CN111780089B - 一种直流蒸汽发生器给水控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直流蒸汽发生器给水控制方法及系统，本发明是一种适用于压水堆核电厂直流蒸汽发生器给水控制方法，该控制方法提供了给水控制系统基本原理及相关控制环节的解决方案。控制系统由蒸汽压力控制通道、负荷前馈控制通道、蒸汽过热度补偿通道三个控制通道组成，综合考虑了二回路蒸汽压力控制、负荷快速变化及汽轮机对蒸汽过热度的需求。采用这种发明的压水堆核电厂直流蒸汽发生器给水控制能够满足二回路静态运行特性要求和一、二回路瞬态响应要求，同时满足用汽品质的要求，有利于保证核电厂的安全性和经济性。

Description

一种直流蒸汽发生器给水控制方法及系统

技术领域

本发明涉及核动力装置技术领域，具体涉及一种采用直流蒸汽发生器的压水堆核动力装置给水控制方法。

背景技术

目前已有升温升压过程蒸汽发生器模拟体给水控制、蒸汽发生器给水温度控制模拟系统、蒸汽发生器水位控制系统和防止蒸汽发生器水位震荡的方法等技术文献。已有具有水位模糊 PID控制系统和具有前馈补偿作用的水位模型预测控制系统的压水堆核电站蒸汽发生器水位先进控制系统设计研究。这些控制系统的控制方法采用传统的三冲量控制方法，即把蒸汽发生器水位，给水流量和蒸汽流量作为蒸汽发生器水位控制系统的输入，从而控制给水流量。采用直流蒸汽发生器(OTSG)的核电厂，由于OTSG水容量小，一次侧和二次侧传热过程迅速，OTSG中预热段、沸腾段和过热段的长度变化剧烈，因此在OTSG中无法进行有效的水位测量，使得上述已有文献中采用蒸汽发生器水位作为控制系统输入的控制方法无法用于采用直流蒸汽发生器(OTSG)的核电厂的给水控制。

对于直流蒸汽发生器的给水控制，有采用给水流量需求值作为前馈的串级PI控制方案调节给水流量，通过维持给水调节阀前后压力不变调节给水泵转速的钠冷快堆给水流量控制方法。该控制方案主要是利用钠温产生给水流量定值并与实测值进行比较，从而控制给水流量。在该控制方案中，作为蒸汽发生器一次侧出口的钠温保持设定值是控制目标。这与采用直流蒸汽发生器的压水堆核电厂要求蒸汽发生器二次侧压力为设定值，且需有过热度要求的控制目标截然不同，因此该控制方法无法用于压水堆核电厂直流蒸汽发生器给水控制。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供了解决上述问题的一种直流蒸汽发生器给水控制方法及系统，本发明提供的压水堆核电厂直流蒸汽发生器给水控制能够保证满足二回路静态运行特性要求和瞬态响应要求，同时满足汽轮发电机组对蒸汽品质的要求。

本发明通过下述技术方案实现：

一种直流蒸汽发生器给水控制方法，包括蒸汽压力控制、负荷前馈控制和蒸汽过热度补偿控制；所述蒸汽压力控制，通过蒸汽压力设定值和蒸汽压力测量值进行比较获得压力偏差，将压力偏差经过比例积分运算获得给水流量偏差信号U₁；所述负荷前馈控制，通过蒸汽流量值和给水流量测量值的比较获得蒸汽流量和给水流量偏差，将蒸汽流量和给水流量偏差经过比例积分运算获得给水流量偏差信号U₂；所述蒸汽过热度补偿控制，基于当前蒸汽压力测量值和蒸汽温度测量值计算获得蒸汽实际过热度，通过蒸汽实际过热度与过热度设定值比较获得过热度偏差，将过热度偏差经过可变增益运算后获得给水流量偏差信号U₃；将所述给水流量偏差信号U₁、U₂和U₃的总和作为输入总偏差信号用于调节给水流量变化。

