CN114791101A - 一种电厂核动力装置混合式蒸汽发生器系统 - Google Patents

一种电厂核动力装置混合式蒸汽发生器系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电厂核动力装置混合式蒸汽发生器系统。该系统包括：自然循环蒸汽发生器、直流蒸汽发生器、蒸汽混合输出模块和控制器，蒸汽混合输出模块接收来自自然循环蒸汽发生器和直流蒸汽发生器产生的蒸汽并进行混合后输出，控制器用于控制自然循环蒸汽发生器出口的蒸汽压力、蒸汽温度以及直流蒸汽发生器出口的蒸汽压力、蒸汽温度。本发明的蒸汽发生器系统的蒸汽质量好，并且更加安全可靠。

Description

一种电厂核动力装置混合式蒸汽发生器系统
技术领域
本发明属于电厂核动力装置技术领域，更具体地，涉及一种电厂核动力装置混合式蒸汽发生器系统。
背景技术
蒸汽发生器是产生汽轮机所需蒸汽的换热设备。在核反应堆中，核裂变产生的能量由冷却剂带出，通过蒸汽发生器产生一定压力、一定温度和一定干度的蒸汽。由于自然循环蒸汽发生器采用饱和蒸汽，直流蒸汽发生器产生过热蒸汽，两者进行组合使用时存在困难，传统的电厂核动力装置多采用单一的自然循环蒸汽发生器，或者单一的直流蒸汽发生器。
发明内容
针对现有技术的至少一个缺陷或改进需求，本发明提供了一种电厂核动力装置混合式蒸汽发生器系统，蒸汽质量好，并且更加安全可靠。
为实现上述目的，本发明提供了一种电厂核动力装置混合式蒸汽发生器系统，包括：自然循环蒸汽发生器、直流蒸汽发生器、蒸汽混合输出模块和控制器，蒸汽混合输出模块接收来自自然循环蒸汽发生器和直流蒸汽发生器产生的蒸汽并进行混合后输出，控制器用于控制自然循环蒸汽发生器出口的蒸汽压力、蒸汽温度以及直流蒸汽发生器出口的蒸汽压力、蒸汽温度。
进一步地，将自然循环蒸汽发生器的蒸汽出口的蒸汽压力记为p，其蒸汽出口的蒸汽温度记为t，直流蒸汽发生器的蒸汽出口的蒸汽压力记为p’，其蒸汽出口的蒸汽温度记为t’，该控制器用于使得p’、p、t’、t满足p’＝(1+a)p，t’＝t+b，a的取值范围为(5％，10％]，b的取值范围为[20，30]。
进一步地，该控制器包括第一控制器，第一控制器用于采用基于水位控制的方法控制自然循环蒸汽发生器的运行。
进一步地，该控制器还包括第二控制器和第三控制器，第二控制器用于通过调节二次侧流量控制直流蒸汽发生器出口蒸汽压力，第三控制器用于通过调节一次侧流量控制直流蒸汽发生器出口蒸汽温度。
进一步地，第二控制器和第三控制器采用解耦控制，具体包括步骤：
通过采集直流蒸汽发生器一次侧流量、二次侧流量以及对应的直流蒸汽发生器蒸汽出口的蒸汽压力和蒸汽温度的测量值，确定直流蒸汽发生器的输入输出传递函数矩阵；
确定解耦后的直流蒸汽发生器的目标输入输出传递函数矩阵；
根据直流蒸汽发生器的目标输入输出传递函数矩阵和输入输出传递函数矩阵确定补偿矩阵；
根据直流蒸汽发生器的目标输入输出传递函数矩阵确定第二控制器和第三控制器的控制函数。
进一步地，将直流蒸汽发生器一次侧流量记为m1，将直流蒸汽发生器二次侧流量记为m2，直流蒸汽发生器的蒸汽出口的蒸汽压力记为p’，其蒸汽出口的蒸汽温度记为t’，直流蒸汽发生器的输入输出传递函数矩阵记为W0(s)，
Figure BDA0003538852650000021
G11(s)为温度t’对流量m1的传递函数，G21(s)为压力p’对流量m1的传递函数，G12(s)为温度t’对流量m2的传递函数，G22(s)为压力p’对流量m2的传递函数。
进一步地，将解耦后的直流蒸汽发生器的目标输入输出传递函数矩阵记为W(s)，
Figure BDA0003538852650000022
