CN107543141B - 升温升压过程中蒸汽发生器模拟体给水系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了升温升压过程中蒸汽发生器模拟体给水系统及控制方法，所述给水系统包括蒸汽发生器模拟体、给水稳压器、冷凝器，所述给水稳压器与蒸汽发生器模拟体通过进水管路连通，所述蒸汽发生器模拟体与冷凝器通过蒸汽管路连通，所述进水管路上设置有给水泵，所述冷凝器的出口端与给水泵的进口端通过冷水管路连通，所述给水泵采用变频多级离心泵，所述进水管路上并联设置有给水泵的旁通支路，所述进水管路上在给水泵的后端设置有回热器，所述回热器的出口端与冷凝器的进口端连通，所述回热器的进口端与冷凝器的出口端连通，所述进水管路、蒸汽管路和旁通支路上均设置有流量计和调节阀。

Description

升温升压过程中蒸汽发生器模拟体给水系统及控制方法

技术领域

本发明涉及核反应堆安全相关试验研究设备领域，具体涉及升温升压过程中蒸汽发生器模拟体给水系统及控制方法。

背景技术

在核动力反应堆及二回路系统中，一般都采用两套蒸汽发生器给水系统：主给水系统和启动给水系统。在启动升温升压过程中，利用启动给水系统为蒸汽发生器提供给水，维持蒸汽发生器二次侧水位正；待建立正常工况后，主给水系统投入运行，为蒸汽发生器提供给水。主给水系统和启动给水系统共同保证核动力反应堆系统启动、运行、停堆期间蒸汽发生器的给水需求，确保核动力系统的安全。整个给水系统的组成和操作运行程序比较复杂，具有很高的冗余度。但是在反应堆系统非核模拟验证试验研究中，基于成本和控制系统简化的制约，往往只设置一套给水系统，扬程较高给水流量较大，主要用于非核系统模拟试验装置稳定运行期间的蒸汽发生器给水。试验装置启动阶段的给水(变扬程小流量)一般由为整个试验装置进行水压试验的往复泵兼顾。在这种条件下，试验启动阶段需要专门的人员操作往复泵以及相应管线上的诸多阀门，防止往复泵出口超压破坏二回路试验模拟系统的压力边界。这种方法对操作人员要求较高，操作比较复杂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种升温升压过程中蒸汽发生器模拟体给水系统，解决给水系统复杂的问题。

此外，本发明还提供一种上述给水系统的控制方法。通过该方法能够实现在升温升压过程中给水温度、给水流量的自动调节，且控制精度高，有利于启动过程的平稳运行。

本发明通过下述技术方案实现：

升温升压过程中蒸汽发生器模拟体给水系统，包括蒸汽发生器模拟体、给水稳压器、冷凝器，所述给水稳压器与蒸汽发生器模拟体通过进水管路连通，所述蒸汽发生器模拟体与冷凝器通过蒸汽管路连通，所述进水管路上设置有给水泵，所述冷凝器的出口端与给水泵的进口端通过冷水管路连通，所述给水泵采用变频多级离心泵，所述进水管路上并联设置有给水泵的旁通支路，所述进水管路上在给水泵的后端设置有回热器，所述回热器的出口端与冷凝器的进口端连通，所述回热器的进口端与冷凝器的出口端连通，所述进水管路、蒸汽管路和旁通支路上均设置有流量计和调节阀。

现有的蒸汽发生器模拟体给水系统为了满足启动阶段的升温升压的需求，通常会设置主给水系统和启动给水系统，在启动升温升压过程中，利用启动给水系统为蒸汽发生器提供给水，维持蒸汽发生器二次侧水位正；待建立正常工况后，主给水系统投入运行，为蒸汽发生器提供给水，这样导致整个给水系统的结构复杂。

本发明对现有的主给水系统进行改进，使之能够同时适用于升温升压过程和正常工况的给水。本发明将现有主给水系统中的给水泵替换成变频多级离心泵，所述多级离心泵为现有技术，通过给水泵的无级变频运行方式，能够兼顾高扬程大流量给水和低扬程小流量给水的双重需求，可以在启动阶段根据实时工况提供稳定的给水，实现对蒸汽发生器模拟体进水流量的调节，进而实现对蒸汽发生器模拟体液位的调节，通过在进水管路上设置回热器，通过调节回热器蒸汽侧的流量实现对回热器出口温度的调节，进而实现对蒸汽发生器模拟体进水温度的调节，如此，本发明不仅能够满足蒸汽发生器模拟体启动阶段的升温升压的需求，而且结构简单。