对于采用直流蒸汽发生器的压水堆核电厂，其二回路静态运行特性一般是蒸汽发生器出口侧蒸汽压力为设定值(恒定不变或者设计为随功率变化的设定值)，因此OTSG给水控制的主要目标是保持蒸汽发生器出口侧蒸汽压力为设定值。由于OTSG二次侧出口蒸汽为过热蒸汽，为提高核电厂经济性和保证汽轮发电机组设备的可靠运行，对于过热蒸汽有一定的过热度要求，同时该控制系统应能在正常瞬态变化工况下能够满足负荷变化下的给水流量要求。

按照上述控制目标要求，OTSG给水控制系统可选用如下参数作为控制系统输入参数：蒸汽压力设定值、蒸汽压力测量值、蒸汽流量测量值、给水流量测量值、蒸汽温度测量值。

整个控制过程分为三个控制步骤：蒸汽压力控制、负荷前馈控制、蒸汽过热度补偿控制。其中，蒸汽压力控制为主控制，由蒸汽压力设定值和蒸汽压力测量值进行比较，其偏差经过比例+积分(PI)运算调节给水，保证二回路压力在静态运行特性曲线上；负荷前馈控制通道的目的是在二回路负荷发生较快变化时，根据蒸汽流量和给水流量的偏差，经过比例(P)运算产生一个附加的前馈信号，使得给水流量能够及时响应负荷的快速变化；蒸汽过热度补偿控制的作用是根据当前测量的蒸汽温度和蒸汽压力计算出蒸汽实际过热度，该过热度与过热度设定值进行比较，差值送入可变增益单元经运算后共同进行给水流量的调节。

综上所述，本发明综合考虑了核电厂二回路给水控制需求，既可以满足在正常工况变化过程中维持二回路压力静态运行特性的要求，又可以在负荷线性变化、阶跃变化及甩负荷等工况下快速跟踪负荷瞬态变化，并在此过程中兼顾采用直流蒸汽发生时汽轮发电机组对蒸汽过热度的要求。

进一步优选，设置输入信号死区；当输入总偏差信号在死区范围内时，给水调节阀不动作；当输入总偏差信号超过死区范围后给水调节阀动作。

进一步优选，所述给水流量偏差信号U₁的计算公式如式(1)所示：

U₁＝K₁ΔP+∫ΔPdt (1)；

其中，K₁为蒸汽压力控制通道比例系数，ΔP为得蒸汽压力设定值P_s0和蒸汽压力测量值P_s之间的偏差，∫ΔPdt为压力偏差积分项。

进一步优选，所述给水流量偏差信号U₂的计算公式如式(2)所示：

U₂＝K₂ΔQ (2)；

其中，K₂ 为负荷前馈控制通道比例系数，ΔQ为蒸汽流量测量值Q_s和给水流量测量值Q_f之间的偏差。

进一步优选，所述给水流量偏差信号U₃的计算公式如式(3)所示：

U₃＝K₃ΔT_s (3)；

其中，K₃为过热度补偿通道可变增益单元得出的比例系数，ΔT_s为当前的蒸汽实际过热度 T_s和过热度设定值T_s0之间的偏差。

一种直流蒸汽发生器给水控制系统，用于实现上述的一种直流蒸汽发生器给水控制方法，包括蒸汽压力控制通道、负荷前馈控制通道和蒸汽过热度补偿通道；所述蒸汽压力控制通道包括加法器I和比例积分运算单元I；所述加法器I用于对输入的蒸汽压力设定值和蒸汽压力测量值处理，最终输出压力偏差至比例积分运算单元I；所述比例积分运算单元I用于对压力偏差处理，最终输出给水流量偏差信号U₁；所述负荷前馈控制通道包括加法器II和比例运算单元；所述加法器II用于对输入的蒸汽流量值和给水流量测量值处理，最终输出蒸汽流量和给水流量偏差至比例运算单元；所述比例运算单元用于对蒸汽流量和给水流量偏差处理，最终输出给水流量偏差信号U₂；所述蒸汽过热度补偿通道包括过热度计算单元、加法器III和可变增益单元，所述过热度计算单元用于对输入的当前蒸汽压力测量值和蒸汽温度测量值处理，最终输出蒸汽实际过热度至加法器III；所述加法器III用于对蒸汽实际过热度和过热度设定值处理，最终输出过热度偏差至可变增益单元，所述可变增益单元用于对过热度偏差处理，最终输出给水流量偏差信号U₃；所述给水流量偏差信号U₁、给水流量偏差信号U₂、和给水流量偏差信号U₃经加法器Ⅳ和加法器Ⅴ后获得输入总偏差信号；还包括给水调节阀速度设定单元；所述给水调节阀速度设定单元基于输入的总偏差信号判断，输出给水调节阀速度调节信号用于调节给水流量变化。

