CN109404071B - 一种压水堆蒸汽发生器模型时间常数的辨识方法 - Google Patents

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Abstract

本发明核电机组稳定性分析技术领域，具体涉及一种压水堆蒸汽发生器模型时间常数的辨识方法。本发明可以获得精确、可靠性的蒸汽发生器模型时间常数，可提高蒸汽发生器仿真的准确性。针对在给汽轮机高压调门阶跃指令调节发电机功率的响应过程，通过对汽轮机蒸汽发生器模型时间常数的仿真辨识，可准确撑握核电汽轮机发电机组参与电网调频控制过程，从而更好维护机组和电网稳定运行。通过仿真辨识，可以指导核电汽轮机对发电机组功率的调节节奏，对于防止发电机功率出现过调、调节量不足、以及调节过程不稳定等现象起到了非常积极的作用。

Description

一种压水堆蒸汽发生器模型时间常数的辨识方法
技术领域
本发明核电机组稳定性分析技术领域，具体涉及一种压水堆蒸汽发生器模型时间常数的辨识方法。
背景技术
核电机组蒸汽发生器是一回路热量传递给二回路的桥梁。2010年赵洁等作者在《核动力工程》公开的论文《基于PSASP自定义模型的核电机组动态响应仿真》中记载：蒸汽发生器模型由一回路冷却剂平均温度模型、U型金属管热量传递模型和二回路蒸汽压力模型三部分组成。蒸汽发生器模型时间常数反映反应堆能量转换为一回路蒸汽能量的响应情况，准确获取这些时间常数，对发电机组功率调节器节具有重要的作用。然而目前并没有对蒸汽发生器模型时间常数的仿真辨识方法的相关报导。
核电机组容量大、二回路主蒸汽参数温度和压力均比较低，反应堆能量通过蒸汽发生器传递到二回路主蒸汽，准确地获取蒸汽发生器模型时间常数，可以指导核电汽轮机对发电机组功率的调节节奏，防止发电机功率出现过调、调节量不足、以及调节过程不稳定等现象。蒸汽发生器模型时间常数辨识一方面提高了电网稳定性仿真计算的精确性，另一方面也可以作为核电机组进行发电机功率调节方式的参考依据。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种压水堆蒸汽发生器模型时间常数的辨识方法，具体技术方案如下：
一种压水堆蒸汽发生器模型时间常数的辨识方法包括以下步骤：
(1)建立蒸汽发生器仿真模型，蒸汽发生器仿真模型一回路冷却剂平均温度模块、U型金属管热量传递模块和二回路蒸汽压力模块；
(2)建立时间响应传输仿真模型，用于仿真各响应环节变化的全过程，具体包括一回路冷却剂响应时间环节、U型金属管热量传递响应时间环节、二回路蒸汽压力响应时间环节；
(3)参数辨识，给汽轮机高压调门一阶跃指令，使高压调门开度突变，完成发电机组功率突变信号测试，通过采用最小二乘法，使仿真曲线与实测曲线高度一致，即可辨识得到蒸汽发生器模型的时间常数，主要包括蒸汽发生器中冷却剂的时间常数t蒸、U型管时间常数tU、压力时间常数t压。
优选地，所述步骤(1)中建立的蒸汽发生器仿真模型的数学表达式具体如下：
Figure GDA0002885332660000011
Figure GDA0002885332660000021
Figure GDA0002885332660000022
式中：
△TC：蒸汽发生器一回路冷却剂出口温度偏差；△TH：蒸汽发生器一回路冷却剂入口温度偏差；△Tm：金属管温度偏差；△PS：二回路蒸汽压力偏差；△y：汽轮机调门开度偏差；t蒸：蒸汽发生器中冷却剂的时间常数；tU：U型管时间常数；t压：压力时间常数；λ1：金属管温度系数；λ2：热线温度系数；λ3：冷却剂温度系数；λ4：压力温度系数；λ5：金属管压力系数；λ6：阀门压力系数。
优选地，所述建立的时间响应传输仿真模型具体如下式(4)-(6)：
