核電站蒸汽發(fā)生器水位模型預測控制方法研究

項洪一++馮曉露++劉建光++劉道光++于航

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2017.14.167

摘 要：隨著環(huán)境的日益惡化，核能以其清潔、高效等優(yōu)點成為我國能源戰(zhàn)略的重要組成部分之一。目前核能發(fā)電占總發(fā)電量不到3%。到2020年裝機容量將從當前的約23GW增加到58GW，核電站發(fā)展前景廣闊。蒸汽發(fā)生器SG（steam generator）作為核島的主設備之一，它的液位控制好壞直接影響到核島的安全運行，目前核電站SG液位普遍采用PID控制，由于SG是一個非線性、時變、非最小相位、存在假水位現(xiàn)象、小穩(wěn)定裕度的復雜系統(tǒng)，所以在實際的運行中，PID的控制效果比較差。為了解決這些問題，本文對采用模型預測控制算法對SG液位進行控制的可行性進行了研究：首先根據(jù)現(xiàn)場機組實際的運行數(shù)據(jù)，應用浙江大學研發(fā)的FRONT-ID多變量閉環(huán)模型辨識軟件建立SG被控對象數(shù)學模型，然后對現(xiàn)有SG液位控制系統(tǒng)的特點進行分析，最后運用MATLAB軟件平臺設計和搭建SG的MPC模型預測控制系統(tǒng)，并與PID控制系統(tǒng)進行仿真比較。仿真結果表明，MPC的控制效果要明顯好于PID控制，減小了蒸汽發(fā)生器液位的波動，使蒸汽發(fā)生器的液位更好地跟蹤設定值。

關鍵詞：模型預測控制 蒸汽發(fā)生器水位控制 仿真 模型辨識

中圖分類號：TK 172 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）05（b）-0167-04

Model Predictive Control for Nuclear Steam Generator Water Level

Xiang Hongyi Feng Xiaoxia Liu Jianguang Liu Daoguang Yu Hang

（Cnpec adjustable center， Shenzhen Guangdong 518124， China）

Abstract：With the worsening of environment， nuclear power， with its advantages of clean and efficient，become one of the important components of China's energy strategy. nuclear power plant has a very good prospect. Steam generator （SG ） as one of the main equipments of nuclear island， its level control quality directly affects the operation safety of nuclear power unit. At present SG level control in nuclear power plant mainly adopts PID control. SG is a complex system with these characters of nonlinear， time-varying， non-minimum phase， false water level， small stability margin， so in the actual operation， the control effect of PID is relatively poor. In order to solve these problems， the model predictive control method is used to optimize the SG level control in this paper. According to the actual operating data of a nuclear power plant， the FRONT-ID software researched and developed by Zhejiang University is applied to establish the object model of SG. After the analysis on the characteristics and control effect of SG， the contrasting simulation tests between MPC and PID on MATLAB platform are performed in this paper. Simulating results show that the control effect of MPC is better than PID obviously， reducing the level fluctuation of SG and making SG level tracking its set point better.

Key Words：Model predictive control； Steam generator level control； Simulation； Model identification

模型預測控制（MPC）可以處理非方系統(tǒng)，它可以根據(jù)優(yōu)先級[1]控制目標排序。1997年Mayuresh， Metler與Morari等[2]應用模型預測控制（MPC）來控制蒸汽發(fā)生器的水位。

近年來國外很多自動化工程公司，已經(jīng)對模型預測控制技術和策略在生產(chǎn)過程控制中的應用進行了廣泛研究，許多預測控制軟件已經(jīng)商品化。美國、加拿大、英國成立了Setpoint、DMC、Speedup、Simcon、Trieber Controls等公司，取得了巨額利潤。

在我國，預測控制在火力發(fā)電站已經(jīng)開始應用，在主再熱蒸汽溫度控制、燃燒控制、AGC控制和SCR脫硝控制中已經(jīng)取得很好的控制效果，并獲得了很好的經(jīng)濟效益，目前正處于推廣階段；在世界的壓水堆核電站中，目前應用最多的還是傳統(tǒng)的PID控制方法[3]，還沒有使用預測控制算法等其它智能控制算法。但是隨著核電的大力發(fā)展，核電站需要執(zhí)行G模式調峰運行，以保證電網(wǎng)的安全運行和電力需求[4-5]。傳統(tǒng)的固定參數(shù)PID控制方法本身不具備優(yōu)化、自適應、自學習等功能，無法滿足電網(wǎng)的要求。

該文應用MPC控制方法，利用現(xiàn)場機組實際運行數(shù)據(jù)，通過浙江大學研發(fā)的FRONT-ID多變量閉環(huán)辨識軟件建立SG水位控制的模型函數(shù)，通過MATLAB平臺進行SG液位控制組態(tài)的搭建，控制組態(tài)有MPC和PID兩種控制方案，同時進行仿真比對。比對結果表明，通過MPC在SG液位控制中的應用，減小了核電站在大瞬態(tài)試驗時蒸汽發(fā)生器水位的波動。

