胡曉杰, 楊 婷, 錢 虹

(上海電力大學(xué) 自動(dòng)化工程學(xué)院, 上海 200090)

直流蒸汽發(fā)生器(Once-Through Steam Generator,OTSG)是一體化反應(yīng)堆的重要核動(dòng)力裝置,具有體積小、傳熱效率高等優(yōu)點(diǎn),國(guó)內(nèi)外對(duì)其進(jìn)行了廣泛研究和應(yīng)用[1-5]。由于OTSG的二次側(cè)儲(chǔ)水容積較小,蓄熱能力較差,負(fù)荷變化對(duì)蒸汽壓力的影響非常顯著;而且蒸汽發(fā)生器過冷、蒸發(fā)、過熱等各區(qū)段之間沒有固定的分界線,不論是一次側(cè)還是二次側(cè)的擾動(dòng),都會(huì)導(dǎo)致蒸汽溫度的變化,因此對(duì)OTSG控制的要求較高。

目前大多采用三沖量控制方法或在此基礎(chǔ)上加入智能控制算法來控制給水,進(jìn)而保持OTSG蒸汽壓力不變[6-12]。這樣的控制方法會(huì)使OTSG蒸汽的過熱度發(fā)生波動(dòng),且波動(dòng)幅度較大。文獻(xiàn)[12]通過控制主蒸汽閥門來控制OTSG蒸汽壓力,但蒸汽過熱度仍會(huì)發(fā)生波動(dòng)。蒸汽過熱度過高,會(huì)導(dǎo)致蒸汽管道和汽輪機(jī)高壓缸損壞;蒸汽過熱度過低,則會(huì)降低熱力循環(huán)效率,并使汽輪機(jī)末級(jí)部分的蒸汽濕度變大[13];并且如果只控制主蒸汽壓力,蒸汽過熱度會(huì)發(fā)生變化,導(dǎo)致無法確定達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)的電功率與負(fù)荷設(shè)定值是否相匹配。因此,需要同時(shí)保持OTSG的蒸汽壓力和過熱度不變。

針對(duì)上述問題,本文設(shè)計(jì)了OTSG蒸汽壓力和過熱度控制策略。通過設(shè)計(jì)三沖量給水控制系統(tǒng)控制主給水閥,跟蹤OTSG蒸汽過熱度設(shè)定值。采用單回路加前饋控制的方法控制主蒸汽閥門,跟蹤OTSG蒸汽壓力設(shè)定值。最后,仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該策略對(duì)OTSG具有較好的控制效果。

1 OTSG工作機(jī)理及模型建立

1.1 OTSG工作機(jī)理

套管式OTSG分為內(nèi)管和外管,其管道排列方式和傳熱形式如圖1所示。

由圖1(a)可以看出,一回路冷卻劑從內(nèi)管內(nèi)部和外管外部流過,二回路給水從內(nèi)管與外管之間的環(huán)形流道流過[4]。這使得OTSG可以實(shí)現(xiàn)雙面加熱,換熱效果非常好。當(dāng)兩側(cè)的冷卻劑密度相等時(shí),換熱效果最好[14]。

由圖1(b)可以看出,OTSG分為過冷段、蒸發(fā)段、過熱段3個(gè)階段。過冷段,將過冷水加熱到飽和狀態(tài),含汽率x=0;蒸發(fā)段,將飽和水加熱到飽和蒸汽,0

圖1 套管式OTSG的管道排列方式和傳熱形式

1.2 模型建立

使用熱工水力程序建立OTSG模型,其中采用的質(zhì)量方程、能量方程和動(dòng)量方程如下。

質(zhì)量方程為

(1)

式中:D——實(shí)微分;

m——質(zhì)量,kg;

t——時(shí)間;

V——體積控制體;

I——邊界總數(shù);

qm,i——第i邊界處的質(zhì)量流量,kg/s。

能量方程為

(2)

式中:U——內(nèi)能,J;

ui——比內(nèi)能,J/kg。

動(dòng)量方程為

(3)

式中:υ,υi——速度,m/s;

fk——加速度,m/s2;

k——作用在質(zhì)量流體上的力的種類。

程序針對(duì)兩相列出了上述質(zhì)量方程、能量方程和動(dòng)量方程,根據(jù)上述方程可以計(jì)算出OTSG二次側(cè)相溫度、空泡份額、壓力等。

本文建立的OTSG模型如圖2所示。由于OTSG二次側(cè)同時(shí)存在液相和汽相,并且在液相轉(zhuǎn)化為汽相過程中容易造成質(zhì)量流量的不穩(wěn)定,因此將OTSG一次側(cè)和二次側(cè)各劃分為22個(gè)控制體。圖2中110P和210P控制體分別表示OTSG一次側(cè)和二次側(cè),在給水入口和蒸汽出口分別給出二次側(cè)溫度、壓力和流量邊界條件。