进一步地，冷水管路上设置有给水换热器，所述给水换热器设置在回热器蒸汽侧出口的后端。

所述给水换热器能够对冷凝器出口端、回热器蒸汽侧的液体、蒸汽进行降温才处理，避免过高的温度进入到给水泵进口管路。

进一步地，给水换热器与外部供水端形成循环回路，所述循环回路上设置有流量计和调节阀

进一步地，回热器的出口端与冷凝器的进口端连通的管路上设置有调节阀TV204，所述回热器的进口端与冷凝器的出口端连通管路上设置有流量计。

所述流量计用于测量回热器蒸汽侧的蒸汽流量，通过调节调节阀TV204能够实现对回热器蒸汽侧流量的调节。

进一步地，冷凝器与外部供水端形成循环回路，所述循环回路上设置有流量计和调节阀。

进一步地，还包括控制系统，所述控制系统包括控制单元、信号采集单元和调节单元，

所述信号采集单元包括设置在回热器进口和出口的温度传感器、设置在蒸汽发生器模拟体内的压力传感器和液位传感器、设置在给水泵进口和出口的压力传感器，所述信号采集单元将采集到的信号传送给控制单元；

所述控制单元为控制器，用于接收信号采集单元采集的温度信号、压力信号和液位信号，将接收到的信号与程序设定值进行比较，作出判断是否开启调节单元；

所述调节单元用于接收控制单元发出的指令，根据指令进行相应调节，所述调节单元包括设置在进水管路上回热器前端的调节阀TV201、设置在旁通支路上的调节阀TV202、设置在蒸汽管路上的调节阀TV203和设置在回热器出口端与冷凝器进口端连接管路上调节阀TV204。

本发明所述控制器为现有技术，具体为PLC，所述温度传感器、压力传感器和液位传感器，以及调节阀均为现有技术。

本发明通过设置控制系统，控制单元能够根据采集信号实现对给水流量、给水温度的闭环自动控制(PID控制)，相应速度快，控制进度高，在启动升温升压过程中给水温度和给水流量可以实现自动调节，有利于启动过程的平稳运行，无需人员现场操作，无超压危险，整个操作流程简洁。

进一步地，控制器与计算机通信连接，所述计算机设于监控室。

上述设置便于在监控室内实时观察给水系统的工况。

进一步地，控制器与显示屏通信连接，所述显示屏设于模拟现场。

现场工作人员可通过显示屏实时观察到给水系统的工况。

一种如上述给水系统的控制方法，包括以下步骤：

1)、根据给水泵的电机频率、流量和扬程之间的通用数学关系，在控制器内构建不同频率下的流量、扬程计算子程序；

2)、将蒸汽发生器模拟体的正常液位L₀、给水温度的要求值T₂₀输入控制单元，给水泵的出口压力P₁与蒸汽发生器模拟体的压力P₂之间的压力差值ΔP＝P₁-P₂的设定值输入控制单元，以ΔP₂≤ΔP＝P₁-P₂≤ΔP₁作为给水泵变频控制的限定条件；

3)、给水系统启动后，由采集单元实时采集温度信号、压力信号和液位信号，并将信号传递给控制单元，在控制单元内，采集的信号与设定值进行比较，然后控制单元控制给水系统中的调节阀，实现对蒸汽发生器模拟体的液位控制和进水温度控制，所述控制单元根据步骤1)的计算子程序获得在某一频率下给水泵的流量和扬程，通过调节旁通支路上的调节阀TV202实现流量和扬程的调节，使测量值与通过计算获得的期望值匹配。

