基于能量平衡改进的给水控制系统及方法

技术领域

本发明属于核反应堆控制领域，具体涉及一种基于能量平衡改进的给水控制系统及方法。

背景技术

核反应堆给水调节系统的关键设备是蒸汽发生器，通过蒸汽发生器换热将一次侧的热量传递给二次侧给水，给水被加热后变为蒸汽被送往汽轮机做功完成发电。核反应堆领域，采用“机跟堆”运行模式时，蒸汽发生器不仅要提供可靠的蒸汽，还要保证蒸汽发生器一次侧出口温度维持在设定值以防止冷却剂温度变化引起反应性变化进而导致堆芯功率变化。

给水系统通常包括有主给水泵、并联管道、高压加热器、环路阀、模块阀、蒸汽发生器、过热器(可与蒸汽发生器合二为一)。给水泵用于给水增压提供动力；高压加热器从高压缸抽取蒸汽对给水进行加热；环路阀通过调节阀门开度调节阻力系数从而改变环路给水流量；模块阀通过调节阀门开度调节阻力系数从而改变模块给水流量；蒸汽发生器通过一二次侧换热将给水加热为蒸汽/过热蒸汽；过热器将蒸汽发生器产生的蒸汽进行进一步加热；并联管道用于多模块之间的流量分配。

当核反应堆功率发生变化时，蒸汽发生器一次侧出口温度、流量会发生变化，进而影响一次侧出口温度、流量、二次侧蒸汽温度、流量。为保证反应堆安全，给水控制系统通过调节二次侧给水流量保证蒸汽发生器一次侧出口温度稳定。但是，由于流体的流动、换热需要时间，当输入发生变化时往往不能立刻体现在蒸汽发生器一次侧出口温度上。因此，单纯通过温度反馈进行控制效果较差。一次侧流量与二次侧流量的比值可以反应当前给水流量的偏差，通过前馈补偿可以提高系统在流量变化时的响应速度。然而，当入口温度发生变化时，由于换热温差的变化、入口焓值的变化都会影响系统的给水需求。这将导致入口温度变化后，系统一二次侧的流量比偏离原设定值，进而导致流量前馈单元产生错误输出。

发明内容

为克服现有技术中存在的上述不足，本文发明基于能量平衡改进了给水系统的前馈，改变传统流量前馈单元设定值的计算方式，考虑温度变化对给水需求量的影响，设计了一种通过一次侧入口温度、一次侧出口温度设定值、二次侧入口温度修正流量比设定值的方法，为流量前馈单元提供更准确的控制目标，加快系统在输入扰动下的响应。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

基于能量平衡改进的给水控制系统，包括：模块阀控制逻辑单元，环路阀控制逻辑单元，主泵转速控制逻辑单元，流量前馈单元，基于能量平衡的前馈改进单元；

所述流量前馈单元，用于通过当前一二次侧流量的比值与额定功率时一二次侧流量的比值给出前馈信号；

所述基于能量平衡的前馈改进单元，用于在一二次侧输入包括一次侧入口温度、一次侧入口流量、二次侧入口温度，二次侧入口流量以及一次侧出口温度设定值发生变化时，通过能量守恒的方式计算输入变化导致的流量比变化，进而改变流量比的设定值；

所述环路阀控制逻辑单元，用于通过环路一次侧平均出口温度与设定值之间的偏差调节环路阀门开度，进而改变环路给水流量使环路一次侧平均出口温度与设定值保持一致；

所述主泵转速控制逻辑单元，用于维持环路阀前后两端压差在设定范围；

所述模块阀控制逻辑单元，用于通过对比环路一次侧平均出口温度与模块温度之间的偏差调节模块阀门开度，进而改变模块给水流量使模块出口温度与环路一次侧平均出口温度保持一致。

基于能量平衡改进的给水控制系统的控制方法，包括：

通过反馈与前馈的结合加快给水系统在输入发生变化时的响应速度，流量前馈单元加快一次侧或二次侧流量变化时的响应，基于能量平衡的前馈改进单元能在流量前馈单元的基础上加快给水系统在一侧入口温度、二次侧入口温度、一次侧出口温度设定值变化时的响应。