进一步优选，所述给水流量偏差信号U₁和给水流量偏差信号U₂输入加法器Ⅳ处理，获得的结果与给水流量偏差信号U₃输入加法器Ⅴ处理后获得输入总偏差信号。

进一步优选，所述给水调节阀速度设定单元内设置输入信号死区；当输入总偏差信号在死区范围内时，给水调节阀速度设定单元输出为0，给水调节阀不动作；当输入总偏差信号超过死区范围后，给水调节阀速度设定单元输出给水调节阀速度调节信号，给水调节阀动作调节给水量。

进一步优选，还包括若干滤波器，每个滤波器用于设置在相应的加法器之前，分别对应用于处理蒸汽压力测量值、蒸汽流量测量值、给水流量测量值和蒸汽温度测量值。

本发明具有如下的优点和有益效果：

本发明控制方法分为三个方面控制：蒸汽压力控制、负荷前馈控制、蒸汽过热度补偿通控制。其中，蒸汽压力控制为主控制，由蒸汽压力设定值和测量值进行比较，其偏差经过比例+积分(PI)运算调节给水，保证二回路压力在静态运行特性曲线上；负荷前馈控制通道的目的是在二回路负荷发生较快变化时，根据蒸汽流量和给水流量的偏差，经过比例(P)运算产生一个附加的前馈信号，使得给水流量能够及时响应负荷的快速变化；蒸汽过热度补偿通道的作用是根据当前测量的蒸汽温度和蒸汽压力计算出蒸汽过热度，该过热度与设定的过热度进行比较，差值送入可变增益单元经运算后共同进行给水流量的调节。

本发明为采用直流蒸汽发生器的压水堆核电厂提供了一种给水控制方法；本发明综合考虑了核电厂二回路给水控制需求，既可以满足在正常工况变化过程中维持二回路压力静态运行特性的要求，又可以在负荷线性变化、阶跃变化及甩负荷等工况下快速跟踪负荷瞬态变化，并在此过程中兼顾采用直流蒸汽发生时汽轮发电机组对蒸汽过热度的要求，有利于保证核电厂的安全性和经济性。

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为本发明的适用于压水堆核电厂直流蒸汽发生器给水控制方法的原理图。

附图中标记及对应的零部件名称：1-蒸汽压力设定值，2-蒸汽压力测量值，3-加法器4- 蒸汽流量测量值，5-给水流量测量值，6-滤波器，7-比例-积分运算单元，8-比例运算单元， 9-蒸汽温度测量值，10-过热度计算单元，11-过热度要求值，12-压力偏差，13-蒸汽流量和给水流量偏差，14-蒸汽实际过热度，15-过热度偏差，16-可变增益单元，17-给水调节阀速度设定单元，18-给水调节阀速度调节信号。

