CN112382418A - 带有增量式调节功能的高温气冷堆氦气流量控制系统及方法 - Google Patents

带有增量式调节功能的高温气冷堆氦气流量控制系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种带有增量式调节功能的高温气冷堆氦气流量控制系统及方法，包括以下步骤：1)计算用于热氦温度PID调节的热氦温度修正值；2)计算用于机组的功率PID调节的功率修正值；3)计算用于氦气流量PID调节的氦气流量修正值；4)根据用于热氦温度PID调节的热氦温度修正值、用于机组的功率PID调节的功率修正值及用于氦气流量PID调节的氦气流量修正值进行三冲量控制，然后根据三冲量控制的结果对反应堆进行控制，该系统及方法能够快速跟踪控制变量的变化趋势，修正控制变量的输出，满足反应堆跟踪电网负荷进行调峰调频的功能要求。

Description

带有增量式调节功能的高温气冷堆氦气流量控制系统及方法
技术领域
本发明属于核能科学与工程领域，涉及一种带有增量式调节功能的高温气冷堆氦气流量控制系统及方法。
背景技术
球床高温气冷堆是用氦气作为冷却剂，石墨作为反射层材料、中子慢化材料和球形燃料元件结构材料的核反应堆。在反应堆正常运行时，氦气冷却剂依靠主氦风机的驱动，在由反应堆压力容器、蒸汽发生器壳体和热气导管壳体构成的一回路压力容器和堆内构件组成的主流道内流动，进行强迫循环，从反应堆堆芯带走热量而升温，在蒸汽发生器中通过蒸汽发生器将热量传递给二回路系统而降温，从而形成闭合循环。
高温气冷堆核电站采用多台反应堆和一台汽轮发电机组的组合系统，是一个多输入多输出的复杂大系统，各控制量与被调量之间都存在紧密的耦合关系。现有的高温气冷堆氦气流量控制系统采用了大系统递阶串级控制方案。不同于压水堆核电机组，高温气冷堆一回路氦气流量在不同的功率水平下并不相同，因此为变流量运行，一回路氦气流量通过改变主氦风机转速进行调节。氦气流量、给水流量、蒸汽发生器出口温度、热氦温度和反应堆功率等各控制变量之间存在较复杂的耦合性。控制变量受设备内部结构属性和外部运行工况的共同作用，其控制特性是非线性的，并具有分布参数和时变特性，目前还难以做到精确控制。高温气冷堆采用的串级控制系统具有能够减小控制变量最大偏差和积分误差的优势，但在机组变工况运行时的动态调节性能尚待提高，控制方案不满足反应堆跟踪电网负荷进行调峰调频的功能要求。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种带有增量式调节功能的高温气冷堆氦气流量控制系统及方法，该系统及方法能够快速跟踪控制变量的变化趋势，修正控制变量的输出，满足反应堆跟踪电网负荷进行调峰调频的功能要求。
为达到上述目的，本发明所述的带有增量式调节功能的高温气冷堆氦气流量控制方法包括以下步骤：
1)获取氦气温度测量值，再将热氦温度设定值与热氦温度测量值进行偏差计算得到第一热氦温度偏差值，根据功率设定值计算得到热氦温度计算值，将热氦温度计算值与热氦温度测量值进行偏差计算得到第二热氦温度偏差值，将第一热氦温度偏差值与第二热氦温度偏差值进行加权计算，得用于热氦温度PID调节的热氦温度修正值；
2)获取机组的功率测量值，再将机组的功率设定值与功率测量值进行偏差计算，得功率偏差值，然后根据功率偏差值计算用于机组的功率PID调节的功率修正值；
3)获取氦气流量测量值，根据机组的功率测量值计算氦气流量计算值，再将氦气流量计算值与氦气流量测量值进行偏差计算，得第一氦气流量偏差值；将第一氦气流量偏差值经增量计算器及惯性环节调节，然后与经历史运行数据库拟合后得到的氦气流量设定值进行偏差计算，得第二氦气流量偏差值，随后利用第二氦气流量偏差值对增量计算器进行修正，使得第二氦气流量偏差值等于零，最后将对应的修正值作为用于氦气流量PID调节的氦气流量修正值。