作为本发明的进一步改进，包括：

通过当前一二次侧流量的比值与额定功率时一二次侧流量的比值给出前馈信号；

在一二次侧输入包括一次侧入口温度、一次侧入口流量、二次侧入口温度，二次侧入口流量以及一次侧出口温度设定值发生变化时，通过能量守恒的方式计算输入变化导致的流量比变化，进而改变流量比的设定值；

通过环路一次侧平均出口温度与设定值之间的偏差调节环路阀门开度，进而改变环路给水流量使环路一次侧平均出口温度与设定值保持一致；

维持环路阀前后两端压差在设定范围；

通过对比环路一次侧平均出口温度与模块温度之间的偏差调节模块阀门开度，进而改变模块给水流量使模块出口温度与环路一次侧平均出口温度保持一致。

作为本发明的进一步改进，通过环路一次侧平均出口温度与设定值之间的偏差调节环路阀门开度，进而改变环路给水流量使环路一次侧平均出口温度与设定值保持一致；包括：

S1、单个蒸汽发生器模块输入发生变化时，此时会导致该蒸汽发生器一次侧出口温度与环路一次侧出口平均温度产生偏差，模块阀门通过调节模块阀使模块出口温度与环路保持一致；

S2、环路流量输入发生变化时，前馈直接作用环路阀门改变给水流量使流量比回到设定值；环路流量的变化会导致环路出口温度发生变化，温度反馈通过环路一次侧出口平均温度与设定值的偏差调节环路阀改变给水流量使环路一次侧出口平均温度回到设定值；

S3、当阀门压差过小时触发主泵转速增大信号以增大环路阀两端压差，当阀门压差过大时触发主泵转速下降信号以减小环路阀两端压差；

S4、环路温度输入发生变化时，改变流量比前馈的设定值。

作为本发明的进一步改进，所述环路一次侧平均出口温度为同一环路所有模块蒸汽发生器出口一次侧温度的平均值。

作为本发明的进一步改进，当给水温度或一次侧入口温度大幅度变化时，流量比设定值应根据输入条件变化。

作为本发明的进一步改进，通过一次侧温度入口温度、二次侧给水温度以及出口温度设定值的变化修正流量比：

式中，η

与现有技术相比，本发明的优点在于：

该控制系统包括模块温度反馈控制、环路温度反馈控制、给水泵转速反馈控制、流量前馈单元控制以及基于能量平衡的前馈修正。本发明针对核反应堆多模块并联给水系统的特性设计了一种基于能量平衡改进的给水控制系统。其最大特点为能够在一次侧冷却剂流量变化、一次侧温度变化、给水温度变化等扰动中提高控制系统的响应速度。本发明能够在一次侧冷却剂流量变化、一次侧温度变化、给水温度变化等扰动中提高控制系统的响应速度，能够改进多模块并联蒸汽发生器给水调节系统的控制效果，通过能量守恒的角度对流量前馈单元的设定值进行了改进，未相关控制提供了新的思路。

附图说明

在此描述的附图仅用于解释目的，而不意图以任何方式来限制本发明公开的范围。另外，图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本发明的理解，并不是具体限定本发明各部件的形状和比例尺寸。在附图中：

图1为给水系统结构图；

图2为给水系统响应特性示意图；

图3为未经改进的给水控制系统示意图；

图4为基于能量平衡改进的给水控制系统示意图；

图5为给水温度变化示意图；

图6为控制效果对比示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的和技术方案更加清晰和便于理解。以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步的详细说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明提供一种基于能量平衡改进的给水控制系统，于从能量守恒的角度出发调节前馈作用。控制系统采用前馈、反馈结合的串级控制的方式能够在正常运行工况和事故工况中有良好的控制效果。

所述基于能量平衡改进的给水控制系统：模块阀控制逻辑单元1，环路阀控制逻辑单元2，主泵转速控制逻辑单元3，流量前馈单元4，基于能量平衡的前馈改进单元5；

所述的模块阀控制逻辑单元1通过对比环路一次侧平均出口温度与模块温度之间的偏差调节模块阀门开度，进而改变模块给水流量使模块出口温度与环路一次侧平均出口温度保持一致。环路一次侧平均出口温度为同一环路所有模块蒸汽发生器出口一次侧温度的平均值。

