CN104637557A - 核电站稳压器压力和液位的前馈反馈复合控制方法与*** - Google Patents
核电站稳压器压力和液位的前馈反馈复合控制方法与*** Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种核电站稳压器压力和液位的前馈-反馈复合控制方法和控制***，对稳压器液位设定值重新进行了计算，新的稳压器液位设定值只与当前功率和零功率时一回路冷却剂的平均温度设定值有关，并将一回路反应堆功率和二回路汽轮机功率的失配信号作为前馈信号，引入到稳压器的压力和液位控制***中，形成前馈-反馈符合控制方案，使得稳压器的液位和压力都可以提前达到相应的补偿控制，从而提高了稳压器的控制效果，使稳压器更快的达到稳定，有利于进一步提高压水堆核电机组调频调峰时机组的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及核电技术领域，特别是涉及一种核电站稳压器压力和液位的前馈-反馈复合控制方法与***。
背景技术
稳压器是压水堆核电站的重要设备之一，它用来维持核电站一回路的压力保持稳定。目前核电站采用的稳压器控制技术，仍然存在不足之处，其主要的缺点是机组受到扰动后，相对于其他设备，稳压器的压力和液位达到稳定的时间较长，尤其是稳压器的压力达到稳定的时间相对更长。
目前技术中稳压器的液位设定值由下式计算：
Lref＝Lref,0+2.28(Tavr-Tavr,0)-0.43(Tavr-Tav)
式中，Lref为液位设定值，％；Lref,0为对应核反应堆零功率时冷却剂平均温度Tav,0(291.4℃)的参考液位，其值为20.2％；Tavr是当前机组冷却剂平均温度设定值，℃；Tavr,0是核反应堆零功率时冷却剂平均温度设定值，℃,Tav是核反应堆冷却剂平均温度，℃。
在核反应堆功率变化时，核反应堆冷却剂平均温度变化会引起冷却剂容积发生相应变化，从而导致稳压器液位的变化，液位的变化又会导致压力发生变化。上述的稳压器液位设定值的计算方法中，可以尽可能的减少由核反应堆冷却剂***排放出去的流体体积。尤其是为进一步减少其排放的流体体积，上述计算方法更是考虑了冷却剂平均温度参考值和测量值的偏差(Tavr-Tav)产生的对液位设定值的修正量。但上述方法的代价是导致稳压器水位波动幅度增加，使液位达到稳定的时间加长，并带来了稳压器压力控制的难度。
发明内容
为了提高压水堆核电站中稳压器的控制性能，本发明提供一种核电站稳压器压力和液位的前馈-反馈复合控制方法，采用的技术方案如下。
一种核电站稳压器压力和液位的前馈-反馈复合控制方法，包括步骤：
在蒸汽排放***未投入运行时，将液位前馈控制通道与压力前馈控制通道投入运行，并将一回路反应堆功率和二回路汽轮机功率的失配信号作为液位前馈控制通道与压力前馈控制通道的前馈信号；
根据机组当前的一回路冷却剂平均温度设定值和零功率时的一回路冷却剂平均温度设定值计算得到稳压器液位设定值，计算公式如下：
Lref＝Lref,0+2.28(Tavr-Tavr,0)
式中，Lref为水位设定值，％；Lref,0为对应核反应堆零功率时冷却剂平均温度Tav,0(291.4℃)的参考液位，其值为20.2％；Tavr是当前机组冷却剂平均温度设定值，℃；Tavr,0是核反应堆零功率时冷却剂平均温度设定值，℃；
根据稳压器的实际液位值和计算所得的液位设定值，通过液位前馈控制通道以及PI控制，对稳压器的液位进行控制；根据稳压器的压力设定值和实际压力值，通过压力前馈控制通道及PID控制，对稳压器的压力进行控制。