4)根据用于热氦温度PID调节的热氦温度修正值、用于机组的功率PID调节的功率修正值及用于氦气流量PID调节的氦气流量修正值进行三冲量控制，然后根据三冲量控制的结果对反应堆进行控制。
一种带有增量式调节功能的高温气冷堆氦气流量控制系统包括第一计算模块、第二计算模块及第三计算模块；
第一计算模块，用于获取氦气温度测量值，再将热氦温度设定值与热氦温度测量值进行偏差计算得到第一热氦温度偏差值，根据功率设定值计算得到热氦温度计算值，将热氦温度计算值与热氦温度测量值进行偏差计算得到第二热氦温度偏差值，将第一热氦温度偏差值与第二热氦温度偏差值进行加权计算，得用于热氦温度PID调节的热氦温度修正值；
第三计算模块，用于获取氦气流量测量值，根据机组的功率测量值计算氦气流量计算值，再将氦气流量计算值与氦气流量测量值进行偏差计算，得第一氦气流量偏差值；将第一氦气流量偏差值经增量计算器及惯性环节调节，然后与经历史运行数据库拟合后得到的氦气流量设定值进行偏差计算，得第二氦气流量偏差值，随后利用第二氦气流量偏差值对增量计算器进行修正，使得第二氦气流量偏差值等于零，最后将对应的修正值作为用于氦气流量PID调节的氦气流量修正值；
第二计算模块，用于获取机组的功率测量值，再将机组的功率设定值与功率测量值进行偏差计算，得功率偏差值，然后根据功率偏差值计算用于机组的功率PID调节的功率修正值，最后根据用于热氦温度PID调节的热氦温度修正值、用于机组的功率PID调节的功率修正值及用于氦气流量PID调节的氦气流量修正值进行三冲量控制，然后根据三冲量控制的结果对反应堆进行控制。
第一计算模块包括热氦温度设定模块、热氦温度测量模块、第一偏差模块、第一PID模块、第一函数求解器、第二偏差模块及第一求和计算器，其中，热氦温度设定模块的输出端及热氦温度测量模块的第一输出端与第一偏差模块的输入端相连通；第一偏差模块的输出端与第一求和计算器的输入端相连通，热氦温度测量模块的第二输出端与第二偏差模块的第一输入端相连通，第一函数求解器的输入端与功率设定模块的输出端相连通，第一函数求解器的输出端与第二偏差模块的第二输入端相连通，第二偏差模块的输出端与第一求和计算器的输入端相连通，第一求和计算器的输出端与第一PID模块的输入端相连通，第一PID模块的输出端与T模块的第一输入端相连通；
第二计算模块包括功率设定模块、功率测量模块、第三偏差模块、第二PID模块、T模块及反应堆手动/自动主控模块，其中，功率设定模块输出端与第一函数求解器的输入端及第三偏差模块的第一输入端相连通，功率测量模块的输出端与第三偏差模块的第二输入端及第二函数求解器的输入端相连接，第三偏差模块的输出端与第二PID模块的输入端相连通，第二PID模块的输出端与T模块的第二输入端相连通，T模块的输出端与反应堆手动/自动主控模块的输入端相连通；
第三计算模块包括氦气流量测量模块、第二函数求解器、第四偏差模块、第一增量计算器、第一惯性环节模块、第二增量计算器、第二惯性环节模块、第三PID模块、第五偏差模块、历史运行数据库模块及氦气流量设定模块，其中，第二函数求解器的输出端与第四偏差模块的第一输入端相连通，氦气流量测量模块的输出端与第四偏差模块的第二输入端相连通，第四偏差模块的输出端与第一增量计算器的输入端相连通，第一增量计算器的输出端与第一惯性环节模块的输入端相连通，第一惯性环节模块的输出端与第二增量计算器的输入端相连通，第二增量计算器的输出端与第二惯性环节模块的输入端相连通，第二惯性环节模块的输出端与第五偏差模块的第一输入端及第三PID模块的输入端相连通，第三PID模块的输出端与T模块的第三输入端相连通，历史运行数据库模块的输出端与氦气流量设定模块的输入端相连通，氦气流量设定模块的输出端与第五偏差模块的第二输入端相连通，第五偏差模块的输出端与第一增量计算器的输入端及第二增量计算器的输入端相连通。