所述的环路阀控制逻辑单元2通过环路一次侧平均出口温度与设定值之间的偏差调节环路阀门开度，进而改变环路给水流量使环路一次侧平均出口温度与设定值保持一致。

所主泵转速控制逻辑单元3用于维持环路阀前后两端压差在设定范围，保障环路阀给水调节的有效性。

所述流量前馈单元4，流量前馈单元4通过当前一二次侧流量的比值与额定功率时一二次侧流量的比值给出前馈信号。即，当一次侧或二次侧流量发生变化时，可以在蒸汽发生器出口温度未改变时提前动作，提高系统的响应速度。

所述基于能量平衡的前馈改进单元5，用于在一二次侧输入包括一次侧入口温度、一次侧入口流量、二次侧入口温度，二次侧入口流量以及一次侧出口温度设定值发生变化时，通过能量守恒的方式计算输入变化导致的流量比变化，进而改变流量比的设定值加快控制系统响应并有效避免温度反馈与流量前馈单元的冲突。

本发明还提供一种基于能量平衡改进的给水控制方法，包括：通过反馈与前馈的结合能够加快给水系统在输入发生变化时的响应速度，流量前馈单元能够加快一次侧或二次侧流量变化时的响应，基于能量平衡的前馈改进单元能在流量前馈单元的基础上加快给水系统在一侧入口温度、二次侧入口温度、一次侧出口温度设定值变化时的响应。

具体包括：

通过当前一二次侧流量的比值与额定功率时一二次侧流量的比值给出前馈信号；

在一二次侧输入包括一次侧入口温度、一次侧入口流量、二次侧入口温度，二次侧入口流量以及一次侧出口温度设定值发生变化时，通过能量守恒的方式计算输入变化导致的流量比变化，进而改变流量比的设定值；

通过环路一次侧平均出口温度与设定值之间的偏差调节环路阀门开度，进而改变环路给水流量使环路一次侧平均出口温度与设定值保持一致；

维持环路阀前后两端压差在设定范围；

通过对比环路一次侧平均出口温度与模块温度之间的偏差调节模块阀门开度，进而改变模块给水流量使模块出口温度与环路一次侧平均出口温度保持一致。

还包含有以下几个方面：

S1、单个蒸汽发生器模块输入发生变化时，此时会导致该蒸汽发生器一次侧出口温度与环路一次侧出口平均温度产生偏差，模块阀门通过调节模块阀使模块出口温度与环路保持一致；

S2、环路流量输入发生变化时，由于流量比偏离设定值，前馈直接作用环路阀门改变给水流量使流量比回到设定值。环路流量的变化会导致环路出口温度发生变化，温度反馈通过环路一次侧出口平均温度与设定值的偏差调节环路阀改变给水流量使环路一次侧出口平均温度回到设定值；

S3、环路阀门开大时会导致阀门两端压差下降，环路阀门关小时会导致阀门两端压差上升，而阀门压差与流量有关。因此为了保证环路阀门调节给水的有效性，当阀门压差过小时触发主泵转速增大信号以增大环路阀两端压差，当阀门压差过大时触发主泵转速下降信号以减小环路阀两端压差；

S4、环路温度输入发生变化时，由于输入温度的变化会导致换热温差发生变化，入口焓值也会发生变化，因此当入口温度发生时会对给水需求量产生影响。通过能量守恒的方式改变流量比前馈的设定值能够为流量比前馈提供一个更准确的控制目标。

为方便说明，本发明通过对某钠冷快堆给水系统来分析本发明提出控制逻辑的特点，下面结合附图对本发明作进一步详细说明：

如图1所示给出了某钠冷快堆给水系统图，其中给水系统分为2个环路，每个环路分为两个一级支路，而后每条一级支路分为4个二级支路，每个二级支路中各有一台直流式蒸汽发生器，每台直流式蒸汽发生器的设计参数一致，共对称布置了16个蒸汽发生器模块。给水系统并联布置了3台给水泵，用于提升给水压力推动给水系统循环。高压加热器通过高压缸抽气加热给水。当阀门开度变化时，阻力特性发生变化，并联管道将对流量进行重新分配。

