CN102543232A - 压水堆核电站稳压器水位和压力复合控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种压水堆核电站稳压器水位和压力复合控制方法，对稳压器水位、压力的耦合情况进行了深入细致的研究，实现了水位、压力的完全解耦；在此基础之上，实现了稳压器水位、压力的一体化复合控制，取得了比较好的控制效果。本方法对900MW机组的稳压器水位与压力控制有很高的实际应用价值，可以促进先进智能控制在核电机组上的研究与应用，从而提高机组的控制水平。

Description

压水堆核电站稳压器水位和压力复合控制方法

技术领域

本发明涉及一种控制方法，特别涉及一种压水堆核电站稳压器水位和压力复合控制方法。

背景技术

在21世纪，核能是解决能源供应不足的主要途径。我国是能源相对短缺的国家，开发核电无疑是解决我国能源不足的可靠手段。近十年来，我国核电事业已实现从无到有，并进入快速发展的阶段。但目前核电在我国总发电量中占的比例还非常少，总装机容量与发达国家相比，还是有很大的差距。随着我国经济建设的快速发展，能源供需矛盾也会日益突出，为解决此问题，我国核电建设必定会取得长足的发展。

调整能源结构，大力开发水电，优化发展煤电，积极推进核电，适度发展天然气发电，鼓励新能源发电。从“适度”到“积极”，中国核电在中国电力资源中的位置也由于这个规划的披露得到了确切的落实。预计2020年前，中国将新建27个百万千瓦级核电机组，核电总规模将达到建成4000万千瓦，在建1800万千瓦；核电在中国能源供应总量中的比重将由现在的2%左右提升到4%。

我国已经引进了几种核电技术，以压水堆为主的热中子反应堆是主流堆型。如何确保核电机组在服役期间安全正常地运行，充分发挥核电机组的系统热经济性，尽快回收投资成本，是我们当前迫切需要研究的问题。

稳压器是压水堆核动力装置中的一个重要设备，在压水堆核电站的运行过程中，稳压器控制系统作为一个重要的环节,在确保稳压器的压力和水位按照预期规律变化的过程中起到非常重要的作用。

稳压器控制系统的作用是使稳压器的压力(即压水堆冷却剂系统的压力)和水位保持在设定值。负荷的变化或堆芯反应性扰动，都可能导致主冷却剂平均温度发生变化，从而引起冷却剂体积发生变化，稳压器的压力(即一回路系统中冷却剂的压力)、水位也会随之而变。一回路压力、水位过高，或压力、水位过低都不利于反应堆的安全运行。因此，保持稳压器压力、水位在规定的限值以内，对压水堆正常运行具有非常重要的意义。

稳压器控制主要包括压力控制和水位控制两方面。

稳压器压力控制系统的作用是维持稳压器压力为其整定值，使在正常瞬态下不致引起紧急停堆，也不会使稳压器安全阀动作。

稳压器水位控制系统使稳压器水位维持在由负荷决定的整定值上，以保证压力调节的良好特性，同时在调节过程中限制上充流量的最大值和最小值，以避免经热交换器的上充流量太小，使经过下泄孔板的下泄流汽化；或上充流量太大，不能满足主泵的封注水压头。

现有压水堆的稳压器压力、水位控制系统是相互独立的，分别完成稳压器压力、水位控制功能的控制系统。

如图1所示稳压器压力控制系统原理图。其中控制器用来设定不同的压力定值P₀，驱动电路主要完成对喷雾阀、释放阀、电加热器等设备实施驱动。

根据稳压器的压力信号系统自动或手动控制电加热器的通断、喷雾阀、释放阀的开闭，来保证压力在规定范围内变化，当稳压器压力超过规定的限值时，发出报警信号。

如图2所示稳压器水位控制系统原理图。稳压器水位控制系统通过稳压器水位信号控制补水泵的启停和排水阀的开闭，将稳压器水位维持在规定的限值以内，保持冷却剂系统具有恒定的冷却剂装量。当稳压器水位超过规定的限值时，发出报警信号。