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的带有增量式调节功能的高温气冷堆氦气流量控制系统及方法在具体操作时，相较于原串级控制回路，增加增量状态计算器及惯性环节作为氦气流量的前馈，以便快速跟踪控制变量的变化趋势，修正控制变量的输出，从而有效克服反应堆主控回路PID调节器的输出特性和反应堆调节惯性所引起的功率过调或振荡的现象，对反应堆稳定性起到关键作用，其中，增量状态计算器建立在非线性受控系统基础上，对于非线性分布的控制变量扰动，更具有控制稳定性和精确性，尤其在机组变工况运行时，控制回路能够及时跟踪参数变化，提高了高温气冷堆控制系统的鲁棒性，惯性环节自带负反馈闭环特性，其幅值随着频率的增大而减小，因而具有低通滤波的功能，满足反应堆跟踪电网负荷进行调峰调频的功能要求。最后需要说明的是，本发明提高了反应堆变工况运行方式下控制回路调节的稳定性和灵活性，为核电机组后续参与电网调峰调频提供了控制思路。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为T模块18的控制逻辑图。
其中，1为热氦温度设定模块、2为热氦温度测量模块、3为第一偏差模块、4为第二偏差模块、5为第三偏差模块、6为第四偏差模块、7为第五偏差模块、8为第一函数求解器、9为第二函数求解器、10为第一求和计算器、11为第一PID模块、12为第二PID模块、13为第三PID模块、14为第一增量计算器、15为第二增量计算器、16为第一惯性环节模块、17为第二惯性环节模块、18为T模块、19为功率设定模块、20为功率测量模块、21为氦气流量测量模块、22为历史运行数据库模块、23为氦气流量设定模块、24为第一计算模块、25为第二计算模块、26为第三计算模块、27为反应堆手动/自动主控模块。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参考图1，本发明所述的带有增量式调节功能的高温气冷堆氦气流量控制方法包括以下步骤：
1)获取氦气温度测量值，再将热氦温度设定值与热氦温度测量值进行偏差计算得到第一热氦温度偏差值，根据功率设定值计算得到热氦温度计算值，将热氦温度计算值与热氦温度测量值进行偏差计算得到第二热氦温度偏差值，将第一热氦温度偏差值与第二热氦温度偏差值进行加权计算，得用于热氦温度PID调节的热氦温度修正值；
2)获取机组的功率测量值，再将机组的功率设定值与功率测量值进行偏差计算，得功率偏差值，然后根据功率偏差值计算用于机组的功率PID调节的功率修正值；
3)获取氦气流量测量值，根据机组的功率测量值计算氦气流量计算值，再将氦气流量计算值与氦气流量测量值进行偏差计算，得第一氦气流量偏差值；将第一氦气流量偏差值经增量计算器及惯性环节调节，然后与经历史运行数据库拟合后得到的氦气流量设定值进行偏差计算，得第二氦气流量偏差值，随后利用第二氦气流量偏差值对增量计算器进行修正，使得第二氦气流量偏差值等于零，最后将对应的修正值作为用于氦气流量PID调节的氦气流量修正值；
4)根据用于热氦温度PID调节的热氦温度修正值、用于机组的功率PID调节的功率修正值及用于氦气流量PID调节的氦气流量修正值进行三冲量控制，然后根据三冲量控制的结果对反应堆进行控制。
本发明所述的带有增量式调节功能的高温气冷堆氦气流量控制系统包括第一计算模块24、第二计算模块25及第三计算模块26；