一种核电站稳压器压力和液位的前馈-反馈复合控制***，包括液位前馈控制通道、压力前馈控制通道、液位设定值计算通道、液位反馈控制回路和压力反馈控制回路；
在蒸汽排放***未投入运行时，液位前馈控制通道与压力前馈控制通道投入运行，并将一回路反应堆功率和二回路汽轮机功率的失配信号作为液位前馈控制通道与压力前馈控制通道的前馈信号；
液位设定值计算通道，用于根据机组当前的一回路冷却剂平均温度设定值和零功率时的一回路冷却剂平均温度设定值计算得到稳压器液位设定值，计算公式如下：
Lref＝Lref,0+2.28(Tavr-Tavr,0)
式中，Lref为水位设定值，％；Lref,0为对应核反应堆零功率时冷却剂平均温度Tav,0(291.4℃)的参考液位，其值为20.2％；Tavr是当前机组冷却剂平均温度设定值，℃；Tavr,0是核反应堆零功率时冷却剂平均温度设定值，℃；
液位反馈控制回路，用于根据稳压器的实际液位值和计算所得的液位设定值，通过液位前馈控制通道以及PI控制，对稳压器的液位进行控制；压力反馈控制回路，用于根据稳压器的压力设定值和实际压力值，通过压力前馈控制通道及PID控制，对稳压器的压力进行控制。
本发明核电站稳压器压力和液位的前馈-反馈复合控制方法和控制***，对稳压器液位设定值重新进行了计算，新的稳压器液位设定值只与当前功率和零功率时一回路冷却剂的平均温度设定值有关，并将一回路反应堆功率和二回路汽轮机功率的失配信号作为前馈信号，引入到稳压器的压力和液位反馈控制回路中，形成前馈-反馈符合控制方案，使得稳压器的液位和压力都可以提前达到相应的补偿控制，从而提高了稳压器的控制效果，使稳压器更快的达到稳定，有利于进一步提高压水堆核电机组调频调峰时机组的稳定性。
附图说明
图1为本发明核电站稳压器压力和液位的前馈-反馈复合控制方法的流程示意图；
图2为本发明核电站稳压器压力和液位的前馈-反馈复合控制***中压力控制部分的示意图；
图3本发明核电站稳压器压力和液位的前馈-反馈复合控制***中液位控制部分的示意图。
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的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。
稳压器的液位和压力波动的根本原因是因为在机组的负荷变化中，其反应堆和二回路的功率变化不是完全匹配的，这有故意人为设计的原因也有客观难以实现的原因，而功率的失配导致一回路冷却剂的温度发生较大幅度的变化，进而导致冷却剂膨胀和收缩。而在原有技术中，稳压器控制***并未考虑一回路和二回路功率失配的对稳压器控制的贡献。而如果把功率失配信号作为前馈控制引入稳压器控制中，则该前馈控制会与现有的水位设定值计算方法存在冲突。例如，如果反应堆功率高于二回路功率时，此时冷却剂温度会上升，稳压器液位上升，采用前馈控制后，该前馈控制的作用是提前减少稳压器的上冲流量，以抑制其液位的上升，但是在原有的技术中，水位设定值考虑了冷却剂平均温度参考值和测量值的偏差(Tavr-Tav)产生的对液位设定值的修正量，而此修正量是使液位设定值增加，因此这两者直接存在的冲突将严重影响前馈控制的效果。
本发明的核电站稳压器压力和液位的前馈-反馈复合控制方法，如图1所示，包括步骤：
步骤s101、在蒸汽排放***未投入运行时，将液位前馈控制通道与压力前馈控制通道投入运行，并将一回路反应堆功率和二回路汽轮机功率的失配信号作为液位前馈控制通道与压力前馈控制通道的前馈信号；
步骤s102、根据机组当前的一回路冷却剂平均温度设定值和零功率时的一回路冷却剂平均温度设定值计算得到稳压器液位设定值，计算公式如下：