流量m1、m2解耦后的等效输入量分别为m’1、m’2，其中W11(s)为压力p’对流量m’2的目标传递函数,W22(s)为温度t’对流量m’1的目标传递函数。
进一步地，补偿矩阵Wd(s)的计算公式为：
Figure BDA0003538852650000023
进一步地，定义W11(s)为二阶传递函数，W22(s)为一阶惯性环节。
进一步地，自然循环蒸汽发生器的功率记为P1，直流蒸汽发生器的功率记为P2，满足75％≤P1/(P1+P2)＜100％，或40％≤P1/(P1+P2)≤60％。
总体而言，本发明与现有技术相比，具有有益效果：
(1)经过过热蒸汽和饱和蒸汽的混合，相对自然循环蒸汽发生器产生的饱和蒸汽，可以提高混合气体的过热度，提升蒸汽干度，改善蒸汽质量，有利于用汽设备安全可靠工作；
(2)自然循环蒸汽发生器热惯性大，稳定工作时稳定性能优异，可充分发挥其稳定特征，增强核动力装置运行抗干扰的能力；
(3)直流蒸汽发生器热容量小，响应迅速，有利于参数的高精度控制，相对于单一的自然循环蒸汽发生系统，可使得主辅蒸汽发生系统改善中等负荷阶段的负荷响应快速性，该负荷阶段的负荷补偿能力显著增强，且有效抑制了对反应堆及一回路的影响程度。
附图说明
图1是本发明实施例的电厂核动力装置混合式蒸汽发生器系统的示意图；
图2是本发明实施例的蒸汽出口的蒸汽压力关系示意图；
图3是本发明实施例的蒸汽出口的蒸汽温度关系示意图；
图4是本发明实施例的直流蒸汽发生器的输入输出传递函数矩阵示意图；
图5是本发明实施例的直流蒸汽发生器的补偿矩阵与输入输出传递函数的输入关系图；
图6是本发明实施例的直流蒸汽发生器的控制原理示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明实施例的一种电厂核动力装置混合式蒸汽发生器系统，包括：自然循环蒸汽发生器、直流蒸汽发生器、蒸汽混合输出模块和控制器，蒸汽混合输出模块接收来自自然循环蒸汽发生器和直流蒸汽发生器产生的蒸汽并进行混合后输出，控制器用于控制自然循环蒸汽发生器出口的蒸汽压力、蒸汽温度以及直流蒸汽发生器出口的蒸汽压力、蒸汽温度。
进一步地，其中自然循环蒸汽发生器的功率记为P1，直流蒸汽发生器的功率记为P2，满足75％≤P1/(P1+P2)＜100％，此时为主辅混合式，即自然循环蒸汽发生采用高功率等级，为主；直流蒸汽发生器采用低功率等级，为辅，自然循环蒸汽发生器的功率不低于总功率等级的75％，直流蒸汽发生器的功率不高于总功率等级的25％。或满足40％＜P1/(P1+P2)≤60％，此时为对等混合式。
进一步地，一种电厂核动力装置混合式蒸汽发生器系统还包括控制器，将自然循环蒸汽发生器的蒸汽出口的蒸汽压力记为p，其蒸汽出口的蒸汽温度记为t，直流蒸汽发生器的蒸汽出口的蒸汽压力记为p’，其蒸汽出口的蒸汽温度记为t’，该控制器用于使得p’、p、t’、t满足p’＝(1+a)p，t’＝t+b，a的推荐取值范围为(5％，10％]，b的取值范围为[20，30]。
换而言之，控制器用于实现两个控制规律，一个是直流蒸汽发生器出口蒸汽压力的控制律L1，一个是直流蒸汽发生器出口蒸汽温度的控制律L2。
自然循环蒸汽发生器的出口蒸汽为饱和蒸汽，其饱和压力和饱和温度均一一对应。自然循环蒸汽发生器压力随负荷等级的提升，可有不同的变化特性，p＝f(x)，t＝f’(x)，其中p为蒸汽压力，t为蒸汽温度，x为归一化负荷，曲线如图2和图3所示。
为提高混合式蒸汽发生器系统的蒸汽干度，改善蒸汽质量，同时保持蒸汽发生器的蒸汽正常流动方向，对应的直流蒸汽发生器出口压力可取p’＝(1+a)p＝(1+a)f(x),其中a取值范围为(0，10％]，此为控制律L1，参见图2。