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

本实施例提供了一种直流蒸汽发生器给水控制方法，包括蒸汽压力控制、负荷前馈控制和蒸汽过热度补偿控制。

所述蒸汽压力控制，通过蒸汽压力设定值和蒸汽压力测量值进行比较获得压力偏差，将压力偏差经过比例积分运算获得给水流量偏差信号U₁；所述负荷前馈控制，通过蒸汽流量值和给水流量测量值的比较获得蒸汽流量和给水流量偏差，将蒸汽流量和给水流量偏差经过比例积分运算获得给水流量偏差信号U₂；所述蒸汽过热度补偿控制，基于当前蒸汽压力测量值和蒸汽温度测量值计算获得蒸汽实际过热度，通过蒸汽实际过热度与过热度设定值比较获得过热度偏差，将过热度偏差经过可变增益运算后获得给水流量偏差信号U₃；将所述给水流量偏差信号U₁、U₂和U₃的总和作为输入总偏差信号用于调节给水流量变化。

设置输入信号死区；当输入总偏差信号在死区范围内时，给水调节阀不动作；以充分利用一体化反应堆自稳自调特性，避免一、二回路紧密耦合情况下带来的一、二回路控制震荡；当输入总偏差信号超过死区范围后给水调节阀动作。

直流蒸汽发生器给水控制实现过程如下所示：

1、负荷增加时的控制过程

1)当二回路负荷增加时，由于汽轮机进气阀门开度的增加，蒸汽压力测量值P_s降低，使得蒸汽压力设定值P_s0和蒸汽压力测量值P_s间的差值ΔP增大，ΔP经比例积分运算产生给水流量偏差信号U₁，如式(1)所示：

U₁＝K₁ΔP+∫ΔPdt (1)；

其中，K₁为蒸汽压力控制通道比例系数，ΔP为得蒸汽压力设定值P_s0和蒸汽压力测量值P_s之间的偏差，∫ΔPdt为压力偏差积分项。

2)负荷的增加，引起蒸汽流量的增加，使得蒸汽流量测量值Q_s和给水流量测量值Q_f间的偏差ΔQ增加，ΔQ经比例计算后产生给水流量偏差信号U₂如式(2)所示：

U₂＝K₂ΔQ (2)；

其中，K₁为负荷前馈控制通道比例系数，ΔQ为蒸汽流量测量值Q_s和给水流量测量值Q_f之间的偏差。

3)负荷增加引起蒸汽流量的增加，在瞬态初期会使得蒸汽温度测量值T_s下降，蒸汽过热度补偿通道中的过热度计算单元根据蒸汽压力计算该压力下应有的饱和温度，并由此计算出当前的蒸汽实际过热度T_s。根据蒸汽过热度要求(一般情况下要求过热度不小于设定值T_s0)，可得到目前过热度的偏差ΔT_s(ΔT_s＝T_s0-T_s)。ΔT_s进入可变增益单元(可变增益单元根据过热度偏差的大小动态调整增益，从而控制过热度补偿通道输出)进行运算后得到给水流量偏差信号U₃的计算公式如式(3)所示：

U₃＝K₃ΔT_s (3)；

其中，K₃为过热度补偿通道可变增益单元得出的比例系数，ΔT_s为当前的蒸汽实际过热度 T_s和过热度设定值T_s0之间的偏差。

蒸汽过热度补偿控制中对过热度设定值和蒸汽实际过热度间的差值采用变增益的处理方法，即在不同差值范围内采用不同的增益：在差值较小时增益采用较小值，避免对给水控制的扰动；在差值较大时增大增益，快速满足蒸汽过热度要求。