Lref＝Lref,0+2.28(Tavr-Tavr,0)
式中，Lref为水位设定值，％；Lref,0为对应核反应堆零功率时冷却剂平均温度Tav,0(291.4℃)的参考液位，其值为20.2％；Tavr是当前机组冷却剂平均温度设定值，℃；Tavr,0是核反应堆零功率时冷却剂平均温度设定值，℃；
步骤s103、根据稳压器的实际液位值和计算所得的液位设定值，通过液位前馈控制通道以及PI控制，对稳压器的液位进行控制；根据稳压器的压力设定值和实际压力值，通过压力前馈控制通道及PID控制，对稳压器的压力进行控制。
其中对稳压器压力的控制过程具体包括：
对稳压器的压力设定值和实际压力值，经过加法器计算出压力偏差值，该压力偏差值经过PID控制器运算后，得到对应于压力偏差值的补偿压差值，根据机组一回路的核功率和二回路汽轮机功率的失配值，经过增益计算后得到对应于功率失配值的补偿压差值，该补偿压差值作为前馈控制，再经过加法器，将对应于功率失配值的补偿压差值与对应于压力偏差值的补偿压差值相加，得到稳压器最终的补偿压差值，并根据该补偿压差去控制稳压器的压力。
对稳压器液位的控制过程具体包括：
对稳压器的实际液位值和计算所得的液位设定值，经过加法器计算出液位偏差值，液位偏差值经过液位PI控制器计算，得到对应于液位偏差值的流量补偿量，经过加法器可计算得到机组一回路的核功率和二回路汽轮机功率的失配值，经过增益计算后得到对应于功率失配值的流量补偿量，该流量补偿量作为前馈控制信号，再经过加法器，与对应于液位偏差值的流量补偿量和下泄流量相加，得到稳压器上冲流量设定值，根据上冲流量设定值经过流量PI控制器控制上冲流量。
作为一个优选的实施例，操作员还获取机组的运行状态，若蒸汽排放***投入运行时，由于此时机组汽轮机负荷不能再代表二回路功率总负荷，此时操纵员应切除压力前馈控制通道和液位前馈控制通道；其他情况下，保留压力前馈控制通道和液位前馈控制通道。
本发明的核电站稳压器压力和液位的前馈-反馈复合控制***，按照控制对象的不同，分为两大部分：压力前馈-反馈复合控制***和液位前馈-反馈复合控制***，压力前馈-反馈复合控制单元又包括压力前馈控制通道和压力反馈控制回路，液位前馈-反馈复合控制单元又包括液位设定值计算通道、液位前馈控制通道和液位反馈控制回路。
在蒸汽排放***未投入运行时，液位前馈控制通道与压力前馈控制通道投入运行，并将一回路反应堆功率和二回路汽轮机功率的失配信号作为液位前馈控制通道与压力前馈控制通道的前馈信号。
液位设定值计算通道，用于根据机组当前的一回路冷却剂平均温度设定值和零功率时的一回路冷却剂平均温度设定值计算得到稳压器液位设定值，计算公式如下：
Lref＝Lref,0+2.28(Tavr-Tavr,0)
式中，Lref为水位设定值，％；Lref,0为对应核反应堆零功率时冷却剂平均温度Tav,0(291.4℃)的参考液位，其值为20.2％；Tavr是当前机组冷却剂平均温度设定值，℃；Tavr,0是核反应堆零功率时冷却剂平均温度设定值，℃。
液位反馈控制回路，用于根据稳压器的实际液位值和计算所得的液位设定值，通过液位前馈控制通道以及PI控制，对稳压器的液位进行控制；压力反馈控制回路，用于根据稳压器的压力设定值和实际压力值，通过压力前馈控制通道及PID控制，对稳压器的压力进行控制。
其中，压力前馈-反馈复合控制***实现压力调节的具体过程如下。