稳压器是一个大惯性、非线性、多干扰的被控对象，内部存在喷淋、加热等复杂的热工和流体力学过程，难以获得精确的数学模型，由于理论本身的局限性，以经典控制理论为设计基础的传统控制系统不可避免地存在明显的不足，很难获得满意的控制效果。

采用模糊控制方法来解决压水堆稳压器的压力和水位控制的研究已经取得了一些成果。清华大学模糊控制实验室提出了稳压器压力和水位的模糊综合控制方案；但是在当时的设计中，模糊控制器的设计参数是根据经验选择的；随后又采用了遗传算法(GA)自动生成稳压器压力模糊控制器的设计参数(以下简称GA-FC)；但是，GA算法的实时性较差。其他一些人也对稳压器的特性及控制系统进行了研究。

近年发展起来的智能控制算法显示出了其强大的生命力，可以使得控制系统模仿人类或生物通过在实践中不断学习、积累经验而达到有效的控制，可以在传统控制中加入逻辑推理和启发式知识学习。通过将典型智能控制方法之间互相融合形成的复合控制方法，或典型智能控制方法、先进控制方法和常规控制方法之间交叉综合形成的复合控制方法，逐步逼近所研究问题的最优解。智能控制凭其全局优化性能及适于处理复杂问题的能力得到了人们越来越多的重视。

发明内容

本发明是针对现在的稳压器控制研究都是水位、压力独立控制，无法解决水位、压力的耦合带来的互相干扰的问题，提出了一种压水堆核电站稳压器水位和压力复合控制方法，对稳压器水位、压力的耦合情况进行了深入细致的研究，实现了水位、压力的完全解耦； 在此基础之上，实现了稳压器水位、压力的一体化复合控制，取得了比较好的控制效果。

本发明的技术方案为：一种压水堆核电站稳压器水位和压力复合控制方法，具体方法包括如下步骤：

1)、首先在压水堆核电机组仿真试验平台上，进行稳压器控制系统的特性测试，然后根据实验所得的数据，对系统进行分析和传递函数的拟合，分别得到上冲阀加入扰动的情况下，水位响应曲线的传递函数拟合G₁₁(S)，上冲阀加入扰动的情况下，压力响应曲线的传递函数拟合G₂₁(S)，加热器产生的压力扰动下，水位响应曲线的传递函数拟合G₁₂(S)，加热器产生的压力扰动下，压力响应曲线的传递函数拟合G₂₂(S)；

2）、设计解耦网络，将N₁= G₂₁(S)/ G₂₂(S)和N₂= G₁₂(S)/ G₁₁(S)共同组成的解耦网络，作用在步骤1）得到的稳压器的水位、压力扰动传递函数的前面，对稳压器的水位、压力实现完全解耦；

3）、设计传统的PID控制器，对步骤2）中经过解耦的稳压器水位、压力分别进行控制；

4）、设计基于解耦网络的、稳压器水位、压力的一体化复合控制，在步骤3）的基础上，将模糊智能控制与传统PID控制结合起来，实现复合控制，结果并与传统的PID控制结果进行比较，得到最终的压水堆核电站稳压器水位和压力复合控制方案。

本发明的有益效果在于：本发明压水堆核电站稳压器水位和压力复合控制方法，本方法对900 MW机组的稳压器水位与压力控制有很高的实际应用价值，可以促进先进智能控制在核电机组上的研究与应用，从而提高机组的控制水平。