第一计算模块24包括热氦温度设定模块1、热氦温度测量模块2、第一偏差模块3、第一PID模块11、第一函数求解器8、第二偏差模块4及第一求和计算器10，其中，热氦温度设定模块1的输出端及热氦温度测量模块2的第一输出端与第一偏差模块3的输入端相连通；第一偏差模块3的输出端与第一求和计算器10的输入端相连通，热氦温度测量模块2的第二输出端与第二偏差模块4的第一输入端相连通，第一函数求解器8的输入端与功率设定模块19的输出端相连通，第一函数求解器8的输出端与第二偏差模块4的第二输入端相连通，第二偏差模块4的输出端与第一求和计算器10的输入端相连通，第一求和计算器10的输出端与第一PID模块11的输入端相连通，第一PID模块11的输出端与T模块18的第一输入端相连通；
第二计算模块25包括功率设定模块19、功率测量模块20、第三偏差模块5、第二PID模块12、T模块18及反应堆手动/自动主控模块27，其中，功率设定模块19输出端与第一函数求解器8的输入端及第三偏差模块5的第一输入端相连通，功率测量模块20的输出端与第三偏差模块5的第二输入端及第二函数求解器9的输入端相连接，第三偏差模块5的输出端与第二PID模块12的输入端相连通，第二PID模块12的输出端与T模块18的第二输入端相连通，T模块18的输出端与反应堆手动/自动主控模块27的输入端相连通；
第三计算模块26包括氦气流量测量模块21、第二函数求解器9、第四偏差模块6、第一增量计算器14、第一惯性环节模块16、第二增量计算器15、第二惯性环节模块17、第三PID模块13、第五偏差模块7、历史运行数据库模块22及氦气流量设定模块23，其中，第二函数求解器9的输出端与第四偏差模块6的第一输入端相连通，氦气流量测量模块21的输出端与第四偏差模块6的第二输入端相连通，第四偏差模块6的输出端与第一增量计算器14的输入端相连通，第一增量计算器14的输出端与第一惯性环节模块16的输入端相连通，第一惯性环节模块16的输出端与第二增量计算器15的输入端相连通，第二增量计算器15的输出端与第二惯性环节模块17的输入端相连通，第二惯性环节模块17的输出端与第五偏差模块7的第一输入端及第三PID模块13的输入端相连通，第三PID模块13的输出端与T模块18的第三输入端相连通，历史运行数据库模块22的输出端与氦气流量设定模块23的输入端相连通，氦气流量设定模块23的输出端与第五偏差模块7的第二输入端相连通，第五偏差模块7的输出端与第一增量计算器14的输入端及第二增量计算器15的输入端相连通。
第一偏差模块3的计算公式为：ΔP1＝P1-P2；其中，P1、P2、ΔP1分别为热氦温度设定值、热氦温度测量值及热氦温度偏差值。
第一函数求解器8的计算公式为：
Figure BDA0002791120050000091
其中，f(xi)为反应堆功率对应的热氦温度计算值，xi为第i座反应堆热功率；μi为比例系数。
第二偏差模块4的计算公式为：
Figure BDA0002791120050000092
第一求和计算器10的计算公式为：x＝∑[aΔP1+bΔP2]；其中，x为热氦温度总偏差，a、b为热氦温度偏差权重系数。
第一PID模块11计算公式为：
Figure BDA0002791120050000093
其中，KP为比例系数，KI为积分系数，KD为微分系数，x为热氦温度总偏差，y为热氦温度PID调节量。
第三偏差模块5的计算公式为：ΔP3＝P3-P4；其中，P3、P4、ΔP3分别为反应堆功率设定值、反应堆功率测量值和反应堆功率偏差值。
第二PID模块12计算公式为：
Figure BDA0002791120050000101
其中，KP为比例系数，KI为积分系数，KD为微分系数，x为反应堆功率偏差，y为功率PID调节量。