4)根据上述三个偏差信号，得到总的给水偏差信号U：

U＝U₁+U₂+U₃ (4)。

2、负荷减小时的控制过程

当负荷减小时，其信号产生的方法和控制过程与增加时类推。

实施例2

本实施例提供了一种直流蒸汽发生器给水控制系统，用于实现实施例1提供的一种直流蒸汽发生器给水控制方法，包括蒸汽压力控制通道、负荷前馈控制通道和蒸汽过热度补偿通道。

蒸汽压力控制通道包括加法器I和比例积分运算单元I；所述加法器I用于对输入的蒸汽压力设定值和蒸汽压力测量值处理，最终输出压力偏差至比例积分运算单元I；所述比例积分运算单元I用于对压力偏差处理，最终输出给水流量偏差信号U₁。负荷前馈控制通道包括加法器II和比例运算单元；所述加法器II用于对输入的蒸汽流量值和给水流量测量值处理，最终输出蒸汽流量和给水流量偏差至比例运算单元；所述比例运算单元用于对蒸汽流量和给水流量偏差处理，最终输出给水流量偏差信号U₂。蒸汽过热度补偿通道包括过热度计算单元、加法器III和可变增益单元，所述过热度计算单元用于对输入的当前蒸汽压力测量值和蒸汽温度测量值处理，最终输出蒸汽实际过热度至加法器III；所述加法器III用于对蒸汽实际过热度和过热度设定值处理，最终输出过热度偏差至可变增益单元，所述可变增益单元用于对过热度偏差处理，最终输出给水流量偏差信号U₃。

给水流量偏差信号U₁、给水流量偏差信号U₂、和给水流量偏差信号U₃经加法器Ⅳ和加法器Ⅴ后获得输入总偏差信号。还包括给水调节阀速度设定单元；所述给水调节阀速度设定单元基于输入的总偏差信号判断，输出给水调节阀速度调节信号用于调节给水流量变化。

以本发明用于模块式小型反应堆ACP100为例。该小型反应堆采用一体化布置反应堆，反应堆压力容器内置直流蒸汽发生器，并分为四组，如图1所示，该反应堆采用本发明进行给水控制的过程如下：

1)给水控制系统采集直流蒸汽发生器蒸汽压力测量值2，经滤波器6滤波后与蒸汽压力设定值1在加法器3中进行比较，得到压力偏差12；

2)将蒸汽流量测量值4经滤波滤波器6滤波后与同样经过滤波的给水流量测量值5在加法器3中进行比较，得到蒸汽流量和给水流量的偏差13；

3)将蒸汽温度测量值9经滤波器6滤波，和蒸汽压力测量值2共同送入过热度计算单元 10，计算出蒸汽实际过热度14，蒸汽实际过热度14与过热度设定值11在加法器3中行比较，得到过热度偏差15；

4)压力偏差12经比例-积分运算单元7处理，蒸汽流量和给水流量的偏差13经比例运算单元8处理，上述结果共同进入加法器3运算；

5)过热度偏差15送入可变增益单元16进行处理，可变增益单元16按预先设置好的可变增益曲线，根据过热度偏差的大小进行增益的调节，并给出输出，从而控制过热度补偿通道在整个控制系统中的权重；

6)上述4)和5)的输出结果在加法器3中进行运算，输出的结果(总偏差信号)送入给水调节阀速度设定单元17。给水调节阀速度设定单元17内设置输入信号死区；当输入总偏差信号在死区范围内时，给水调节阀速度设定单元17输出为0，给水调节阀不动作；当输入总偏差信号超过死区范围后，给水调节阀速度设定单元17输出给水调节阀速度调节信号18，给水调节阀动作调节给水量。

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 (8)

1.一种直流蒸汽发生器给水控制方法，其特征在于，包括蒸汽压力控制、负荷前馈控制和蒸汽过热度补偿控制；

所述蒸汽压力控制，通过蒸汽压力设定值和蒸汽压力测量值进行比较获得压力偏差，将压力偏差经过比例积分运算获得给水流量偏差信号U₁；

所述负荷前馈控制，通过蒸汽流量值和给水流量测量值的比较获得蒸汽流量和给水流量偏差，将蒸汽流量和给水流量偏差经过比例积分运算获得给水流量偏差信号U₂；

所述蒸汽过热度补偿控制，基于当前蒸汽压力测量值和蒸汽温度测量值计算获得蒸汽实际过热度，通过蒸汽实际过热度与过热度设定值比较获得过热度偏差，将过热度偏差经过可变增益运算后获得给水流量偏差信号U₃；