为提高混合式蒸汽发生器系统的蒸汽干度，改善蒸汽质量，对应的直流蒸汽发生器出口温度可取t’＝t+b＝f’(x)+b,其中b取值范围为[20，30]，此为控制律L2，参见图3。
进一步地，该控制器包括第一控制器C1(s)，第一控制器用于采用基于水位控制的方法控制自然循环蒸汽发生器的运行。即针对自然循环蒸汽发生器模块的运行控制过程，采用常规的自然循环蒸汽发生器的水位控制即可保证其正常运行。
进一步地，该控制器还包括第二控制器C2(s)和第三控制器C3(s)，第二控制器用于通过调节二次侧流量控制直流蒸汽发生器出口蒸汽压力，第三控制器用于通过调节一次侧流量控制直流蒸汽发生器出口蒸汽温度。
对直流蒸汽发生器的运行需要同时保证其出口的温度和压力，拟采用进入直流蒸汽发生器的一次侧流量m1控制直流蒸汽发生器的出口温度t’，采用进入直流蒸汽发生器的二次侧流量m2控制直流蒸汽发生器的出口压力p’，由于上述四个变量存在如图4所示的耦合关系，导致调节时间长、响应速度慢。
本发明实施例提出了基于补偿器的去耦合控制方法。
进一步地，第二控制器和第三控制器的设计包括步骤S1至S4：
S1，通过采集直流蒸汽发生器一次侧流量、二次侧流量以及对应的直流蒸汽发生器蒸汽出口的蒸汽压力和蒸汽温度的测量值，确定直流蒸汽发生器的输入输出传递函数矩阵。
将直流蒸汽发生器一次侧流量记为m1，将直流蒸汽发生器二次侧流量记为m2，直流蒸汽发生器的蒸汽出口的蒸汽压力记为p’，其蒸汽出口的蒸汽温度记为t’，直流蒸汽发生器的输入输出传递函数矩阵记为W0(s)，
Figure BDA0003538852650000051
G11(s)为温度t’对流量m1的传递函数，G21(s)为压力p’对流量m1的传递函数，G12(s)为温度t’对流量m2的传递函数，G22(s)为压力p’对流量m2的传递函数。
具体地，可采用基于多次试验数据进行模型辨识的方法来获得直流蒸汽发生器的输入输出传递函数矩阵记为W0(s)。
S2，确定解耦后的直流蒸汽发生器的目标输入输出传递函数矩阵。
明确预期的动态性能，给出解耦后输出量p’、t’与等效输入量之间的目标传递函数阵
Figure BDA0003538852650000052
其中流量m1、m2解耦后的等效输入量分别为m’1、m’2，如图5所示，W11(s)为压力p’对流量m’2的目标传递函数，W22(s)为温度t’对流量m’1的目标传递函数。
进一步地，定义W11(s)为二阶传递函数，W22(s)为一阶惯性环节。
S3，根据直流蒸汽发生器的目标输入输出传递函数矩阵和输入输出传递函数矩阵确定补偿矩阵。
补偿矩阵Wd(s)的计算公式为：
Figure BDA0003538852650000061
使得压力p’仅受等效二次侧流量m'2的控制，温度t’仅受等效一次侧流量m'1的控制，从而实现系统的解耦。
S4，根据直流蒸汽发生器的目标输入输出传递函数矩阵确定第二控制器C2(s)和第三控制器C3(s)的控制函数。
依据单输入单输出系统的控制器设计方法，分别设计以等效二次侧流量m'2和等效一次侧流量m'1为控制量、以得压力p’和温度t’为被控量的控制器C2(s)和C3(s)，最终实现蒸汽发生器给水流量的去耦合控制，如图6所示。
必须说明的是，上述任一实施例中，方法并不必然按照序号顺序依次执行，只要从执行逻辑中不能推定必然按某一顺序执行，则意味着可以以其他任何可能的顺序执行。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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 (10)

