核電站給水泵和給水調節閥的耦合效應對系統運行穩定性的影響分析

孫長義　劉安林　何歐

摘 要

通過大量的文獻調研，明確了核電站給水流量調節系統給水泵和調節閥多變量控制系統存在耦合擾動效應。本文利用同類型給水調節裝置中已有的泵和閥控制系統傳遞函數矩陣模型，建立了給水泵和給水調節閥多變量耦合控制并在工程仿真軟件Simulink中進了仿真驗證，證明了控制通道耦合效應的存在。利用合理的解耦算法，得到了泵-閥耦合調節通道的解耦控制器，并對加入解耦控制器前后的給水調節系統動態響應進行了Simulink仿真分析。結果表明：通過解耦計算，找到合理的解耦控制器，可以有效削弱多變量耦合控制系統中的耦合效應，對指導核電站二回路泵-閥耦合系統解耦控制有較大的參考價值。

關鍵詞

給水調節;耦合效應;解耦控制器;仿真分析

中圖分類號： TD744 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.11.028

0 引言

對于核電站蒸汽發生器的給水控制系統，一般有明確的特性要求：

1）系統穩定性好，抗干擾能力強;

2）負荷跟蹤能力好，能適應二回路快速的負荷變化;

3）能承受超過50%FP的負荷階躍變化，并保證裝置運行的穩定性等。

組成蒸汽發生器液位控制系統的控制變量有三個：給水流量、蒸汽流量和蒸汽壓力制。給水流量作為蒸汽發生器液位控制系統的最主要控制變量，其向液位控制系統提供的流量參數特性將直接決定蒸汽發生器的液位控制效果。例如，對于蒸汽發生器液位控制中常用的線性PID控制器，輸入參數（給水流量）的不穩定，將導致被控參數（液位）的波動，嚴重的可能引起蒸汽發生器二次側滿水或二次側液位過低導致傳熱惡化等。

圖1 核電站二回路給水流量調節系統

1 給水流量調節系統

蒸汽發生器的液位控制變量中，給水流量的調節主要通過控制二回路給水泵的轉速和給水調節閥的開度來實現，如圖1所示。

從圖1可以看出，給水流量調節系統主要由電動給水調節閥、電動或汽動給水泵和相關的控制器及執行機構組成。

給水流量調節系統持續測量二回路的給水流量、蒸汽流量及蒸汽壓力，通過函數程序的計算得到二回路的流量偏差信號Qe，該信號與二回路蒸汽壓力信號一起通過函數發生器的處理最終得到給水量需求信號（可正可負），該需求信號經過信號變送器（一般為PID控制器）、信號放大器、死區等環節的處理生成一個電流信號In作為給水泵轉速調節執行機構的輸入信號，用以改變電動機或汽輪機的轉速;同時，該信號經過另一個信號回路的處理同樣生成電信號Iu，用以驅動電機改變給水調節閥的開度Kv，從而使二回路的給水流量和給水泵出口端壓力都得到有效調節，保證了蒸汽發生器的給水流量能滿足控制要求。

2 給水泵與給水調節閥間的耦合效應

多變量過程控制系統有一個顯著且不可忽視的特性：控制變量之間存在耦合效應。這種耦合效應對核電站二回路運行的影響可以用“小問題，大麻煩”來概括。因為耦合效應對于多變量輸入輸出控制系統是固有特性，對于核電站而言，頻繁的控制參數波動可能使回路間的耦合效應形成疊加，將耦合擾動放大，最終導致回路運行的不穩定。結合圖1可以通過數學模型和計算機仿真技術，來顯示汽輪給水泵或電動給水泵與給水調節閥各自的變量控制對對方的影響情況。