1 模型預測控制在核電站SG水位控制中的應用研究

1.1 模型辨識

模型辨識過程中模型結構的選擇是最重要的環(huán)節(jié)，它決定著模型的質量。對于多變量的模型辨識，傳統(tǒng)的方案解決模型評估、階次評估、閉環(huán)數(shù)據(jù)比較困難。FRONT-ID多變量閉環(huán)辨識軟件可以解決MPC控制的這些難題。本篇論文的各個傳遞函數(shù)模型：小閥開度對應給水流量；大閥開度對應給水流量；給水流量對應液位；蒸汽流量對應液位等傳遞函數(shù)，都是通過FRONT-ID多變量閉環(huán)辨識軟件辨識得到的。

模型辨識分為大、小功率工況分別進行辨識。大、小功率模型辨識的分界點為核功率25%Pn（Pn：核功率），當核功率大于25%Pn時為大功率，核功率小于25%Pn時為小功率。

小功率階段，當核功率小于21%Pn時，給水流量由小閥單獨控制，大閥保持關閉；當核功率在21%Pn～25%Pn之間時，小閥逐漸全開，大閥由全關逐漸開啟，大小閥共同控制給水流量，所以小功率工況下SG液位控制組態(tài)由大、小閥兩個副調節(jié)器共同耦合控制流量。

大功率階段ARE小閥已經(jīng)全開，對流量的影響不變，小閥全開對給水流量的貢獻為350 t/h，在仿真組態(tài)時將小閥開度對應給水流量，簡化為常數(shù)350 t/h。

1.2 MPC和PID控制組態(tài)搭建

完整工況下的MPC和PID的控制組態(tài)見圖1。上半部分是MPC控制組態(tài)，下半部分是PID控制組態(tài)。

MPC控制回路：主調節(jié)器（MPC Controller2） 調節(jié)液位，副調節(jié)器（PID1）調節(jié)給水流量。對于主調節(jié)器（MPC Controller2），SG的液位設定值經(jīng)過給水溫度修正后，作為設定值連接到MPC控制器的ref端口。液位測量值（ayeweiceliang是工程現(xiàn)場實際的液位值）經(jīng)給水溫度修正后，作為測量值連接到MPC控制器的mo端口。副調節(jié)器（PID1） 用于控制大閥開度，從而控制給水流量。

線性擬合函數(shù)模塊（dgl-xgl MPC linear fitting）和轉換開關（Switch3）的用途是實現(xiàn)核功率大于25%時，選擇函數(shù)模型為大功率工況下的調節(jié)器（MPC Controller2）進行液位控制，當功率小于25%時，選擇函數(shù)模型為小功率工況下的調節(jié)器（MPC Controller2經(jīng)過線性擬合函數(shù)模塊dgl-xgl MPC linear fitting處理后，表征小功率工況下的MPC調節(jié)器）進行液位控制。線性擬合函數(shù)模塊（dgl-xgl MPC linear fitting）的系數(shù)，是通過將大功率工況下MPC Controller2的控制輸出與小功率工況下的MPC Controller2的輸出經(jīng)過線性擬合得出的（即另外搭建大、小功率工況下兩頁組態(tài)，分別仿真出MPC的輸出值，將輸出值進行線性擬合，y代表小功率工況下的MPC輸出值，x代表大功率工況下的MPC輸出值，y=0.1774x +0.0862）。

給水流量減去蒸汽流量（蒸汽發(fā)生器凈進水量）作為測量值鏈接到副調節(jié)器（PID1）。副調節(jié)器（PID1）的輸出經(jīng)過大閥開度對應給水流量的傳遞函數(shù)（dfkd-gsll ch）后，轉換為給水流量，連接到加法器。

小閥控制回路的控制策略是，根據(jù)蒸汽負荷對應小閥開度，從而實現(xiàn)給水流量控制，但這樣是開環(huán)控制，所以將蒸汽負荷減去了主調的輸出，從而實現(xiàn)閉環(huán)控制。具體方案如下：蒸汽流量（azhengqiliuliang from workspace20），通過函數(shù)（zhengqifuhe）轉換為蒸汽負荷，蒸汽負荷減去主調節(jié)器的輸出，經(jīng)過蒸汽負荷對應小閥開度的線性函數(shù)發(fā)生器（zhengqifuhe-xfkd），開環(huán)控制小閥開度（蒸汽負荷0%～25%對應小閥開度為0%～100%），經(jīng)過小閥開度對應給水流量的傳遞函數(shù)（xfkd-gsll ch），轉換為小閥控制的給水流量，當核功率小于25%時，該流量經(jīng)過Switch2直接輸出，當核功率大于25%時Switch2選擇350t/h輸出。

大、小閥控制的給水流量求和，計算出總的給水流量?？偟慕o水流量經(jīng)過并行的兩個傳遞函數(shù)，轉換為給水流量影響的液位值：大功率工況下給水流量對應液位的傳遞函數(shù)（dgl gs-yw ch）；小功率工況下給水流量對應液位的傳遞函數(shù)（xgl gs-yw ch），兩者通過Switch1進行選擇，當功率大于25%時取大功率一路信號，當功率小于25%時取小功率一路信號。同時蒸汽流量也經(jīng)過并行的兩個傳遞函數(shù)，轉換為蒸汽流量影響的液位值：大功率工況下蒸汽流量對應液位的傳遞函數(shù)（dgl zq-yw ch）；小功率工況下蒸汽流量對應液位的傳遞函數(shù)（xgl zq-yw ch），兩者通過Switch5進行選擇，當功率大于25%時取大功率一路信號，當功率小于25%時取小功率一路信號。兩者求和后代表了現(xiàn)場SG液位的測量值。