圖2 OTSG模型示意

1.3 穩(wěn)態(tài)工況結(jié)果

在建立上述模型的基礎(chǔ)上,給定邊界條件如下:OTSG二次側(cè)入口給水溫度為140.35 ℃,壓力為4.538 MPa,給水流量為165.7 kg/s,出口蒸汽溫度為291 ℃(蒸汽過熱度為33 K),蒸汽流量為165.7 kg/s。通過模型的穩(wěn)態(tài)運(yùn)算,得到結(jié)果如圖3所示。由圖3可以看出,OTSG蒸汽壓力穩(wěn)定在給定邊界條件值,誤差為零;過熱度為33.8 K,誤差為0.8 K,在允許范圍內(nèi);蒸汽流量為165.7 kg/s,誤差為零;蒸汽空泡份額為1,說明蒸汽為過熱蒸汽。熱工參數(shù)均符合要求,建立的OTSG模型合理有效。

圖3 OTSG模型穩(wěn)態(tài)工況運(yùn)算結(jié)果

2 OTSG控制策略

OTSG的控制原理如圖4所示。圖4中,F(p)表示由蒸汽壓力p及其對(duì)應(yīng)的飽和溫度擬合出的函數(shù);F(h)為關(guān)于比焓h的函數(shù)。

圖4 OTSG控制原理

2.1 蒸汽壓力控制策略

OTSG蒸汽壓力控制采用單回路控制方法。為了使主蒸汽閥更好地跟蹤負(fù)荷變化,采用目標(biāo)負(fù)荷作為前饋值。蒸汽壓力控制采用PI控制,控制原理如圖5所示。其回路如圖4中蒸汽壓力控制模塊所示。

圖5 OTSG蒸汽壓力控制原理

根據(jù)蒸汽壓力設(shè)定值和測(cè)量值,通過PI控制器計(jì)算得到流量需求變化值;將該變化值與目標(biāo)負(fù)荷計(jì)算得到的流量值求和,得到蒸汽流量需求量,并傳輸至主蒸汽閥調(diào)節(jié)單元;主蒸汽閥調(diào)節(jié)單元根據(jù)蒸汽需求量來調(diào)節(jié)閥門開度。

2.2 蒸汽過熱度控制策略

OTSG蒸汽過熱度控制采用三沖量控制方法,將蒸汽溫度、蒸汽流量、主給水流量作為輸入量,主給水閥調(diào)節(jié)開度作為輸出量,并且采用PI控制,控制原理如圖6所示。其回路如圖4中蒸汽過熱度控制模塊所示。

圖6 OTSG蒸汽過熱度控制原理

利用蒸汽溫度和蒸汽壓力對(duì)應(yīng)的飽和溫度的溫差值表示當(dāng)前的蒸汽過熱度,給水流量作為反饋量,蒸汽流量作為前饋量。其中,將蒸汽流量作為前饋量可以快速克服負(fù)荷變化對(duì)蒸汽過熱度的影響。

將PI控制器計(jì)算得到的值與蒸汽流量和給水流量之間的差值進(jìn)行求和,所得到的和值傳輸至主給水閥調(diào)節(jié)單元,計(jì)算得出主給水閥門開度值。主給水閥調(diào)節(jié)單元根據(jù)給水需求來改變閥門開度。

3 仿真分析

3.1 構(gòu)建仿真系統(tǒng)

在MATLAB/Simulink平臺(tái)構(gòu)建仿真系統(tǒng),并與一體化反應(yīng)堆仿真平臺(tái)連接,如圖7所示。一體化反應(yīng)堆仿真平臺(tái)是基于OTSG模型搭建的,MATLAB/Simulink通過OPC(OLE for Process Control)可以與一體化反應(yīng)堆仿真平臺(tái)互相傳輸數(shù)據(jù),進(jìn)而形成閉環(huán)回路。通過OPC讀取蒸汽壓力、蒸汽溫度、蒸汽流量、給水流量和目標(biāo)負(fù)荷的值,仿真機(jī)中的目標(biāo)負(fù)荷是根據(jù)負(fù)荷設(shè)定值和負(fù)荷升降速率計(jì)算得出。將主蒸汽閥門開度和主給水閥開度值通過OPC寫進(jìn)仿真平臺(tái)。

圖7 OTSG控制仿真示意

3.2 仿真結(jié)果及分析

大型壓水堆蒸汽發(fā)生器的主蒸汽壓力波動(dòng)為:上限增加不超過10%,下限降低不超過3.035%[15-16]。目前,一體化反應(yīng)堆OTSG控制仍處于研究階段,尚未有明確的壓力和過熱度波動(dòng)比例評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),同時(shí)也沒有達(dá)到目標(biāo)穩(wěn)態(tài)所用時(shí)間的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。因此,本文采用大型壓水堆的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)作為OTSG控制性能的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