第二函数求解器9的计算公式为：f(xi)＝μixi：其中，f(xi)为功率对应的氦气流量计算值，xi为第i座反应堆热功率，μi为比例系数。
第四偏差模块6的计算公式为：ΔP4＝f(xi)-Y1；其中，Y1、ΔP4分别为氦气流量测量值和氦气流量第一偏差值。
第一增量计算器14及第二增量计算器15的计算公式为：
Figure BDA0002791120050000102
其中：Yi为增量后氦气流量值，ai、bi为增量加速系数。
第一惯性环节模块16和第二惯性环节模块17的运动方程为：
Figure BDA0002791120050000103
其中，T为时间常数，K为惯性环节增益。
第五偏差模块7的计算公式为：ΔP5＝Yi-Y2；其中，Y2、ΔP5分别为经历史运行数据拟合的氦气流量值及氦气流量第二偏差值。
第三PID模块13计算公式为：
Figure BDA0002791120050000104
其中，KP比例系数，KI为积分系数，KD为微分系数，x为氦气流量偏差，y为氦气流量PID调节量。
T模块18实现反应堆功率三冲量调节功能，其控制策略参考图2。
本发明所述的带有增量式调节功能的高温气冷堆氦气流量控制系统及方法，基于长期运行中热氦温度与氦气流量实际对应关系的拟合曲线，得出不同运行工况下热氦温度与氦气流量的函数关系，并对所述氦气流量设定值进行前馈整定，提高了控制系统的快速响应性。

Claims (3)

1.一种带有增量式调节功能的高温气冷堆氦气流量控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)获取氦气温度测量值，再将热氦温度设定值与热氦温度测量值进行偏差计算得到第一热氦温度偏差值，根据功率设定值计算得到热氦温度计算值，将热氦温度计算值与热氦温度测量值进行偏差计算得到第二热氦温度偏差值，将第一热氦温度偏差值与第二热氦温度偏差值进行加权计算，得用于热氦温度PID调节的热氦温度修正值；
2)获取机组的功率测量值，再将机组的功率设定值与功率测量值进行偏差计算，得功率偏差值，然后根据功率偏差值计算用于机组的功率PID调节的功率修正值；
3)获取氦气流量测量值，根据机组的功率测量值计算氦气流量计算值，再将氦气流量计算值与氦气流量测量值进行偏差计算，得第一氦气流量偏差值；将第一氦气流量偏差值经增量计算器及惯性环节调节，然后与经历史运行数据库拟合后得到的氦气流量设定值进行偏差计算，得第二氦气流量偏差值，随后利用第二氦气流量偏差值对增量计算器进行修正，使得第二氦气流量偏差值等于零，最后将对应的修正值作为用于氦气流量PID调节的氦气流量修正值；
4)根据用于热氦温度PID调节的热氦温度修正值、用于机组的功率PID调节的功率修正值及用于氦气流量PID调节的氦气流量修正值进行三冲量控制，然后根据三冲量控制的结果对反应堆进行控制。
2.一种带有增量式调节功能的高温气冷堆氦气流量控制系统，其特征在于，包括第一计算模块(24)、第二计算模块(25)及第三计算模块(26)；
第一计算模块(24)，用于获取氦气温度测量值，再将热氦温度设定值与热氦温度测量值进行偏差计算得到第一热氦温度偏差值，根据功率设定值计算得到热氦温度计算值，将热氦温度计算值与热氦温度测量值进行偏差计算得到第二热氦温度偏差值，将第一热氦温度偏差值与第二热氦温度偏差值进行加权计算，得用于热氦温度PID调节的热氦温度修正值；
第三计算模块(26)，用于获取氦气流量测量值，根据机组的功率测量值计算氦气流量计算值，再将氦气流量计算值与氦气流量测量值进行偏差计算，得第一氦气流量偏差值；将第一氦气流量偏差值经增量计算器及惯性环节调节，然后与经历史运行数据库拟合后得到的氦气流量设定值进行偏差计算，得第二氦气流量偏差值，随后利用第二氦气流量偏差值对增量计算器进行修正，使得第二氦气流量偏差值等于零，最后将对应的修正值作为用于氦气流量PID调节的氦气流量修正值；
