CN110826230A - 一种核电厂凝泵运行工艺仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种核电厂凝泵运行工艺仿真方法，利用核电机组全范围模拟机模型，分别仿真工频模式、变速模式时不同负荷下，上水阀的开度值、凝泵出口压力值、凝泵的流量、凝泵的转速，在得到以上数据后，绘制工频模式和变速模式下的负荷与阀门开度的函数曲线、负荷与凝泵出口压力的函数曲线、负荷与凝泵电机功率的函数曲线，实现常规岛系统的全模型工艺仿真，本发明实现常规岛系统的全模型工艺仿真，方案经济、易操作、输出直观、可达性强。同时，由于仿真模拟已通过现场实际运行验证，可保证仿真结果可靠性高，能替代传统火电的现场试验方案。因此，解决了核电机组无法现场试验的关键难题，为电厂节约大量的试验经费。

Description

一种核电厂凝泵运行工艺仿真方法

技术领域

本发明涉及核电领域，尤其涉及一种核电厂凝泵运行工艺仿真方法。

背景技术

核电站二回路水回路流程简图如图1所示，图中1是凝结水泵，简称凝泵，2是上水阀，3是除氧器，4是凝汽器。凝结水泵作为核电站常规岛凝结水系统的重要动力设备，其传统运行方式采用工频运行。除氧器的水位通过改变凝结水泵的出口处的上水阀的开度来控制。广核CPR1000机组每台机组均配备三台50％的凝结水泵，采用两用一备的运行方式。由于凝结水泵设计选型裕度较大，当电厂投运两台凝泵时将通过减小上水阀开度来保证除氧器的流量需求，在机组满功率运行状态下上水阀的开度通常不足50％。由于上水阀存在较大节流损失，而且当机组参与调峰，随着负荷下降，上水阀开度进一步减小，凝泵仍以额定转速运行，偏离经济运行工况，造成电能浪费严重。

凝结水泵变速节能的基本原理如图2所示，其中Q、H分别为泵出口流量和扬程，点1、2、3分别表示额定工况、限压工况、允许最低工况，n1/n2/n3和S1/S2/S3分别为不同工况下对应的凝结水泵性能曲线和管路特性线。凝泵变速工况允许时，随着上水阀开度增加，管路阻力系数减小(S1→S2)，凝泵转速相应下降(n1→n2)，实现节能降耗的目的。但由于泵本体设计和凝结水泵下游用户影响，凝结水泵实际变速调节过程中必然存在最低可用转速。其中，允许最低工况即表示根据泵的设计特性，受其结构、效率、汽蚀余量等参数影响由泵厂家提供的可允许的最低转速，限压工况表示受凝结水泵下游系统用户压力限制对应的工况。如何准确获取机组在不同负荷下工况所对应的系统参数，是凝结水泵节能改造的重点和难点工作。

目前常规火电厂已有不少凝结水泵变速改造的成功案例，由于核电机组和常规火电机组在管理和运行控制目标方面侧重点不同，凝结水泵变频改造在核电厂实施的最大困难在于核电厂不具备现场试验条件，故核电厂的凝结水泵均采用工频泵运行控制方式，暂无变速改造先例。由于核电厂无法通过机组变负荷试验方式直接获得不同负荷与上水阀开度、凝泵出口压力等重要参数的函数关系，无法通过试验验证变负荷工况下机组的运行状态和控制策略是安全、可靠的。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种核电厂凝泵运行工艺仿真方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种核电厂凝泵运行工艺仿真方法，包括：

利用核电机组全范围模拟机模型，仿真凝泵在工频模式、变速模式时不同负荷下，上水阀的开度值、凝泵出口压力值、凝泵的流量、凝泵的转速，根据流量、转速计算凝泵电机功率，绘制工频模式下的负荷与阀门开度的函数曲线、负荷与凝泵出口压力的函数曲线、负荷与凝泵电机功率的函数曲线。