PID控制回路：PID3控制SG液位，PID4控制給水流量。對于主調節(jié)器，液位設定值減去液位測量值，其差值經(jīng)過給水溫度的修正后，作為主調節(jié)器的輸入。副調節(jié)器負責調節(jié)給水流量。副調節(jié)器計算出的大閥開度經(jīng)過傳遞函數(shù)（xfkd-gsll ch1）轉換為大閥控制的給水流量值。

小閥控制回路根據(jù)蒸汽流量（azhengqiliuliang from workspace23），通過函數(shù)（zhengqifuhe1）轉換為蒸汽負荷，蒸汽負荷減去主調節(jié)器的輸出，經(jīng)過蒸汽負荷對應小閥開度的線性函數(shù)發(fā)生器（zhengqifuhe-xfkd1），開環(huán)控制小閥開度（蒸汽負荷0%～25%對應小閥開度為0%～100%），經(jīng)過小閥開度對應給水流量的傳遞函數(shù)（xfkd-gsll ch），轉換為小閥控制的給水流量，當核功率小于25%時，該流量經(jīng)過Switch4直接輸出，當核功率大于25%時Switch4選擇350 t/h輸出。大、小閥控制的給水流量求和，計算出總的給水流量?？偟慕o水流量經(jīng)過并行的兩個傳遞函數(shù)，轉換為給水流量影響的液位值：大功率工況下給水流量對應液位的傳遞函數(shù)（dgl gs-yw ch1）；小功率工況下給水流量對應液位的傳遞函數(shù)（xgl gs-yw ch1），兩者通過Switch6進行選擇，當功率大于25%時取大功率一路信號，當功率小于25%時取小功率一路信號。同時蒸汽流量也經(jīng)過并行的兩個傳遞函數(shù)，轉換為蒸汽流量影響的液位值：大功率工況下蒸汽流量對應液位的傳遞函數(shù)（dgl zq-yw ch1）；小功率工況下蒸汽流量對應液位的傳遞函數(shù)（xgl zq-yw ch1），兩者通過Switch7進行選擇，當功率大于25%時取大功率一路信號，當功率小于25%時取小功率一路信號。兩者求和后代表了現(xiàn)場SG液位的測量值。

對于液位的設定值，當蒸汽負荷大于20%時，液位的設定值為常數(shù)0由（setpoint of level）產(chǎn)生。

1.3 仿真結果

當液位設定值不變機組功率發(fā)生變化時的具體控制曲線詳見下面兩圖：

由圖2、3可知，當核功率在17%～100%～17%之間變化時，MPC控制液位的范圍是（-0.401～0.025 m），PID控制液位的范圍是（-0.591～0.172m），在整個仿真時間內MPC控制的波動范圍更小，更穩(wěn)定，控制效果更好。

3 結語

該篇論文將模型預測控制方法應用到SG的水位控制中。并通過仿真試驗，仿真了核功率在17%～100%～17%之間變化時，進行負荷線性、階躍變化的工況下，SG液位分別在MPC和PID控制下的控制效果，并將MPC與PID控制效果進行同步比對：PID控制回路的液位波動量范圍是0.763m，MPC控制回路的液位波動量是0.426m，MPC控制回路的液位波動比PID控制回路的液位波動減小了44.17%。比對結果表明：MPC的控制效果要明顯好于PID的控制效果，使蒸汽發(fā)生器的液位更好的跟蹤設定值。

我國現(xiàn)在大力發(fā)展核電，具有自主品牌的華龍一號已經(jīng)開工建設，三代核電已經(jīng)開工建設多臺機組，4代核電技術也會有很大的飛躍，核電領域對蒸汽發(fā)生器水位控制的要求也會越來越高，希望本篇論文的研究成果會對MPC引入到核電控制領域具有指導意義。

參考文獻

[1] 錢積新，趙均，徐祖華.預測控制[M].北京：化學工業(yè)出版社，2007（9）：7.

[2] Kothare MV，Mettler B，Morari M， et al. Linear parameter varying model predictive control for steam generator level control [J]. Computers & chemical engineering，1997.

[3] 周剛，彭威，張大發(fā).核動力蒸汽發(fā)生器水位控制方法分析[J].原子能科學技術，2004（38）：19-23.

[4] Na M G， Jung D W. A model predictive controller for Load-following operation of PWR reactor[J].IEEE Transactions on Nuclear Science， 2005，52（4）：1009-1020.

[5] Na M G，Upadhyaya B R. Model predictive control of an SP-100 space reactor using support vector regression and genetic optimization[J].IEEE Transactions on Nuclear Science， 2006，53（4）：2318-2327.