汽溫度和壓力Fig.15 Steam temperature and pressure of main steam master tube

圖16 電功率變化Fig.16 Electrical power changes

在穩態工況下，1號蒸汽發生器模塊發生鈉水泄漏故障隔離（約106s時刻），故障環路其他SG（如6號）給水流量均一定幅度上升，但故障環路（一環路）總給水流量仍減小，正常環路（二環路）給水流量上升，但幅度小于故障環路；故障環路SG出口平均鈉溫上升，給水調節閥在控制系統作用下開度增大，給水流量回升，使得SG出口鈉溫開始回降，最終重新穩定在309℃左右。正常環路過程與故障環路過程類似，但變化趨勢相反且幅度較小，最終SG出口鈉溫也重新穩定在309℃左右，兩個環路控制效果均良好。

4 結論及展望

本文以示范快堆蒸汽發生器及給水系統的工藝仿真模型為基礎，針對性地設計了一套給水控制算法，并用幾種典型運行工況對此控制算法進行仿真試驗驗證，得到以下結論：

圖17 蒸汽發生器模塊和環路給水流量Fig.17 Steam generator module and loop water supply flow

圖18 總給水流量和環路二回路鈉流量Fig.18 Total water flow and loop two return sodium flow

圖19 蒸汽發生器出口平均鈉溫Fig.19 Average sodium temperature of steam generator outlet

圖20 環路給水調節閥開度Fig.20 Loop water supply regulation valve opening

1）該給水控制算法在電站穩態運行及變工況運行中均能正確合理地調節SG給水流量，維持SG出口鈉溫在設定值上。

2）該給水控制算法具備抑制對來自鈉系統側、給水系統側、汽輪機系統側等多方面多類型擾動的能力。

3）在蒸汽發生器單模塊隔離運行這種示范快堆的特殊工況下，該給水控制算法能夠正確合理地調節SG給水，最終穩態及調節過程滿足控制需求。

本文是以建模仿真技術對一種新的控制算法進行設計及驗證，未來示范快堆建成投運后，可利用實際運行數據對本文中的設備模型進行修正，還將仿真運行結果和實際運行結果作對比分析，以進一步優化給水控制算法。