利用核电机组全范围模拟机模型，仿真凝泵在变速模式时不同负荷下，上水阀的开度值、凝泵出口压力值、凝泵的流量、凝泵的转速，根据流量、转速计算凝泵电机功率，绘制变速模式下的负荷与阀门开度的函数曲线、负荷与凝泵出口压力的函数曲线、负荷与凝泵电机功率的函数曲线。

在本发明所述的方法，仿真工频模式/变速模式时不同负荷下，上水阀的开度值、凝泵出口压力值、凝泵的流量、凝泵的转速，包括：

在模拟机模型中输入不同转速下凝泵的性能特性曲线数据；

修改模拟机模型中的凝泵正常运行及各种瞬态工况下的控制逻辑；

修改模拟机模型中的上水阀正常运行及各种瞬态工况下控制逻辑；

设置凝泵在工频模式/变速模式，改变机组负荷，针对每一次负荷进行一次仿真，获取不同负荷下上水阀的开度值、凝泵出口压力值、流量、转速。

在本发明所述的方法中，修改后的凝泵的正常运行及各种瞬态工况下的控制逻辑包括PID调节器、负荷压力模块、两个选择块、手自动切换闭锁模块，PID调节器的两个输入是除氧器水位的反馈值和设定值，其可根据反馈值和设定值的差值进行PID调节输出水位调速指令；负荷压力模块的输入是反馈的实际负荷，其可基于实际负荷与凝泵出口压力的函数输出压力调速指令，第一个选择块的两个输入是PID调节器、负荷压力模块的输出，第二个选择块的两个输入是第一个选择块的输出和反馈的超驰指令，手自动切换闭锁模块的输入是第二个选择块的输出、输出的是永磁调速指令；

在出现负荷低于50％或者出现甩负荷信号时，第一个选择块选择负荷压力模块的输出，其他工况选择PID调节器的输出；在出现泵跳闸联起备用泵的时，第二个选择块选择反馈的超驰指令输出，其他工况选择第一个选择块的输出；在出现泵跳闸联起备用泵、联起备用泵且所有的泵都运行、除氧器水位信号故障、除氧器水位控制偏差大、泵指令反馈偏差大的任一种工况时，手自动切换闭锁模块选择手动模式，其他工况选择自动模式；在出现母管压力过低时，手自动切换闭锁模块闭锁调速泵减少指令。

在本发明所述的方法中，修改后的上水阀的正常运行及各种瞬态工况下的控制逻辑包括PID调节器、负荷压力模块、两个选择块、负荷开度模块、手自动切换闭锁模块、阀门开度分配模块，PID调节器的两个输入是除氧器水位的反馈值和设定值，其可根据反馈值和设定值的差值进行PID调节输出水位调速指令；负荷压力模块的输入是反馈的实际负荷，其可基于实际负荷与管网压力的函数输出压力调速指令，负荷开度模块的输入是反馈的实际负荷，其可基于实际负荷与阀门开度的函数输出开度调速指令，第一个选择块的两个输入是PID调节器、负荷压力模块的输出，第二个选择块的两个输入是第一个选择块的输出和负荷开度模块的输出，手自动切换闭锁模块的输入是第二个选择块的输出、输出的是阀门开度总指令，阀门开度分配模块的输入是手自动切换闭锁模块的输出，阀门开度分配模块的多个输出分别给到对应的多个上水阀；

在出现所有泵运行或者负荷低于50％或者出现甩负荷信号时，第一个选择块选择PID调节器的输出且第二个选择块将在一定时间后选择负荷开度模块的输出，其他工况时第一个选择块选择负荷压力模块的输出且第二个选择块选择第一个选择块的输出；在出现运行人员切手动、除氧器水位信号故障、阀门指令反馈偏差大的任一种工况时，手自动切换闭锁模块选择手动模式，其他工况选择自动模式。