Figure GDA0002885332660000023
Figure GDA0002885332660000024
Figure GDA0002885332660000025
其中，s为各响应时间环节的拉普拉斯算子。
优选地，所述步骤(3)中的辨识过程如下：
(1)在反应堆无料机组停运状态，安装好测试系统并调试正常；
(2)在反应堆填料后，核电机组启动并带负荷，汽轮机高压调门处于稳定状态，给高压调门一阶跃指令，使高压调门开度突变，发电机组功率也因而突变，高压调门开度突变后保持100毫秒的时间；试验过程中R棒和G棒行程保持不变，反应堆热功率也不变；
(3)给高压调门一阶跃指令前200毫秒启动数据采集装置，采集压水堆蒸汽发生器一回路冷却剂入口温度，压水堆蒸汽发生器一回路冷却剂出口温度，汽轮机调门开度，发电机功率，蒸汽发生器出口二回路蒸汽温度，蒸汽发生器出口二回路蒸汽压力；
(4)高压调门突变导致二回路主蒸汽压力的突变，引发反应堆冷却剂入口温度和出口温度的变化，蒸汽发生器冷却剂入口温度和出口温度也相应发生变化，通过最小二乘法使蒸汽发生器模型的仿真曲线与核电机组实测数据的一致，进而辨识出蒸汽发生器模型时间常数。
本发明的有益效果为：本发明通过一种压水堆蒸汽发生器模型时间常数的辨识方法，可以获得精确、可靠性的蒸汽发生器模型时间常数，可提高蒸汽发生器仿真的准确性。针对在给汽轮机高压调门阶跃指令调节发电机功率的响应过程，通过对汽轮机蒸汽发生器模型时间常数的仿真辨识，可准确撑握核电汽轮机发电机组参与电网调频控制过程，从而保持机组和电网稳定运行。通过仿真辨识，可以指导核电汽轮机对发电机组功率的调节节奏，对于防止发电机功率出现过调、调节量不足、以及调节过程不稳定等现象起到了非常积极的作用。
附图说明
图1为本发明建立的一回路冷却剂响应时间环节的时间响应传输仿真模型；
图2为U型金属管热量传递响应时间环节的时间响应传输仿真模型；
图3为二回路蒸汽压力响应时间环节的时间响应传输仿真模型；
图4为本发明实施例中基于ADPSS的建立的核电模型与实际机组对比的发电机功率示意图；
图5为本发明实施例中基于ADPSS的建立的核电模型与实际机组对比的蒸汽发生器一回路冷却剂出口温度示意图；
图6为本发明实施例中基于ADPSS的建立的核电模型与实际机组对比的蒸汽发生器一回路冷却剂入口温度示意图；
图7为本发明实施例中基于ADPSS的建立的核电模型与实际机组对比的汽轮机调门开度示意图；
图8为本发明实施例中基于ADPSS的建立的核电模型与实际机组对比的蒸汽发生器出口二回路蒸汽压力示意图；
图9为本发明实施例中的测试系统的结构示意图。
具体实施方式
为了更好的理解本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明：
一种压水堆蒸汽发生器模型时间常数的辨识方法包括以下步骤：
1、建立蒸汽发生器仿真模型，蒸汽发生器仿真模型一回路冷却剂平均温度模块、U型金属管热量传递模块和二回路蒸汽压力模块。在ADPSS建立核电机组模型，一回路冷却剂通过蒸汽发生器金属管壁向二回路传递热量，将二回路工质不断加热变成汽水混合物。对将要建立的模型作如下假设：
(1)蒸汽发生器内一回路和二回路的流体只朝一个方向流动；
(2)蒸汽发生器内一回路和二回路的流体密度和比热恒定；
(3)金属管壁的热传导率恒定；
(4)二回路饱和水与饱和蒸汽的热力学特性与压力成线性关系；
(5)二回路汽水混合物的焓和质量特性与导热路径的位置成线性关系；
(6)除了一回路冷却剂与金属管壁、金属管壁与二回路工质之间，没有其他的热交换产生。
建立的蒸汽发生器仿真模型的数学表达式具体如下：
Figure GDA0002885332660000041