进一步地，所述液位控制的具体过程：当△P减小至设置值下线值△P₂时，由控制单元向给水泵发出指令提高给水泵的频率，通过计算子程序获得该频率下的给水泵的流量和扬程，结合采集到进水管路流量和旁通支路流量，由控制器控制调整调节阀TV202和调节阀TV201开度，使得给水泵实际扬程与流量在计算所得该频率下的额定运行点附近，同时，液位传感器将蒸汽发生器模拟体的实时液位L₁传递给控制单元，在控制单元内将L₁和L₀进行比较，再结合蒸汽发生器模拟体的蒸汽流量，由控制单元控制调整调节阀TV201开度，进而调节蒸汽发生器模拟体的给水流量，以维持液位稳定在蒸汽发生器模拟体的液位允许波动限值内；所述进水温度控制的具体过程：采集单元实时采集回热器的进口温度T₁和出口温度T₂、蒸汽发生器模拟体的给水流量、回热器蒸汽侧流量和蒸汽发生器模拟体的压力P₂，并将信号传递给控制单元，由控制单元调整调节阀TV204开度以控制回热器蒸汽侧流量，进而调节回热器给水侧出口温度T₂，使T₂在设定值T₂₀允许的范围内波动。

通过上述方法能够实现在升温升压过程中给水温度、给水流量的自动调节，且控制精度高，有利于启动过程的平稳运行。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明对现有的主给水系统进行改进，使之能够同时适用于升温升压过程和正常工况的给水，无需为反应堆非核系统模拟试验装置设置专用的启动给水系统，本发明不仅能够满足蒸汽发生器模拟体启动阶段的升温升压的需求，而且结构简单，节约了成本。

2、本发明通过设置控制系统，控制单元能够根据采集信号实现对给水流量、给水温度的闭环自动控制(PID控制)，相应速度快，控制进度高，在启动升温升压过程中给水温度和给水流量可以实现自动调节，有利于启动过程的平稳运行，无需人员现场操作，无超压危险，整个操作流程简洁。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1是给水系统的流程图；

图2是本发明的控制原理框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1：

如图1所示，升温升压过程中蒸汽发生器模拟体给水系统，包括蒸汽发生器模拟体、给水稳压器、冷凝器，所述给水稳压器与蒸汽发生器模拟体通过进水管路连通，所述蒸汽发生器模拟体与冷凝器通过蒸汽管路连通，所述进水管路上设置有给水泵，所述冷凝器的出口端与给水泵的进口端通过冷水管路连通，所述冷水管路上设置有阀门KV203，所述给水泵采用变频多级离心泵，所述进水管路上并联设置有给水泵的旁通支路，所述进水管路上在给水泵的后端设置有回热器，所述回热器的出口端与冷凝器的进口端连通，所述回热器的进口端与冷凝器的出口端连通，所述进水管路上设置有调节阀TV201、流量计F202、和阀门KV201，所述蒸汽管路上设置有调节阀TV203、流量计F203、和阀门KV202，所述旁通支路上设置有调节阀TV202、流量计F201。

实施例2：

如图1所示，本实施例基于实施例1，所述冷水管路上设置有给水换热器，所述给水换热器设置在回热器蒸汽侧出口的后端；所述给水换热器与外部供水端形成循环回路，所述循环回路上设置有调节阀TV901、流量计F901、和阀门KV901；所述回热器的出口端与冷凝器的进口端连通的管路上设置有调节阀TV204，所述回热器的进口端与冷凝器的出口端连通管路上(回热器蒸汽侧)设置有流量计F204和阀门KV204；所述冷凝器与外部供水端形成循环回路，所述循环回路上设置有调节阀TV902、流量计F902、和阀门KV902。

实施例3：

如图1、图2所示，本实施例基于实施例1或实施例2，还包括控制系统，所述控制系统包括控制单元、信号采集单元和调节单元，

所述信号采集单元包括设置在回热器进口和出口的温度传感器、设置在蒸汽发生器模拟体内的压力传感器和液位传感器、设置在给水泵进口和出口的压力传感器，所述信号采集单元将采集到的信号传送给控制单元；

所述控制单元为控制器，用于接收信号采集单元采集的温度信号、压力信号和液位信号，将接收到的信号与程序设定值进行比较，作出判断是否开启调节单元；

所述调节单元用于接收控制单元发出的指令，根据指令进行相应调节，所述调节单元包括设置在进水管路上回热器前端的调节阀TV201、设置在旁通支路上的调节阀TV202、设置在蒸汽管路上的调节阀TV203和设置在回热器出口端与冷凝器进口端连接管路上调节阀TV204。