本发明的核电厂凝泵运行工艺仿真方法，具有以下有益效果：本发明利用核电机组全范围模拟机模型，分别仿真工频模式、变速模式时不同负荷下，上水阀的开度值、凝泵出口压力值、凝泵的流量、凝泵的转速，进而根据流量、转速计算凝泵电机功率，在得到以上数据后，即可绘制工频模式和变速模式下的负荷与阀门开度的函数曲线、负荷与凝泵出口压力的函数曲线、负荷与凝泵电机功率的函数曲线，实现常规岛系统的全模型工艺仿真。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图：

图1是常规岛二回路循环简图；

图2是凝结水泵变速节能原理图；

图3是本发明的核电厂凝泵运行工艺仿真方法的流程图；

图4是凝结水泵工频运行时除氧器水位的调节原理示意图；

图5是修改后的凝泵的控制逻辑；

图6是修改后的上水阀的控制逻辑。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的典型实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。应当理解本发明实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本发明实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

参考图3，本发明的一种核电厂凝泵运行工艺仿真方法包括：

S301、利用核电机组全范围模拟机模型，仿真凝泵在工频模式时不同负荷下，上水阀的开度值、凝泵出口压力值、凝泵的流量、凝泵的转速；根据流量、转速计算凝泵电机功率；绘制工频模式下的负荷与阀门开度的函数曲线、负荷与凝泵出口压力的函数曲线、负荷与凝泵电机功率的函数曲线。

本发明是在既有的全范围模拟机模型的基础上进行了部分改进，主要是针对泵、上水阀进行了逻辑改进，改完之后仿真，即可输出得到常规岛各相关系统参数变化情况，包括除氧器水位波动、上水阀的实时开度值、凝泵出口压力值、流量、转速等重要参数。

因为只要能够获取到凝泵的流量、转速，即可计算得到凝泵电机功率，凝泵电机功率的计算是本领域的常识，此处不再拓展说明。

S302、利用核电机组全范围模拟机模型，仿真凝泵在变速模式时不同负荷下，上水阀的开度值、凝泵出口压力值、凝泵的流量、凝泵的转速，绘制变速模式下的负荷与阀门开度的函数曲线、负荷与凝泵出口压力的函数曲线、负荷与凝泵电机功率的函数曲线。

在核电厂由于不具备现场试验的窗口和条件，故本发明通过GENUS仿真平台，利用全范围模拟机实现如上两种模式中的相关仿真模拟，全范围模拟机是中广核已经推广使用的一种模型。

其中，步骤S301、S302仿真时具体包括：

1)在模拟机模型中输入不同转速下凝泵的性能特性曲线数据，该曲线数据是凝泵厂家提供的数据。

2)修改模拟机模型中的凝泵正常运行及各种瞬态工况下的控制逻辑，以及修改模拟机模型中的上水阀正常运行及各种瞬态工况下控制逻辑。

3)设置工频模式/变速模式，改变机组负荷，针对每一次负荷进行一次仿真，获取不同负荷下上水阀的开度值、凝泵出口压力值、流量、转速。

参考图4，传统方案中凝结水泵工频运行时，除氧器水位的调节靠上水阀CEX025VL或者CEX026VL进行单一的PID调节，当凝泵跳闸联锁启动备用泵时，上水阀调节方式不变。在机组满功率运行状态下上水阀的开度通常不足50％。此时上水阀存在较大节流损失，凝泵以额定转速运行，偏离经济运行工况，造成电能浪费严重。

本申请对凝泵、上水阀的控制逻辑同时进行了改进。

首先介绍泵的控制逻辑。

参考图5，修改后的凝泵的正常运行及各种瞬态工况下的控制逻辑包括PID调节器、负荷压力模块、两个选择块、手自动切换闭锁模块，需要说明的是，图中所有的虚线箭头代表各种触发条件，也即各种工况，虚线箭头指向的器件会根据箭头所对应的工况是否被触发而选择与其直接连接的N、Y两条输入路径，如果箭头所对应的工况发生，则虚线箭头指向的器件会选择与其直接连接的Y这条输入路径。