附图说明

图1为现有技术稳压器压力控制系统原理图；

图2为现有技术稳压器水位控制系统原理图；

图3为本发明控制稳压器水位的上冲阀加入扰动后，稳压器水位与压力的变化图；

图4为本发明上冲阀扰动下，稳压器水位曲线拟合结果图；

图5为本发明上冲阀扰动下，稳压器压力曲线拟合结果图；

图6为本发明控制稳压器压力的加热器加入扰动后，稳压器水位与压力的变化图；

图7为本发明加热器扰动下，稳压器水位曲线拟合结果图；

图8为本发明加热器扰动下，稳压器压力曲线拟合结果图；

图9为本发明稳压器压力、水位解耦网络结构图；

图10为本发明未解耦前水位扰动下，稳压器压力、水位的单位阶跃响应图；

图11为本发明解耦后水位扰动下，稳压器压力、水位的单位阶跃响应图；

图12为本发明未解耦前压力扰动下，稳压器压力、水位的单位阶跃响应图；

图13为本发明解耦后压力扰动下，稳压器压力、水位的单位阶跃响应图；

图14为本发明稳压器压力、水位解耦的PID控制器结构框图；

图15为本发明解耦后，稳压器水位PID控制结果图；

图16为本发明解耦后，稳压器压力PID控制结果图；

图17为本发明稳压器压力、水位的一体化复合控制器结构框图；

图18为本发明稳压器水位的PID控制器、一体化复合控制器效果对比图；

图19为本发明稳压器压力的PID控制器、一体化复合控制器效果对比图。

具体实施方式

本发明研究工作的数据原型是第二代三环路压水堆核电站的900 MW机组，具体方法包括如下步骤：

1)、首先在典型的第二代三环路900MW压水堆核电机组仿真试验平台上，进行稳压器控制系统的特性测试，然后根据实验所得的数据，对系统进行分析和传递函数的拟合。

2）、设计解耦网络，对稳压器的水位、压力实现完全解耦。

3）、设计传统的PID控制器，对稳压器水位、压力分别进行控制。

4）、设计基于解耦网络的、稳压器水位、压力的一体化复合控制，并与传统的PID控制结果进行比较。

本发明首先在典型的第二代三环路900MW压水堆核电机组仿真试验平台上，选取3 种典型运行工况，即汽轮机负荷阶跃变化、汽轮机负荷线性变化和汽轮机甩负荷进行稳压器控制系统的仿真实验，然后根据实验所得的数据，对系统进行分析和传递函数的拟合，之后进行控制器的设计。

本发明所使用具体实施方式包括以下几步：

步骤1、稳压器的高精度数学建模：

 稳压器的水位扰动：稳压器的水位由上冲阀和下泄阀控制。实验中，把下泄阀设置为手动，对上冲阀分别加5%、10%、15%等扰动，分别记录压力和水位的阶跃扰动曲线，如图3。

上冲阀加入扰动的情况下，水位响应曲线的传递函数拟合为：

（1）

水位响应拟合结果见图4。拟合精度为见表1上冲阀扰动下，稳压器水位曲线拟合精度显示。

表1

从表1中可见，拟合最大误差为0.18%，拟合精度非常高。

上冲阀加入扰动的情况下，压力响应曲线的传递函数拟合为：

  （2）

上冲阀加入扰动的情况下，压力响应曲线拟合结果见图5。

 稳压器的压力扰动：稳压器的压力由加热器和喷淋阀控制。实验中，把喷淋阀设置为手动，对加热器施加扰动，测试曲线如图6。从图4中可以看出，加热器施加扰动情况下，压力会产生变化，但同时水位也发生了很大的变化。

加热器产生的压力扰动下，水位响应曲线的传递函数拟合为：

（3）

加热器产生的压力扰动下，水位响应的拟合曲线见图7。

加热器产生的压力扰动下，压力响应曲线的传递函数拟合为：

  

（4）

加热器产生的压力扰动下，压力响应的拟合曲线见图8：拟合精度见表2加热器扰动下，稳压器压力曲线拟合精度显示：

表2

表2中可见，拟合的最大误差为1.14%，数学模型的精度比较高。

步骤2、解耦网络的设计：稳压器压力、水位解耦网络如图9所示。图9中的7（解耦网络N₁）和8（解耦网络N₂）共同组成解耦网络，作用在稳压器的水位、压力扰动之前，实现完全解耦，其中