实施例4：

如图1、图2所示，本实施例基于实施例3，所述控制器与计算机通信连接，所述计算机设于监控室；所述控制器与显示屏通信连接，所述显示屏设于模拟现场。

一种基于上述给水系统的控制方法，包括以下步骤：

1)、根据给水泵的电机频率、流量和扬程之间的通用数学关系，在控制器内构建不同频率S(转速)下的流量Q、扬程H计算子程序；

2)、将蒸汽发生器模拟体的正常液位L₀、给水温度的要求值T₂₀输入控制单元，给水泵的出口压力P₁与蒸汽发生器模拟体的压力P₂之间的压力差值ΔP＝P₁-P₂的设定值输入控制单元，以ΔP₂≤ΔP＝P₁-P₂≤ΔP₁作为给水泵变频控制的限定条件，△P₂和△P₁分别为给水泵的出口压力P₁与蒸汽发生器模拟体的压力P₂之间的压力差值所设定的下限值和上限值；

3)、给水系统启动后，由采集单元实时采集温度信号、压力信号和液位信号，并将信号传递给控制单元，在控制单元内，采集的信号与设定值进行比较，然后控制单元控制给水系统中的调节阀，实现对蒸汽发生器模拟体的液位控制和进水温度控制，所述控制单元根据步骤1)的计算子程序获得在某一频率下给水泵的流量和扬程，通过调节旁通支路上的调节阀TV202实现流量和扬程的调节，使测量值与通过计算获得的期望值匹配；所述液位控制的具体过程：当△P减小至设置值下线值△P₂时，由控制单元向给水泵发出指令提高给水泵的频率，频率提高步长ΔS根据所选型号给水泵的运行特性而定，通过计算子程序获得该频率下的给水泵的流量和扬程，结合采集到进水管路流量和旁通支路流量，由控制器控制调整调节阀TV202和调节阀TV201开度，使得给水泵实际扬程与流量在计算所得该频率下的额定运行点附近，同时，液位传感器将蒸汽发生器模拟体的实时液位L₁传递给控制单元，在控制单元内将L₁和L₀进行比较，再结合蒸汽发生器模拟体的蒸汽流量，由控制单元控制调整调节阀TV201开度，进而调节蒸汽发生器模拟体的给水流量，以维持液位稳定在蒸汽发生器模拟体的液位允许波动限值内((L₀-ΔL_0E，L₀+ΔL_0E)，ΔL_0E为蒸汽发生器液位允许波动限值)，在此过程中，同时调节阀门TV202开度以确保给水泵运行在频率值对应的额定运行点附近，在实际操作中，限值ΔP₁和ΔP₂的值根据试验装置调试阶段所获得的管路阻力特性和阀门TV201的调节性能而定；所述进水温度控制的具体过程：采集单元实时采集回热器的进口温度T₁和出口温度T₂、蒸汽发生器模拟体的给水流量、回热器蒸汽侧流量和蒸汽发生器模拟体的压力P₂，并将信号传递给控制单元，由控制单元调整调节阀TV204开度以控制回热器蒸汽侧流量，进而调节回热器给水侧出口温度T₂，使T₂在设定值T₂₀允许的范围内波动((T₂₀-ΔT_2E，T₂₀+ΔT_2E)范围内，ΔT_2E为给水温度允许偏差)。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.升温升压过程中蒸汽发生器模拟体给水系统，包括蒸汽发生器模拟体、给水稳压器、冷凝器，所述给水稳压器与蒸汽发生器模拟体通过进水管路连通，所述蒸汽发生器模拟体与冷凝器通过蒸汽管路连通，所述进水管路上设置有给水泵，所述冷凝器的出口端与给水泵的进口端通过冷水管路连通，其特征在于，所述给水泵采用变频多级离心泵，所述进水管路上并联设置有给水泵的旁通支路，所述进水管路上在给水泵的后端设置有回热器，所述回热器的出口端与冷凝器的进口端连通，所述回热器的进口端与冷凝器的出口端连通，所述进水管路、蒸汽管路和旁通支路上均设置有流量计和调节阀。

2.根据权利要求1所述的升温升压过程中蒸汽发生器模拟体给水系统，其特征在于，所述冷水管路上设置有给水换热器，所述给水换热器设置在回热器蒸汽侧出口的后端。

3.根据权利要求2所述的升温升压过程中蒸汽发生器模拟体给水系统，其特征在于，所述给水换热器与外部供水端形成循环回路，所述循环回路上设置有流量计和调节阀。

4.根据权利要求1所述的升温升压过程中蒸汽发生器模拟体给水系统，其特征在于，所述回热器的出口端与冷凝器的进口端连通的管路上设置有调节阀TV204，所述回热器的进口端与冷凝器的出口端连通管路上设置有流量计。