首先，操纵员获取机组的运行状态，若蒸汽排放***投入运行时，由于此时机组汽轮机负荷不能再代表二回路功率总负荷，此时操纵员应将压力前馈投切开关200置于“OFF”位置，以便将压力前馈控制通道20从压力反馈控制回路切除。若蒸汽排放***未投入运行时，此时操纵员应将压力前馈投切开关200置于“ON”位置，以保留压力前馈控制通道20。
然后，在压力前馈控制通道投入运行的前提下，如图2所示，经过压力第一加法器201的运算得到稳压器压力值P和稳压器压力设定值Pref的偏差P-Pref，该偏差值经过PID控制器202运算后变为(P-Pref)补。压力前馈控制通道20是根据压力第二加法器203计算得到反应堆功率和汽轮机负荷的功率失配值，再经过增益环节204计算得到功率失配对稳压器压力控制的贡献值。经过压力第三加法器205计算后得到最终的压差值(P-Pref)补终，根据最终的压差值，由压力函数功能模块206去控制比例加热器207、通断式加热器208以及喷淋阀209。压力函数功能模块206是一个逻辑控制器，其功能是根据压差值(P-Pref)补终，去控制加热器和喷淋阀的开启与关闭。
图3是液位前馈-反馈复合控制***示意图，该控制***包括液位前馈控制通道21和液位反馈控制回路22，其中液位前馈控制通道21是为了加快***的响应，液位反馈控制回路22则可实现稳压器水位的无差调节，液位前馈-反馈复合控制***实现液位调节的具体过程如下。
首先，操纵员根据机组的运行状态，若蒸汽排放***投入运行时，由于此时机组汽轮机负荷不能再代表二回路功率总负荷，此时操纵员应将液位前馈投切开关216置于“OFF”位置，此时该控制***将切除液位前馈控制通道21；若蒸汽排放***未投入运行时，此时操纵员应将选择开关216置于“ON”位置，此时保留液位前馈控制通道21。
然后，在液位前馈控制通道21正常接入的前提下，根据汽轮机功率NT，经过平均温度定值函数210计算得到一回路冷却剂平均温度设定值Tavr，液位函数功能模块211根据Tavr计算得出稳压器水位设定值Lref，其中函数功能模块211所计算出的稳压器液位设定值满足如下关系：
Lref＝Lref,0+2.28(Tavr-Tavr,0)
式中，Lref为水位设定值，％；Lref,0为对应核反应堆零功率时冷却剂平均温度Tav,0(291.4℃)的参考液位，其值为20.2％；Tavr是当前机组冷却剂平均温度设定值，℃；Tavr,0是核反应堆零功率时冷却剂平均温度设定值，℃。
液位设定值Lref与实际液位值L经过液位第一加法器212的运算后得到液位偏差值，该液位偏差值送往非线性增益模块213进一步计算。非线性增益模块213被用来提供液位控制器的响应速度，又兼顾调节的稳定性，在小液位偏差时，降低增益，在大液位偏差时，增大增益。经过213模块计算后的液位偏差值送往液位PI控制器214计算，液位PI控制器214的输出信号为对应于液位偏差的流量补偿量。
反应堆核功率Nr与汽轮机功率值NT经过液位第二加法器217的运算后得到功率失配值，该功率失配值经过液位增益218运算后得到对应于功率失配的流量补偿量。
液位第三加法器215把对应于液位偏差的流量补偿量、对应于功率失配的流量补偿量和下泄流量相加后得出上冲流量设定值。上冲流量限值函数219限定最小上冲流量不小于6m3·h-1，上冲上限为25.6m3·h-1。最终的上冲流量设定值和实际上冲流量经过液位第四加法器220作差后送往流量PI控制器221，通过控制上冲阀222的开度来控制上冲流量以实现稳压器液位的调节。