PID调节器的两个输入是除氧器水位的反馈值和设定值，其可根据反馈值和设定值的差值进行PID调节输出水位调速指令；负荷压力模块的输入是反馈的实际负荷，其可基于实际负荷与凝泵出口压力的函数f1(x)输出压力调速指令(该函数是可以先将其设置为空，然后将手自动切换闭锁模块设置为手动模式，通过改变负荷进行手动仿真得到的。当然，之后还可以进行修正)，第一个选择块的两个输入是PID调节器、负荷压力模块的输出，第二个选择块的两个输入是第一个选择块的输出和反馈的超驰指令，手自动切换闭锁模块的输入是第二个选择块的输出、输出的是永磁调速指令。具体来说，手自动切换闭锁模块中的A/M表示自动/手动指令，T表示选择，闭锁+/-表示禁止指令增加/减小。

具体控制原理是：在出现负荷低于50％或者出现甩负荷信号时，第一个选择块选择负荷压力模块的输出，其他工况选择PID调节器的输出；在出现泵跳闸联起备用泵的时，第二个选择块选择反馈的超驰指令输出，其他工况选择第一个选择块的输出；在出现泵跳闸联起备用泵、联起备用泵且所有的泵都运行(因为系统中泵采用两用一备的运行方式，也就是说三台泵都运行)、除氧器水位信号故障、除氧器水位控制偏差大、泵指令反馈偏差大的任一种工况时，手自动切换闭锁模块选择手动模式，其他工况选择自动模式；在出现母管压力过低时，手自动切换闭锁模块闭锁调速泵减少指令。

基于以上控制逻辑可见，正常运行时，除氧器的三个水位测点得到的水位进行三取均得到表征实际准确的除氧器水位的反馈值P，该反馈值P与目标设定水位值S的差值作为PID调节器的输入，PID调节器是模拟机中的一种常见的反馈型调节器，其运算主要是将反馈值调整到目标设定值。在正常运行情况下PID调节器的输出，经过两个T选择块。第一个选择块的作用为运行模式切换，其切换条件是负荷低于50％或者出现甩负荷信号。第二个选择块的作用为调速指令切换，若无切换条件触发则，T块的输出为N路径的值，若有条件触发则输出为Y路径的值，经过手自动切换闭锁模块后就是变速泵自动调速指令，此流程为正常调速控制。

故障或甩负荷的运行模式：正常运行时，泵自动调速运行下控制除氧器水位，当有甩负荷或负荷信号低于50％的信号产生时，第一个T选择块选择的不再是除氧器水位的PID输出，而是选择Y路信号进行控制，即此时泵调节除氧器水位的模式在此处被切换到了泵调节压力的模式，N输出端的信号为负荷-压力控制函数对应的泵转速值。

当遇到该变速泵跳闸联起备用备的时候，此时视为系统有扰动，正常的调速指令会切换到扰动下的超驰指令0％，目的是让该泵迅速停下，同时该泵切为手动状态。

在泵正常运行过程中，若出现除氧器水位信号故障，此时视为调节目标反馈异常，PID调节输入无效，所以需将泵切为手动运行。若出现除氧器水位控制偏差大，视为系统可能存在更大的扰动或系统无法正常工作，泵需切为手动位由运行人员检查原因。若出现泵指令反馈偏差大，说明泵出力可能故障，需切为手动状态检查原因。若三台泵都在运行，则出力可能过大，除氧器上水阀由调压模式切换为调节水位模式，调速泵切换为手动或全速运行。

调速泵在运行过程中，出现母管压力过低(图中L/代表低限比较器)时，闭锁(禁止)调速泵指令减少，防止管网压力过低影响安全。

下面介绍上水阀的控制逻辑。

上水阀的控制与泵的控制是协作配合的。正常运行时，泵调节除氧器水位，上水阀控制管网压力。参考图6，修改后的上水阀的正常运行及各种瞬态工况下的控制逻辑包括PID调节器、负荷压力模块、两个选择块、负荷开度模块、手自动切换闭锁模块、阀门开度分配模块，同理，图中所有的虚线箭头代表各种触发条件，也即各种工况，虚线箭头指向的器件会根据箭头所对应的工况是否被触发而选择与其直接连接的N、Y两条输入路径，如果箭头所对应的工况发生，则虚线箭头指向的器件会选择与其直接连接的Y这条输入路径。