5.根据权利要求1所述的升温升压过程中蒸汽发生器模拟体给水系统，其特征在于，所述冷凝器与外部供水端形成循环回路，所述循环回路上设置有流量计和调节阀。

6.根据权利要求1至5任一所述的升温升压过程中蒸汽发生器模拟体给水系统，其特征在于，还包括控制系统，所述控制系统包括控制单元、信号采集单元和调节单元，

所述信号采集单元包括设置在回热器进口和出口的温度传感器、设置在蒸汽发生器模拟体内的压力传感器和液位传感器、设置在给水泵进口和出口的压力传感器，所述信号采集单元将采集到的信号传送给控制单元；

所述控制单元为控制器，用于接收信号采集单元采集的温度信号、压力信号和液位信号，将接收到的信号与程序设定值进行比较，作出判断是否开启调节单元；

所述调节单元用于接收控制单元发出的指令，根据指令进行相应调节，所述调节单元包括设置在进水管路上回热器前端的调节阀TV201、设置在旁通支路上的调节阀TV202、设置在蒸汽管路上的调节阀TV203和设置在回热器出口端与冷凝器进口端连接管路上调节阀TV204。

7.根据权利要求6所述的升温升压过程中蒸汽发生器模拟体给水系统，其特征在于，所述控制器与计算机通信连接，所述计算机设于监控室。

8.根据权利要求6所述的升温升压过程中蒸汽发生器模拟体给水系统，其特征在于，所述控制器与显示屏通信连接，所述显示屏设于模拟现场。

9.一种如权利要求6至8任一项所述给水系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)、根据给水泵的电机频率、流量和扬程之间的通用数学关系，在控制器内构建不同频率下的流量、扬程计算子程序；

2)、将蒸汽发生器模拟体的正常液位L₀、给水温度的要求值T₂₀输入控制单元，给水泵的出口压力P₁与蒸汽发生器模拟体的压力P₂之间的压力差值ΔP＝P₁-P₂的设定值输入控制单元，以ΔP₂≤ΔP＝P₁-P₂≤ΔP₁作为给水泵变频控制的限定条件，△P₂和△P₁分别为给水泵的出口压力P₁与蒸汽发生器模拟体的压力P₂之间的压力差值所设定的下限值和上限值；

3)、给水系统启动后，由采集单元实时采集温度信号、压力信号和液位信号，并将信号传递给控制单元，在控制单元内，采集的信号与设定值进行比较，然后控制单元控制给水系统中的调节阀，实现对蒸汽发生器模拟体的液位控制和进水温度控制，所述控制单元根据步骤1)的计算子程序获得在某一频率下给水泵的流量和扬程，通过调节旁通支路上的调节阀TV202实现流量和扬程的调节，使测量值与通过计算获得的期望值匹配。

10.根据权利要求9所述的控制方法，其特征在于，所述液位控制的具体过程：当△P减小至设置值下线值△P₂时，由控制单元向给水泵发出指令提高给水泵的频率，通过计算子程序获得该频率下的给水泵的流量和扬程，结合采集到进水管路流量和旁通支路流量，由控制器控制调整调节阀TV202和调节阀TV201开度，使得给水泵实际扬程与流量在计算所得该频率下的额定运行点附近，同时，液位传感器将蒸汽发生器模拟体的实时液位L1传递给控制单元，在控制单元内将L₁和L₀进行比较，再结合蒸汽发生器模拟体的蒸汽流量，由控制单元控制调整调节阀TV201开度，进而调节蒸汽发生器模拟体的给水流量，以维持液位稳定在蒸汽发生器模拟体的液位允许波动限值内；所述进水温度控制的具体过程：采集单元实时采集回热器的进口温度T₁和出口温度T₂、蒸汽发生器模拟体的给水流量、回热器蒸汽侧流量和蒸汽发生器模拟体的压力P₂，并将信号传递给控制单元，由控制单元调整调节阀TV204开度以控制回热器蒸汽侧流量，进而调节回热器给水侧出口温度T₂，使T₂在设定值T₂₀允许的范围内波动。