综上，与现有技术相比，本发明首先通过提出了新的稳压器液位设定值计算方法，本方法有利于实现稳压器的前馈控制。通过本发明提出的稳压器前馈-反馈复合控制***，稳压器的液位和压力都可以提前达到相应的补偿控制，该方法大大提高了稳压器的控制速度，有利于核电机组的稳定运行。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (9)
1.一种核电站稳压器压力和液位的前馈-反馈复合控制方法，其特征在于，包括步骤：
在蒸汽排放***未投入运行时，将液位前馈控制通道与压力前馈控制通道投入运行，并将一回路反应堆功率和二回路汽轮机功率的失配信号作为液位前馈控制通道与压力前馈控制通道的前馈信号；
根据机组当前的一回路冷却剂平均温度设定值和零功率时的一回路冷却剂平均温度设定值计算得到稳压器液位设定值，计算公式如下：
Lref＝Lref,0+2.28(Tavr-Tavr,0)
式中，Lref为水位设定值，％；Lref,0为对应核反应堆零功率时冷却剂平均温度Tav,0(291.4℃)的参考液位，其值为20.2％；Tavr是当前机组冷却剂平均温度设定值，℃；Tavr,0是核反应堆零功率时冷却剂平均温度设定值，℃；
根据稳压器的实际液位值和计算所得的液位设定值，通过液位前馈控制通道以及PI控制，对稳压器的液位进行控制；根据稳压器的压力设定值和实际压力值，通过压力前馈控制通道及PID控制，对稳压器的压力进行控制。
2.根据权利要求1所述的核电站稳压器压力和液位的前馈-反馈复合控制方法，其特征在于，对稳压器压力的控制过程包括：
对稳压器的压力设定值和实际压力值，经过加法器计算出压力偏差值，该压力偏差值经过PID控制器运算后，得到对应于压力偏差值的补偿压差值，根据机组一回路的核功率和二回路汽轮机功率的失配值，经过增益计算后得到对应于功率失配值的补偿压差值，该补偿压差值作为前馈控制，再经过加法器，将对应于功率失配值的补偿压差值与对应于压力偏差值的补偿压差值相加，得到稳压器最终的补偿压差值，并根据该补偿压差去控制稳压器的压力。
3.根据权利要求2所述的核电站稳压器压力和液位的前馈-反馈复合控制方法，其特征在于，对稳压器液位的控制过程包括：
对稳压器的实际液位值和计算所得的液位设定值，经过加法器计算出液位偏差值，液位偏差值经过液位PI控制器计算，得到对应于液位偏差值的流量补偿量，经过加法器可计算得到机组一回路的核功率和二回路汽轮机功率的失配值，经过增益计算后得到对应于功率失配值的流量补偿量，该流量补偿量作为前馈控制信号，再经过加法器，与对应于液位偏差值的流量补偿量和下泄流量相加，得到稳压器上冲流量设定值，根据上冲流量设定值经过流量PI控制器控制上冲流量。
4.根据权利要求1或2或3所述的核电站稳压器压力和液位的前馈-反馈复合控制方法，其特征在于，还包括步骤：
当蒸汽排放***投入运行时，切除压力前馈控制通道和液位前馈控制通道。
5.一种核电站稳压器压力和液位的前馈-反馈复合控制***，其特征在于，包括液位前馈控制通道、压力前馈控制通道、液位设定值计算通道、液位反馈控制回路和压力反馈控制回路；
在蒸汽排放***未投入运行时，液位前馈控制通道与压力前馈控制通道投入运行，并将一回路反应堆功率和二回路汽轮机功率的失配信号作为液位前馈控制通道与压力前馈控制通道的前馈信号；
液位设定值计算通道，用于根据机组当前的一回路冷却剂平均温度设定值和零功率时的一回路冷却剂平均温度设定值计算得到稳压器液位设定值，计算公式如下：
Lref＝Lref,0+2.28(Tavr-Tavr,0)
式中，Lref为水位设定值，％；Lref,0为对应核反应堆零功率时冷却剂平均温度Tav,0(291.4℃)的参考液位，其值为20.2％；Tavr是当前机组冷却剂平均温度设定值，℃；Tavr,0是核反应堆零功率时冷却剂平均温度设定值，℃；