Figure GDA0002885332660000042
Figure GDA0002885332660000043
式中：
△TC：蒸汽发生器一回路冷却剂出口温度偏差；△TH：蒸汽发生器一回路冷却剂入口温度偏差；△Tm：金属管温度偏差；△PS：二回路蒸汽压力偏差；△y：汽轮机调门开度偏差；t蒸：蒸汽发生器中冷却剂的时间常数；tU：U型管时间常数；t压：压力时间常数；λ1：金属管温度系数；λ2：热线温度系数；λ3：冷却剂温度系数；λ4：压力温度系数；λ5：金属管压力系数；λ6：阀门压力系数。
2、建立时间响应传输仿真模型，用于仿真各响应环节变化的全过程，具体包括一回路冷却剂响应时间环节、U型金属管热量传递响应时间环节、二回路蒸汽压力响应时间环节；建立的时间响应传输仿真模型具体如下式(4)-(6)，模型如图1-3所示：
Figure GDA0002885332660000044
Figure GDA0002885332660000045
Figure GDA0002885332660000046
其中，s为各响应时间环节的拉普拉斯算子。
3、参数辨识，给汽轮机高压调门一阶跃指令，使高压调门开度突变，完成发电机组功率突变信号测试，通过采用最小二乘法，使仿真曲线与实测曲线高度一致，即可辨识得到蒸汽发生器模型的时间常数，主要包括蒸汽发生器中冷却剂的时间常数t蒸、U型管时间常数tU、压力时间常数t压。辨识过程如下：
(1)在反应堆无料机组停运状态，安装好测试系统并调试正常；
(2)在反应堆填料后，核电机组启动并带负荷，汽轮机高压调门处于稳定状态，给高压调门一阶跃指令，使高压调门开度突变，发电机组功率也因而突变，高压调门开度突变后保持100毫秒的时间；试验过程中R棒和G棒行程保持不变，反应堆热功率也不变；
(3)给高压调门一阶跃指令前200毫秒启动数据采集装置，采集压水堆蒸汽发生器一回路冷却剂入口温度，压水堆蒸汽发生器一回路冷却剂出口温度，汽轮机调门开度，发电机功率，蒸汽发生器出口二回路蒸汽温度，蒸汽发生器出口二回路蒸汽压力；
(4)高压调门突变导致二回路主蒸汽压力的突变，引发反应堆冷却剂入口温度和出口温度的变化，蒸汽发生器冷却剂入口温度和出口温度也相应发生变化，通过最小二乘法使蒸汽发生器模型的仿真曲线与核电机组实测数据的一致，进而辨识出蒸汽发生器模型时间常数。
对某核电机组现场试验，使核电机组输出功率在200ms和300ms时分别发生两次阶跃，与此同时实验过程中反应堆的反应速率，即输出热功率保持恒定。核电机组额定功率为1086MW，两次阶跃分别是从100％额定功率到95％额定功率再回到100％额定功率。
核电机组功率瞬间阶跃的响应能够非常完整地表示核电机组内部热力学环节的特性，可以通过对实验中这些参数的模拟来对基于ADPSS的核电机组建模数据进行参数辨识，从而确定反映实际机组响应性能的模型参数。基于原本的核电机组模型，设置相同的工况，通过调节核电机组一回路的热力学参数，使所搭建的核电机组的模型表现出与实际核电机组相同的响应特性。在建模过程中，保持反应堆输出热功率处于额定值稳定不变，于是有选择地不考虑反应堆中子动力学模型，同时考虑冷却剂循环的热力学系统、蒸汽发生器模型。通过与实验数据的比对，基于ADPSS的核电机组模型与实际机组的比较如图4-8所示。图4到图8中的实线分别表示核电机组实际测试的发电机功率、蒸汽发生器一回路冷却剂出口温度、蒸汽发生器一回路冷却剂入口温度、汽轮机调门开度以及蒸汽发生器出口二回路蒸汽压力。图4到图8中的虚线分别表示核电机组模拟仿真的发电机功率、蒸汽发生器一回路冷却剂出口温度、蒸汽发生器一回路冷却剂入口温度、汽轮机调门开度以及蒸汽发生器出口二回路蒸汽压力。
建立的蒸汽发生器仿真模型的参数设置如下表1所示：