将所述给水流量偏差信号U₁、U₂和U₃的总和作为输入总偏差信号用于调节给水流量变化；

所述给水流量偏差信号U₁的计算公式如式(1)所示：

U₁＝K₁ΔP+∫ΔPdt (1)；

其中，K₁为蒸汽压力控制通道比例系数，ΔP为得蒸汽压力设定值P_s0和蒸汽压力测量值P_s之间的偏差，∫ΔPdt为压力偏差积分项。

2.根据权利要求1所述的一种直流蒸汽发生器给水控制方法，其特征在于，设置输入信号死区；当输入总偏差信号在死区范围内时，给水调节阀不动作；当输入总偏差信号超过死区范围后给水调节阀动作。

3.根据权利要求1所述的一种直流蒸汽发生器给水控制方法，其特征在于，所述给水流量偏差信号U₂的计算公式如式(2)所示：

U₂＝K₂ΔQ (2)；

其中，K₂ 为负荷前馈控制通道比例系数，ΔQ为蒸汽流量测量值Q_s和给水流量测量值Q_f之间的偏差。

4.根据权利要求1所述的一种直流蒸汽发生器给水控制方法，其特征在于，所述给水流量偏差信号U₃的计算公式如式(3)所示：

U₃＝K₃ΔT_s (3)；

其中，K₃为过热度补偿通道可变增益单元得出的比例系数，ΔT_s为当前的蒸汽实际过热度T_s和过热度设定值T_s0之间的偏差。

5.一种直流蒸汽发生器给水控制系统，用于实现权利要求1至4任一项所述的一种直流蒸汽发生器给水控制方法，其特征在于，包括蒸汽压力控制通道、负荷前馈控制通道和蒸汽过热度补偿通道；

所述蒸汽压力控制通道包括加法器I和比例积分运算单元I；所述加法器I用于对输入的蒸汽压力设定值和蒸汽压力测量值处理，最终输出压力偏差至比例积分运算单元I；所述比例积分运算单元I用于对压力偏差处理，最终输出给水流量偏差信号U₁；

所述负荷前馈控制通道包括加法器II和比例运算单元；所述加法器II用于对输入的蒸汽流量值和给水流量测量值处理，最终输出蒸汽流量和给水流量偏差至比例运算单元；所述比例运算单元用于对蒸汽流量和给水流量偏差处理，最终输出给水流量偏差信号U₂；

所述蒸汽过热度补偿通道包括过热度计算单元、加法器III和可变增益单元，所述过热度计算单元用于对输入的当前蒸汽压力测量值和蒸汽温度测量值处理，最终输出蒸汽实际过热度至加法器III；所述加法器III用于对蒸汽实际过热度和过热度设定值处理，最终输出过热度偏差至可变增益单元，所述可变增益单元用于对过热度偏差处理，最终输出给水流量偏差信号U₃；

所述给水流量偏差信号U₁、给水流量偏差信号U₂、和给水流量偏差信号U₃经加法器Ⅳ和加法器Ⅴ后获得输入总偏差信号；

还包括给水调节阀速度设定单元；所述给水调节阀速度设定单元基于输入的总偏差信号判断，输出给水调节阀速度调节信号用于调节给水流量变化。

6.根据权利要求5所述的一种直流蒸汽发生器给水控制系统，其特征在于，所述给水流量偏差信号U₁和给水流量偏差信号U₂输入加法器Ⅳ处理，获得的结果与给水流量偏差信号U₃输入加法器Ⅴ处理后获得输入总偏差信号。

7.根据权利要求5所述的一种直流蒸汽发生器给水控制系统，其特征在于，所述给水调节阀速度设定单元内设置输入信号死区；当输入总偏差信号在死区范围内时，给水调节阀速度设定单元输出为0，给水调节阀不动作；当输入总偏差信号超过死区范围后，给水调节阀速度设定单元输出给水调节阀速度调节信号，给水调节阀动作调节给水量。

8.根据权利要求5所述的一种直流蒸汽发生器给水控制系统，其特征在于，还包括若干滤波器，每个滤波器用于设置在相应的加法器之前，分别对应用于处理蒸汽压力测量值、蒸汽流量测量值、给水流量测量值和蒸汽温度测量值。

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