1.一种电厂核动力装置混合式蒸汽发生器系统，其特征在于，包括：自然循环蒸汽发生器、直流蒸汽发生器、蒸汽混合输出模块和控制器，蒸汽混合输出模块接收来自自然循环蒸汽发生器和直流蒸汽发生器产生的蒸汽并进行混合后输出，控制器用于控制自然循环蒸汽发生器出口的蒸汽压力、蒸汽温度以及直流蒸汽发生器出口的蒸汽压力、蒸汽温度。
2.如权利要求1所述的一种电厂核动力装置混合式蒸汽发生器系统，其特征在于，将自然循环蒸汽发生器的蒸汽出口的蒸汽压力记为p，其蒸汽出口的蒸汽温度记为t，直流蒸汽发生器的蒸汽出口的蒸汽压力记为p’，其蒸汽出口的蒸汽温度记为t’，该控制器用于使得p’、p、t’、t满足p’＝(1+a)p，t’＝t+b，a的取值范围为(5％，10％]，b的取值范围为[20，30]。
3.如权利要求1所述的一种电厂核动力装置混合式蒸汽发生器系统，其特征在于，该控制器包括第一控制器，第一控制器用于采用基于水位控制的方法控制自然循环蒸汽发生器的运行。
4.如权利要求1所述的一种电厂核动力装置混合式蒸汽发生器系统，其特征在于，该控制器还包括第二控制器和第三控制器，第二控制器用于通过调节二次侧流量控制直流蒸汽发生器出口蒸汽压力，第三控制器用于通过调节一次侧流量控制直流蒸汽发生器出口蒸汽温度。
5.如权利要求4所述的一种电厂核动力装置混合式蒸汽发生器系统，其特征在于，第二控制器和第三控制器采用解耦控制，具体包括步骤：
通过采集直流蒸汽发生器一次侧流量、二次侧流量以及对应的直流蒸汽发生器蒸汽出口的蒸汽压力和蒸汽温度的测量值，确定直流蒸汽发生器的输入输出传递函数矩阵；
确定解耦后的直流蒸汽发生器的目标输入输出传递函数矩阵；
根据直流蒸汽发生器的目标输入输出传递函数矩阵和输入输出传递函数矩阵确定补偿矩阵；
根据直流蒸汽发生器的目标输入输出传递函数矩阵确定第二控制器和第三控制器的控制函数。
6.如权利要求5所述的一种电厂核动力装置混合式蒸汽发生器系统，其特征在于，将直流蒸汽发生器一次侧流量记为m1，将直流蒸汽发生器二次侧流量记为m2，直流蒸汽发生器的蒸汽出口的蒸汽压力记为p’，其蒸汽出口的蒸汽温度记为t’，直流蒸汽发生器的输入输出传递函数矩阵记为W0(s)，
Figure FDA0003538852640000021
G11(s)为温度t’对流量m1的传递函数，G21(s)为压力p’对流量m1的传递函数，G12(s)为温度t’对流量m2的传递函数，G22(s)为压力p’对流量m2的传递函数。
7.如权利要求6所述的一种电厂核动力装置混合式蒸汽发生器系统，其特征在于，将解耦后的直流蒸汽发生器的目标输入输出传递函数矩阵记为W(s)，
Figure FDA0003538852640000022
流量m1、m2解耦后的等效输入量分别为m’1、m’2，其中W11(s)为压力p’对流量m’2的目标传递函数,W22(s)为温度t’对流量m’1的目标传递函数。
8.如权利要求7所述的一种电厂核动力装置混合式蒸汽发生器系统，其特征在于，补偿矩阵Wd(s)的计算公式为：
Figure FDA0003538852640000023
9.如权利要求7所述的一种电厂核动力装置混合式蒸汽发生器系统，其特征在于，定义W11(s)为二阶传递函数，W22(s)为一阶惯性环节。
10.如权利要求7所述的一种电厂核动力装置混合式蒸汽发生器系统，其特征在于，自然循环蒸汽发生器的功率记为P1，直流蒸汽发生器的功率记为P2，满足75％≤P1/(P1+P2)＜100％，或40％≤P1/(P1+P2)≤60％。
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