給水泵轉速N的調節變量為水泵進汽量的變化量ΔF或電機的驅動電壓差ΔV，這里通過PID調節器統統變換為電流信號I（n）;給水調節閥的開度Kv通過調節閥驅動電機輸入電流信號I（u）來控制，控制對象分別為給水流量Q和給水泵出口壓力P。引入傳遞函數矩陣來表述控制變量I（n）、I（u）與被調參數Q、P（t）之間的數學模型，令：

其中，G（s）中各傳遞函數模塊定義如下：

即G（s）的對角元素表示圖1中耦合控制系統中兩個主通道（即水泵轉速調節通道和給水閥開度調節通道）的傳遞函數，而非對角元素表示兩個耦合通道的傳遞函數，從而有下式成立：

C（s）=G（s）M（s）（1）

用控制理論中經典的控制方塊圖，將式（1）中各傳遞函數包含的控制環節及各環節間的耦合關系表示出來，如圖2所示。

依據文獻[無模型控制方法對多變量耦合系統控制的應用研究]給出的同類型給水泵與調節閥傳遞函數，給出式（1）中G（s）的矩陣傳遞函數：

在泵和閥的耦合模型中，泵出口壓力（壓頭）P和流量G各主通道的調節器傳遞函數R11（s）和R22（s）（見圖2）均采用常用的PID結構，其通用傳遞函數形式為：

根據專著[多變量過程控制系統解耦理論]中的PID控制器參數整定方法，對式（7）中的比例、微分、積分常數進行整定后得到如下結果：

得到各調節通道的主調節器傳遞函數后，利用Simulink對圖2中的耦合系統進行仿真。假設總仿真時間為900s，在300s時給閥門控制電流-20mA的階躍擾動且此時電泵電機電流無擾動，在600s時給電泵電機電流-20mA的擾動且閥門控制電流不變。圖3給出了給水調節系統中給水壓力和給水流量的動態響應情況。

圖3中給水流量和壓力的動態響應曲線的情況，說明給水泵和給水調節閥同時存在的給水調節系統中，確實存在著相互影響的耦合關系。

耦合效應的存在使得對蒸汽發生器給水量的擾動因素大大增加，汽輪給水泵進汽量的調節、給水調節閥開度的變化、供電網絡的不穩定等都有可能使給水流量產生持續波動，進而使蒸汽發生器水位發生波動，使系統運行的平衡性遭到破壞。

圖4說明了核電站在不同負荷工況下，當蒸汽發生器給水流量階躍變化時，蒸汽發生器的液位波動情況。

3 解決辦法

針對耦合效應對蒸汽發生器液位調節的不良影響，工程研究人員提出了諸多的解決辦法，如：簡化給水調節系統的結構、改變給水泵和閥等設備的特性等。在工程上應用較多是在控制通道中加入解耦控制器來解決多變量耦合問題。

多變量控制系統的解耦思想比較簡單。對于蒸汽發生器給水調節系統來講，即針對在給水泵轉速（給水壓力P）控制通道和給水調節閥開度（給水流量Q）控制通道的耦合環節，開發反向解耦控制器，減弱圖2中耦合環節G11（s）和G21（s）對主調節通道的影響。利用多變量過程控制系統解耦理論中的經典解耦算法，可得到圖2中兩個耦合環節的解耦傳遞函數：

由于式（8）的傳遞函數在實際系統中難以實現，所以取其近似環節：

解耦控制器在控制通道的插入點的選擇原則請見多變量過程控制系統解耦理論的詳解。根據雙輸入雙輸出過程控制通道解耦控制器的插入原則，可以建立加入解耦控制器的給水調節系統仿真模型。并可以得到加入解耦控制器后的給水調節系統，在階躍擾動下的動態響應情況，如圖5所示。

從圖5可以看出，加入解耦控制器后，不僅使得擾動信號本身被大大抑制，擾動疊加到耦合效應對另一個被控參數的擾動也被大大削弱，明顯體現出了加入解耦控制器的優勢所在。

同時必須指出的是，解耦控制只能最大限度削弱耦合效應，不能完全消除耦合效應的存在。

參考文獻

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