PID调节器的两个输入是除氧器水位的反馈值和设定值，其可根据反馈值和设定值的差值进行PID调节输出水位调速指令；负荷压力模块的输入是反馈的实际负荷，其可基于实际负荷与管网压力的函数f2(x)输出压力调速指令(该函数的获取方式参考f1(x)的获取方式)，负荷开度模块的输入是反馈的实际负荷，其可基于实际负荷与阀门开度的函数f3(x)输出开度调速指令(该函数的获取方式参考f1(x)的获取方式)，第一个选择块的两个输入是PID调节器、负荷压力模块的输出，第二个选择块的两个输入是第一个选择块的输出和负荷开度模块的输出，手自动切换闭锁模块的输入是第二个选择块的输出、输出的是阀门开度总指令，阀门开度分配模块的输入是手自动切换闭锁模块的输出，阀门开度分配模块可根据输入的总指令和预设的阀位分配函数f4(x)确定分配给对应的多个上水阀的开度指令(函数f4(x)是根据系统之前的分配要求直接引入)，因此阀门开度分配模块的多个输出分别给到对应的多个上水阀，本发明中具体来说是输出两个上水阀CEX025VL、CEX026VL开度指令。

具体控制原理是：在出现所有泵运行或者负荷低于50％或者出现甩负荷信号时，第一个选择块选择PID调节器的输出且第二个选择块将在一定时间(比如10s)后选择负荷开度模块的输出，其他工况时第一个选择块选择负荷压力模块的输出且第二个选择块选择第一个选择块的输出；在出现运行人员切手动、除氧器水位信号故障、阀门指令反馈偏差大的任一种工况时，手自动切换闭锁模块选择手动模式，其他工况选择自动模式。

基于以上控制逻辑可见，不同负荷下各个系统用水量不同，管网压力不同。通过仿真的方式做出该曲线f2(x)，该压力匹配上阀门开度(此数据也为运行仿真得出，阀门尽量开大)，例如90％负荷下，管网最低压力为2.2MPa，在充分考虑安全裕度情况下，此时阀门最大总开度是65％，则此时上水阀的开度以65％的总指令调配给两个上水阀。

异常工况策略：上水阀自动调节管网压力状态下。当第一个选择快的切换条件触发时(出现三台泵运行或者负荷低于50％或者甩负荷信号的时候)，第一个选择快会选择除氧器水位调节的模式输出。同时此刻，因扰动比较大，为了防止除氧器水位在此时有较大的波动，在10秒内较快地按照f3(x)曲线关回，之后调门调节水位，前面的图5中此时泵水位调节方式切换到调压方式。

调节阀在自动位状态时，当出现图中所示的切手动的条件时，手自动切换闭锁模块使阀门切换为手动状态。

另外，需要说明的是，本发明如果要设置工频模式仿真，只需要将泵切手动，通过手动调节泵调到100％额定转速，即可定义泵在工频状态。

可见，本发明中，凝结水泵调速运行可通过全范围模拟机工艺仿真，可通过计算机调整模型并在线观察所有相关系统参数的变化情况，方案经济、易操作、输出直观、可达性强。同时，由于仿真模拟已通过现场实际运行验证，可保证仿真结果可靠性高，能替代传统火电的现场试验方案。因此，解决了核电机组无法现场试验的关键难题，为电厂节约大量的试验经费。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (4)

1.一种核电厂凝泵运行工艺仿真方法，其特征在于，包括：

利用核电机组全范围模拟机模型，仿真凝泵在工频模式、变速模式时不同负荷下，上水阀的开度值、凝泵出口压力值、凝泵的流量、凝泵的转速，根据流量、转速计算凝泵电机功率，绘制工频模式下的负荷与阀门开度的函数曲线、负荷与凝泵出口压力的函数曲线、负荷与凝泵电机功率的函数曲线。