表1蒸汽发生器模型设置的参数
λ<sub>1</sub> 金属管温度系数 0.7912
λ<sub>2</sub> 热线温度系数 0.2088
λ<sub>3</sub> 冷却剂温度系数 0.4339
λ<sub>4</sub> 压力温度系数 178.3125
λ<sub>5</sub> 金属管压力系数 0.003
λ<sub>6</sub> 阀门压力系数 0.0284
辨识得到的时间常数如下表2所示：
表2辨识得到的蒸汽发生器模型的时间常数
t<sub>蒸</sub> 蒸汽发生器中冷却剂的时间常数(s) 0.002
t<sub>U</sub> U型管时间常数(s) 0.00936
t<sub>压</sub> 压力时间常数(s) 0.01
本申请参数辨识中的测试系统如图9所示，具体包括压水堆蒸汽发生器一回路冷却剂入口温度测量装置1、压水堆蒸汽发生器一回路冷却剂出口温度测量装置2、汽轮机调门开度测量装置5、发电机功率测量装置6、蒸汽发生器出口二回路蒸汽温度测量装置3、蒸汽发生器出口二回路蒸汽压力测量装置4、数据采集装置10。
压水堆蒸汽发生器一回路冷却剂入口温度测量装置1用于测量压水堆蒸汽发生器一回路冷却剂入口的温度，压水堆蒸汽发生器一回路冷却剂入口温度测量装置1采用窄量程直接浸入式电阻温度计测量；窄量程直接浸入式电阻温度计垂直安装在对应管道上。窄量程直接浸入式电阻温度计采用N9355S-1B温度计、KN615-S41CB-276S-S1温度计中的一种。
压水堆蒸汽发生器一回路冷却剂出口温度测量装置2用于测量压水堆蒸汽发生器一回路冷却剂出口的温度；压水堆蒸汽发生器一回路冷却剂出口温度测量装置2采用窄量程直接浸入式电阻温度计测量；窄量程直接浸入式电阻温度计垂直安装在对应管道上。窄量程直接浸入式电阻温度计采用N9355S-1B温度计、KN615-S41CB-276S-S1温度计中的一种。
汽轮机调门开度测量装置5用于测量汽轮机调门开度；汽轮机调门开度测量装置5包括位移传感器，位移传感器安装在汽轮机调门油动机阀杆上。其中，位移传感器的量程为0-500mm，输出电压为-5V～+5V或+1～+5V。
发电机功率测量装置6用于测量发电机的功率；发电机功率测量装置6包括电流互感器7、电压互感器8、功率变送器9；电流互感器7用于将发电机的定子输出的电流转换后输送至功率变送器；电压互感器8用于将发电机的定子输出的电压转换后输送至功率变送器；功率变送器9用于根据电流互感器7、电压互感器8输送的电流、电压数据计算发电机的功率，功率变送器9采用FPWT-201型功率变送器。
蒸汽发生器出口二回路蒸汽温度测量装置3用于测量蒸汽发生器出口二回路蒸汽的温度；蒸汽发生器出口二回路蒸汽温度测量装置3包括温度套管和温度测量元件；温度套管垂直安装在蒸汽发生器二回路蒸汽出口管道上，温度测量元件安装于温度套管内，温度测量元件采用E型热电偶。
蒸汽发生器出口二回路蒸汽压力测量装置4用于测量蒸汽发生器二回路出口蒸汽的压力；蒸汽发生器出口二回路蒸汽压力测量装置4包括压力取样管、压力变送器；压力取样管安装在蒸汽发生器二回路出口管道上，压力取样管用于将蒸汽发生器二回路出口蒸汽的压力信号传输至压力变送器；压力变送器用于将蒸汽发生器二回路出口蒸汽的压力信号转换成可测量的-5～+5V或+1～+5V的直流电信号。压力变送器采用EJA系列压力变送器。
数据采集装置10用于采集压水堆蒸汽发生器一回路冷却剂入口温度测量装置1、压水堆蒸汽发生器一回路冷却剂出口温度测量装置2、汽轮机调门开度测量装置5、发电机功率测量装置6、蒸汽发生器出口二回路蒸汽温度测量装置3、蒸汽发生器出口二回路蒸汽压力测量装置4的测量数据，数据采集装置10采用EIC-02L型数据采集系统。