第二计算模块(25)，用于获取机组的功率测量值，再将机组的功率设定值与功率测量值进行偏差计算，得功率偏差值，然后根据功率偏差值计算用于机组的功率PID调节的功率修正值，最后根据用于热氦温度PID调节的热氦温度修正值、用于机组的功率PID调节的功率修正值及用于氦气流量PID调节的氦气流量修正值进行三冲量控制，然后根据三冲量控制的结果对反应堆进行控制。
3.根据权利要求2所述的带有增量式调节功能的高温气冷堆氦气流量控制系统，其特征在于，第一计算模块(24)包括热氦温度设定模块(1)、热氦温度测量模块(2)、第一偏差模块(3)、第一PID模块(11)、第一函数求解器(8)、第二偏差模块(4)及第一求和计算器(10)，其中，热氦温度设定模块(1)的输出端及热氦温度测量模块(2)的第一输出端与第一偏差模块(3)的输入端相连通；第一偏差模块(3)的输出端与第一求和计算器(10)的输入端相连通，热氦温度测量模块(2)的第二输出端与第二偏差模块(4)的第一输入端相连通，第一函数求解器(8)的输入端与功率设定模块(19)的输出端相连通，第一函数求解器(8)的输出端与第二偏差模块(4)的第二输入端相连通，第二偏差模块(4)的输出端与第一求和计算器(10)的输入端相连通，第一求和计算器(10)的输出端与第一PID模块(11)的输入端相连通，第一PID模块(11)的输出端与T模块(18)的第一输入端相连通；
第二计算模块(25)包括功率设定模块(19)、功率测量模块(20)、第三偏差模块(5)、第二PID模块(12)、T模块(18)及反应堆手动/自动主控模块(27)，其中，功率设定模块(19)输出端与第一函数求解器(8)的输入端及第三偏差模块(5)的第一输入端相连通，功率测量模块(20)的输出端与第三偏差模块(5)的第二输入端及第二函数求解器(9)的输入端相连接，第三偏差模块(5)的输出端与第二PID模块(12)的输入端相连通，第二PID模块(12)的输出端与T模块(18)的第二输入端相连通，T模块(18)的输出端与反应堆手动/自动主控模块(27)的输入端相连通；
第三计算模块(26)包括氦气流量测量模块(21)、第二函数求解器(9)、第四偏差模块(6)、第一增量计算器(14)、第一惯性环节模块(16)、第二增量计算器(15)、第二惯性环节模块(17)、第三PID模块(13)、第五偏差模块(7)、历史运行数据库模块(22)及氦气流量设定模块(23)，其中，第二函数求解器(9)的输出端与第四偏差模块(6)的第一输入端相连通，氦气流量测量模块(21)的输出端与第四偏差模块(6)的第二输入端相连通，第四偏差模块(6)的输出端与第一增量计算器(14)的输入端相连通，第一增量计算器(14)的输出端与第一惯性环节模块(16)的输入端相连通，第一惯性环节模块(16)的输出端与第二增量计算器(15)的输入端相连通，第二增量计算器(15)的输出端与第二惯性环节模块(17)的输入端相连通，第二惯性环节模块(17)的输出端与第五偏差模块(7)的第一输入端及第三PID模块(13)的输入端相连通，第三PID模块(13)的输出端与T模块(18)的第三输入端相连通，历史运行数据库模块(22)的输出端与氦气流量设定模块(23)的输入端相连通，氦气流量设定模块23)的输出端与第五偏差模块(7)的第二输入端相连通，第五偏差模块(7)的输出端与第一增量计算器(14)的输入端及第二增量计算器(15)的输入端相连通。
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