改變蒸汽過熱度和壓力設(shè)定值,以驗(yàn)證OTSG蒸汽壓力和過熱度控制策略的可行性,OTSG跟蹤設(shè)定值的變化曲線如圖8所示。蒸汽壓力和蒸汽過熱度原先設(shè)定值分別為4.538 MPa和33 K,在140 s時(shí)變?yōu)?.560 MPa和38 K。由圖8(a)可以看出,在3 000 s時(shí)蒸汽壓力跟蹤到設(shè)定值,穩(wěn)態(tài)誤差為零。由圖8(b)可以看出,在1 627 s時(shí)蒸汽過熱度跟蹤到設(shè)定值,最大超調(diào)量為0.56 K,穩(wěn)態(tài)誤差為零。因此,OTSG蒸汽壓力和過熱度控制策略的設(shè)計(jì)合理,同時(shí)控制OTSG蒸汽壓力和過熱度是可行的。

圖8 OTSG跟蹤設(shè)定值變化曲線

負(fù)荷從100%下降至80%時(shí),主蒸汽壓力和過熱度變化曲線如圖9所示。由圖9可以看出,在3 000 s時(shí)蒸汽壓力穩(wěn)定到設(shè)定值,超調(diào)量為0.092 MPa,穩(wěn)態(tài)誤差為零;在1 150 s時(shí)蒸汽過熱度穩(wěn)定到設(shè)定值,超調(diào)量為0.5 K,穩(wěn)態(tài)誤差為零。也就是說,在降負(fù)荷情況下,OTSG蒸汽壓力和過熱度的調(diào)節(jié)時(shí)間、超調(diào)量都在要求范圍內(nèi),且最終都可以穩(wěn)定到設(shè)定值。負(fù)荷突然下降時(shí),蒸汽流量增加,導(dǎo)致壓力升高,蒸汽從OTSG一次側(cè)吸收的熱量減少,過熱度降低。當(dāng)壓力升高時(shí),主蒸汽閥門開度變大,減小蒸汽流量;當(dāng)壓力降低時(shí),主蒸汽閥門開度變小,增加蒸汽流量。當(dāng)過熱度降低時(shí),主給水閥門開度變小,減少給水流量,導(dǎo)致蒸汽流量減小,蒸汽從OTSG一次側(cè)吸收的熱量增加;當(dāng)過熱度升高時(shí),主給水閥門開度變大,增加給水流量,導(dǎo)致蒸汽流量增加,蒸汽從OTSG一次側(cè)吸收的熱量減少。分析表明,該控制策略在降負(fù)荷情況下的控制性能較好,可以較好地跟蹤蒸汽壓力和過熱度設(shè)定值。

圖9 負(fù)荷下降時(shí)蒸汽壓力和過熱度的變化曲線

負(fù)荷從80%升高至100%時(shí),主蒸汽壓力和過熱度變化曲線如圖10所示。

圖10 負(fù)荷升高時(shí)蒸汽壓力和過熱度的變化曲線

由圖10可以看出,在2 500 s時(shí)蒸汽壓力穩(wěn)定到設(shè)定值,穩(wěn)態(tài)誤差為零;在610 s時(shí)蒸汽過熱度穩(wěn)定到設(shè)定值,超調(diào)量為0.34 K,穩(wěn)態(tài)誤差為零。也就是說,在升負(fù)荷情況下,OTSG蒸汽壓力和過熱度的調(diào)節(jié)時(shí)間、超調(diào)量同樣都在要求范圍內(nèi),且最終都可以穩(wěn)定到設(shè)定值。負(fù)荷突然增加時(shí),蒸汽流量減少,導(dǎo)致壓力下降,蒸汽從OTSG一次側(cè)吸收的熱量增加,過熱度降低。當(dāng)壓力降低時(shí),主蒸汽閥門開度變小,增加蒸汽流量;當(dāng)壓力升高時(shí),主蒸汽閥門開度變大,減少蒸汽流量。當(dāng)過熱度升高時(shí),主給水閥門開度變大,增加給水流量,從而會(huì)增加蒸汽流量,蒸汽從OTSG一次側(cè)吸收的熱量減少;當(dāng)過熱度降低時(shí),主給水閥門開度變小,減少給水流量,從而會(huì)減少蒸汽流量,蒸汽從OTSG一次側(cè)吸收的熱量增加。分析表明,該控制策略在升負(fù)荷情況下的控制性能較好,可以較好地跟蹤蒸汽壓力和過熱度設(shè)定值。

4 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)了同時(shí)控制OTSG蒸汽壓力和過熱度的控制策略。根據(jù)套管式OTSG管道排列方式以及一回路冷卻劑和二回路給水之間的傳熱區(qū)段分析了OTSG的工作原理,利用熱工水力程序建立了OTSG模型。通過設(shè)計(jì)三沖量給水控制系統(tǒng)控制主給水閥門,采用單回路加前饋控制方法控制主蒸汽閥門,形成了對(duì)一體化反應(yīng)堆OTSG的控制策略。在MATLAB/Simulink平臺(tái)中構(gòu)建了控制策略的仿真系統(tǒng),仿真結(jié)果驗(yàn)證了OTSG蒸汽壓力和過熱度控制策略的控制效果良好,可以滿足超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間等控制性能要求,對(duì)于一體化反應(yīng)堆核電站OTSG控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有較高的參考價(jià)值。