数据采集装置10分别与压水堆蒸汽发生器一回路冷却剂入口温度测量装置1、压水堆蒸汽发生器一回路冷却剂出口温度测量装置2、汽轮机调门开度测量装置5、发电机功率测量装置6、蒸汽发生器出口二回路蒸汽温度测量装置3、蒸汽发生器出口二回路蒸汽压力测量装置4通过有线或无线的方式连接。
本发明不局限于以上所述的具体实施方式，以上所述仅为本发明的较佳实施案例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种压水堆蒸汽发生器模型时间常数的辨识方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)建立蒸汽发生器仿真模型，蒸汽发生器仿真模型一回路冷却剂平均温度模块、U型金属管热量传递模块和二回路蒸汽压力模块；
(2)建立时间响应传输仿真模型，用于仿真各响应环节变化的全过程，具体包括一回路冷却剂响应时间环节、U型金属管热量传递响应时间环节、二回路蒸汽压力响应时间环节；
(3)参数辨识，给汽轮机高压调门一阶跃指令，使高压调门开度突变，完成发电机组功率突变信号测试，通过采用最小二乘法，使仿真曲线与实测曲线高度一致，即可辨识得到蒸汽发生器模型的时间常数，主要包括蒸汽发生器中冷却剂的时间常数t蒸、U型管时间常数tU、压力时间常数t压。
2.根据权利要求1所述的一种压水堆蒸汽发生器模型时间常数的辨识方法，其特征在于：所述步骤(1)中建立的蒸汽发生器仿真模型的数学表达式具体如下：
Figure FDA0001909202020000011
Figure FDA0001909202020000012
Figure FDA0001909202020000013
式中：
△TC：蒸汽发生器一回路冷却剂出口温度偏差；△TH：蒸汽发生器一回路冷却剂入口温度偏差；△Tm：金属管温度偏差；△PS：二回路蒸汽压力偏差；△y：汽轮机调门开度偏差；t蒸：蒸汽发生器中冷却剂的时间常数；tU：U型管时间常数；t压：压力时间常数；λ1：金属管温度系数；λ2：热线温度系数；λ3：冷却剂温度系数；λ4：压力温度系数；λ5：金属管压力系数；λ6：阀门压力系数。
3.根据权利要求2所述的一种压水堆蒸汽发生器模型时间常数的辨识方法，其特征在于：所述建立的时间响应传输仿真模型具体如下式(4)-(6)：
Figure FDA0001909202020000014
Figure FDA0001909202020000015
Figure FDA0001909202020000016
其中，s为各响应时间环节的拉普拉斯算子。
4.根据权利要求1所述的一种压水堆蒸汽发生器模型时间常数的辨识方法，其特征在于：所述步骤(3)中的辨识过程如下：
(1)在反应堆无料机组停运状态，安装好测试系统并调试正常；
(2)在反应堆填料后，核电机组启动并带负荷，汽轮机高压调门处于稳定状态，给高压调门一阶跃指令，使高压调门开度突变，发电机组功率也因而突变，高压调门开度突变后保持100毫秒的时间；试验过程中R棒和G棒行程保持不变，反应堆热功率也不变；
(3)给高压调门一阶跃指令前200毫秒启动数据采集装置，采集压水堆蒸汽发生器一回路冷却剂入口温度，压水堆蒸汽发生器一回路冷却剂出口温度，汽轮机调门开度，发电机功率，蒸汽发生器出口二回路蒸汽温度，蒸汽发生器出口二回路蒸汽压力；
(4)高压调门突变导致二回路主蒸汽压力的突变，引发反应堆冷却剂入口温度和出口温度的变化，蒸汽发生器冷却剂入口温度和出口温度也相应发生变化，通过最小二乘法使蒸汽发生器模型的仿真曲线与核电机组实测数据的一致，进而辨识出蒸汽发生器模型时间常数。
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