液位反馈控制回路，用于根据稳压器的实际液位值和计算所得的液位设定值，通过液位前馈控制通道以及PI控制，对稳压器的液位进行控制；压力反馈控制回路，用于根据稳压器的压力设定值和实际压力值，通过压力前馈控制通道及PID控制，对稳压器的压力进行控制。
6.根据权利要求5所述的核电站稳压器压力和液位的前馈-反馈复合控制***，其特征在于，
所述压力前馈控制通道包括依次相连的压力第二加法器、压力增益模块和压力前馈投切开关，所述压力反馈控制回路包括依次相连的压力第一加法器、PID控制器、压力第三加法器和压力函数功能模块，所述压力前馈投切开关还连接所述压力第三加法器；
稳压器的压力设定值和实际压力值输入到所述压力第一加法器，经过所述压力第一加法器的运算得到稳压器压力值和稳压器压力设定值的压力偏差值，该压力偏差值经过所述PID控制器运算后变为对应于压力偏差值的补偿压差值；一回路反应堆功率和二回路汽轮机功率输入到所述压力第二加法器，输出功率失配值，功率失配值再经过压力增益模块的计算得到对应于功率失配值的补偿压差值；对应于功率失配值的补偿压差值与对应于压力偏差值的补偿压差值经过所述压力第三加法器计算后得到最终的补偿压差值，所述压力函数功能模块根据最终的补偿压差值控制比例加热器、通断式加热器以及喷淋阀。
7.根据权利要求6所述的核电站稳压器压力和液位的前馈-反馈复合控制***，其特征在于，
所述液位设定值计算通道包括依次相连的平均温度定值函数模块和液位函数功能模块；
所述平均温度定值函数模块根据二回路汽轮机功率计算得到一回路冷却剂平均温度设定值，液位函数功能模块根据该平均温度设定值计算得出稳压器的液位设定值；
所述液位前馈控制通道包括依次相连的液位第二加法器、液位增益模块和液位前馈投切开关；
所述液位反馈控制回路包括依次相连的液位第一加法器、非线性增益函数模块、液位PI控制器、液位第三加法器、上冲量限制函数模块、液位第四加法器和流量PI控制器；
稳压器的液位设定值与实际液位值经过所述液位第一加法器的运算后得到液位偏差值，该液位偏差值送往所述非线性增益模块进一步计算，所述非线性增益模块用来提供液位控制器的响应速度，并在小液位偏差值时，降低增益，在大液位偏差值时，增大增益，经过所述非线性增益模块计算后的液位偏差值送往所述液位PI控制器计算，所述液位PI控制器的输出信号为对应于液位偏差值的流量补偿量；
反应堆核功率与汽轮机功率值经过所述液位第二加法器的运算后得到功率失配值，该功率失配值经过所述液位增益模块运算后得到对应于功率失配值的流量补偿量；
所述液位第三加法器把对应于液位偏差值的流量补偿量和对应于功率失配值的流量补偿量及下泄流量相加后得出上冲流量设定值，所述上冲流量限值函数模块限定上冲流量设定值的大小，最终的上冲流量设定值和实际上冲流量经过所述液位第四加法器作差后送往所述流量PI控制器，所述流量PI控制器通过控制上冲阀的开度来控制上冲流量以实现稳压器液位的调节。
8.根据权利要求7所述的核电站稳压器压力和液位的前馈-反馈复合控制***，其特征在于，
所述上冲流量限值函数219限定上冲流量设定值不小于6m3·h-1，上冲流量设定值不大于25.6m3·h-1。
9.根据权利要求5或6或7或8所述的核电站稳压器压力和液位的前馈-反馈复合控制***，其特征在于，
当蒸汽排放***投入运行时，所述压力前馈投切开关断开，以切除压力前馈控制通道，所述液位前馈投切开关断开，以切除液位前馈控制通道。
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