该钠冷快堆采用“机跟堆”模式运行。为防止堆芯入口温度波动造成功率波动，控制系统通过调节给水流量保证蒸汽发生器一次侧出口温度维持在设定值。

图2给出了无控制系统时，在蒸汽发生器入口钠温、入口钠流量、给水温度以及给水流量阶跃变化时，蒸汽发生器出口钠温的变化曲线。从图2中可看出，由于流体的流动、换热需要时间，因此蒸汽发生器输入发生变化时并不会立刻体现在蒸汽发生器出口钠温上，单纯的依靠温度反馈进性给水流量调节很难满足控制要求。

图3给出了带流量前馈单元的给水控制系统，为了快速补偿钠流量的扰动，设置了给水流量迅速响应钠流量变化的前馈环节，在钠流量发生变化时，钠水比首先发生改变，再利用钠水比的变化求得给水流量的偏差，前馈环节根据给水流量偏离值的程度输出前馈信号，调节给水阀进行动作，所以在钠出口温度还未发生变化时，使给水流量调节从钠流量扰动的引入时就开始动作，减小钠温度的波动。

图4给出了基于能量平衡改进的前馈，通过分析与实践发现流量前馈单元虽能很好的提高控制系统对流量扰动的响应，但由于其流量比的设定值为额定功率下的流量比，因此流量前馈单元具有维持流量比稳定作用。当给水温度或一次侧入口钠温大幅度变化时，由于入口温度的变化会导致换热温差变化，与此同时还会导致进出口温差变化。此时，给水流量的需求量会随着入口温度的变化而变化，如其他条件不变时，给水温度升高时，给水需求量将增大；反之，给水需求量减小。蒸汽发生器入口钠温升高时，给水需求量增大；反之，给水需求量减小。因此，此时的流量比设定值应根据输入条件变化。

基于能量平衡改进的前馈，通过一次侧钠入口温度、二次侧给水温度以及出口钠温设定值的变化修正流量比：

式中η

为说明本文提出的控制系统的有效性，以钠冷快堆汽轮机跳闸事故作为工况对比。汽轮机跳闸后由于高压加热器无法从高压缸抽气，导致高压加热器给水加热功能失效，此时给水温度如图5所示。未改进的控制系统如图3，与本文提出的基于能量平衡改进前馈的控制系统如图4的控制效果对比如图6所示。基于能量平衡改进的前馈能够在给水温度快速变化时能补偿温度变化对给水流量需求的影响，进而减小蒸汽发生器出口钠温的波动。

基于能量平衡改进前馈的多模块并联给水调节系统：

S1、单个蒸汽发生器模块输入发生变化时，此时会导致该蒸汽发生器一次侧出口温度与环路一次侧出口平均温度产生偏差，模块阀门通过调节模块阀使模块出口温度与环路保持一致；

S2、环路流量输入发生变化时，由于流量比偏离设定值，前馈直接作用环路阀门改变给水流量使流量比回到设定值。环路流量的变化会导致环路出口温度发生变化，温度反馈通过环路一次侧出口平均温度与设定值的偏差调节环路阀改变给水流量使环路一次侧出口平均温度回到设定值；

S3、环路阀门开大时会导致阀门两端压差下降，环路阀门关小时会导致阀门两端压差上升，而阀门压差与流量有关。因此为了保证环路阀门调节给水的有效性，当阀门压差过小时触发主泵转速增大信号以增大环路阀两端压差，当阀门压差过大时触发主泵转速下降信号以减小环路阀两端压差；

S4、环路温度输入发生变化时，由于输入温度的变化会导致换热温差发生变化，入口焓值也会发生变化，因此当入口温度发生时会对给水需求量产生影响。通过能量守恒的方式改变流量比前馈的设定值能够为流量比前馈提供一个更准确的控制目标。

本文所提出的控制逻辑适用于多模块并联给水系统的控制，钠冷快堆仅用于举例说明。本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方案进行修改或者等同替换，而这些并未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均在本发明的权利要求保护范围之内。

以上内容是对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定保护范围。