（5）

  （6）

稳压器压力、水位解耦网络结构如图9所示，包括：1、阶跃输入，2、传递函数G₁₁ (公式1)， 3传递函数G₂₁ (公式2)，4、传递函数G₁₂(S)(公式3)，5、传递函数G₂₂(S)(公式4)，6、示波器，7、解耦网络N₁ (公式5)，8、解耦网络N₂ (公式6)。                               

看一下解耦的效果。图10、图11是水位扰动下，解耦前、后稳压器水位、压力的单位阶跃响应。图12、图13是压力扰动下，解耦前、后稳压器水位、压力的单位阶跃响应。从图10～图13，可以看到，经过解耦网络的解耦，稳压器的水位和压力实现了完全解耦。

步骤3、基于解耦网络的传统PID控制器的设计：基于解耦网络的、稳压器压力、水位的PID控制器结构框图如图14，包括：1、阶跃输入，2、传递函数G₁₁ (公式1)，3、传递函数G₂₁ (公式2)，4、传递函数G₁₂(S)(公式3)，5、传递函数G₂₂(S)(公式4)，6、示波器，7、解耦网络N₁ (公式5)，8、解耦网络N₂ (公式6)，9、PID控制器。

图15、图16是解耦后，稳压器压力、水位的PID控制结果。从图15、图16中可以看到，解耦后，稳压器压力、水位的PID控制结果是稳定的，超调量也比较小，只是水位控制的过渡过程时间比较长。

步骤4、基于解耦网络的、稳压器水位、压力的一体化复合控制设计：针对图9中的稳压器水位、压力的解耦网络和图14中PID控制器，设计了稳压器水位、压力一体化控制的、先进智能控制与传统PID控制的复合控制方案，图17的控制方案是以模糊+PID控制作为实例，包括：1、阶跃输入，2、传递函数G₁₁ (公式1)，3、传递函数G₂₁ (公式2)，4、传递函数G₁₂(S)(公式3)，5、传递函数G₂₂(S)(公式4)，6、示波器，7、解耦网络N₁ (公式5)，8、解耦网络N₂ (公式6)，9、PID控制器，10、模糊控制器。

图18、图19是稳压器水位、压力的PID控制器与一体化复合控制器效果对比。

Claims (1)

1.一种压水堆核电站稳压器水位和压力复合控制方法，其特征在于，具体方法包括如下步骤：

1)、首先在压水堆核电机组仿真试验平台上，进行稳压器控制系统的特性测试，然后根据实验所得的数据，对系统进行分析和传递函数的拟合，分别得到上冲阀加入扰动的情况下，水位响应曲线的传递函数拟合G₁₁(S)，上冲阀加入扰动的情况下，压力响应曲线的传递函数拟合G₂₁(S)，加热器产生的压力扰动下，水位响应曲线的传递函数拟合G₁₂(S)，加热器产生的压力扰动下，压力响应曲线的传递函数拟合G₂₂(S)；

2）、设计解耦网络，将N₁= G₂₁(S)/ G₂₂(S)和N₂= G₁₂(S)/ G₁₁(S)共同组成的解耦网络，作用在步骤1）得到的稳压器的水位、压力扰动传递函数的前面，对稳压器的水位、压力实现完全解耦；

3）、设计传统的PID控制器，对步骤2）中经过解耦的稳压器水位、压力分别进行控制；

4）、设计基于解耦网络的、稳压器水位、压力的一体化复合控制，在步骤3）的基础上，将模糊智能控制与传统PID控制结合起来，实现复合控制，结果并与传统的PID控制结果进行比较，得到最终的压水堆核电站稳压器水位和压力复合控制方案。

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