利用核电机组全范围模拟机模型，仿真凝泵在变速模式时不同负荷下，上水阀的开度值、凝泵出口压力值、凝泵的流量、凝泵的转速，根据流量、转速计算凝泵电机功率，绘制变速模式下的负荷与阀门开度的函数曲线、负荷与凝泵出口压力的函数曲线、负荷与凝泵电机功率的函数曲线。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，仿真工频模式/变速模式时不同负荷下，上水阀的开度值、凝泵出口压力值、凝泵的流量、凝泵的转速，包括：

在模拟机模型中输入不同转速下凝泵的性能特性曲线数据；

修改模拟机模型中的凝泵正常运行及各种瞬态工况下的控制逻辑；

修改模拟机模型中的上水阀正常运行及各种瞬态工况下控制逻辑；

设置凝泵在工频模式/变速模式，改变机组负荷，针对每一次负荷进行一次仿真，获取不同负荷下上水阀的开度值、凝泵出口压力值、流量、转速。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，修改后的凝泵的正常运行及各种瞬态工况下的控制逻辑包括PID调节器、负荷压力模块、两个选择块、手自动切换闭锁模块，PID调节器的两个输入是除氧器水位的反馈值和设定值，其可根据反馈值和设定值的差值进行PID调节输出水位调速指令；负荷压力模块的输入是反馈的实际负荷，其可基于实际负荷与凝泵出口压力的函数输出压力调速指令，第一个选择块的两个输入是PID调节器、负荷压力模块的输出，第二个选择块的两个输入是第一个选择块的输出和反馈的超驰指令，手自动切换闭锁模块的输入是第二个选择块的输出、输出的是永磁调速指令；

在出现负荷低于50％或者出现甩负荷信号时，第一个选择块选择负荷压力模块的输出，其他工况选择PID调节器的输出；在出现泵跳闸联起备用泵的时，第二个选择块选择反馈的超驰指令输出，其他工况选择第一个选择块的输出；在出现泵跳闸联起备用泵、联起备用泵且所有的泵都运行、除氧器水位信号故障、除氧器水位控制偏差大、泵指令反馈偏差大的任一种工况时，手自动切换闭锁模块选择手动模式，其他工况选择自动模式；在出现母管压力过低时，手自动切换闭锁模块闭锁调速泵减少指令。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，修改后的上水阀的正常运行及各种瞬态工况下的控制逻辑包括PID调节器、负荷压力模块、两个选择块、负荷开度模块、手自动切换闭锁模块、阀门开度分配模块，PID调节器的两个输入是除氧器水位的反馈值和设定值，其可根据反馈值和设定值的差值进行PID调节输出水位调速指令；负荷压力模块的输入是反馈的实际负荷，其可基于实际负荷与管网压力的函数输出压力调速指令，负荷开度模块的输入是反馈的实际负荷，其可基于实际负荷与阀门开度的函数输出开度调速指令，第一个选择块的两个输入是PID调节器、负荷压力模块的输出，第二个选择块的两个输入是第一个选择块的输出和负荷开度模块的输出，手自动切换闭锁模块的输入是第二个选择块的输出、输出的是阀门开度总指令，阀门开度分配模块的输入是手自动切换闭锁模块的输出，阀门开度分配模块的多个输出分别给到对应的多个上水阀；

在出现所有泵运行或者负荷低于50％或者出现甩负荷信号时，第一个选择块选择PID调节器的输出且第二个选择块将在一定时间后选择负荷开度模块的输出，其他工况时第一个选择块选择负荷压力模块的输出且第二个选择块选择第一个选择块的输出；在出现运行人员切手动、除氧器水位信号故障、阀门指令反馈偏差大的任一种工况时，手自动切换闭锁模块选择手动模式，其他工况选择自动模式。

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