核電站給水泵和給水調(diào)節(jié)閥的耦合效應(yīng)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性的影響分析

孫長(zhǎng)義　劉安林　何歐

摘 要

通過(guò)大量的文獻(xiàn)調(diào)研，明確了核電站給水流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)給水泵和調(diào)節(jié)閥多變量控制系統(tǒng)存在耦合擾動(dòng)效應(yīng)。本文利用同類型給水調(diào)節(jié)裝置中已有的泵和閥控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)矩陣模型，建立了給水泵和給水調(diào)節(jié)閥多變量耦合控制并在工程仿真軟件Simulink中進(jìn)了仿真驗(yàn)證，證明了控制通道耦合效應(yīng)的存在。利用合理的解耦算法，得到了泵-閥耦合調(diào)節(jié)通道的解耦控制器，并對(duì)加入解耦控制器前后的給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了Simulink仿真分析。結(jié)果表明：通過(guò)解耦計(jì)算，找到合理的解耦控制器，可以有效削弱多變量耦合控制系統(tǒng)中的耦合效應(yīng)，對(duì)指導(dǎo)核電站二回路泵-閥耦合系統(tǒng)解耦控制有較大的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞

給水調(diào)節(jié);耦合效應(yīng);解耦控制器;仿真分析

中圖分類號(hào)： TD744 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.11.028

0 引言

對(duì)于核電站蒸汽發(fā)生器的給水控制系統(tǒng)，一般有明確的特性要求：

1）系統(tǒng)穩(wěn)定性好，抗干擾能力強(qiáng);

2）負(fù)荷跟蹤能力好，能適應(yīng)二回路快速的負(fù)荷變化;

3）能承受超過(guò)50%FP的負(fù)荷階躍變化，并保證裝置運(yùn)行的穩(wěn)定性等。

組成蒸汽發(fā)生器液位控制系統(tǒng)的控制變量有三個(gè)：給水流量、蒸汽流量和蒸汽壓力制。給水流量作為蒸汽發(fā)生器液位控制系統(tǒng)的最主要控制變量，其向液位控制系統(tǒng)提供的流量參數(shù)特性將直接決定蒸汽發(fā)生器的液位控制效果。例如，對(duì)于蒸汽發(fā)生器液位控制中常用的線性PID控制器，輸入?yún)?shù)（給水流量）的不穩(wěn)定，將導(dǎo)致被控參數(shù)（液位）的波動(dòng)，嚴(yán)重的可能引起蒸汽發(fā)生器二次側(cè)滿水或二次側(cè)液位過(guò)低導(dǎo)致傳熱惡化等。

圖1 核電站二回路給水流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)

1 給水流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)

蒸汽發(fā)生器的液位控制變量中，給水流量的調(diào)節(jié)主要通過(guò)控制二回路給水泵的轉(zhuǎn)速和給水調(diào)節(jié)閥的開度來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖1所示。

從圖1可以看出，給水流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要由電動(dòng)給水調(diào)節(jié)閥、電動(dòng)或汽動(dòng)給水泵和相關(guān)的控制器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。

給水流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)持續(xù)測(cè)量二回路的給水流量、蒸汽流量及蒸汽壓力，通過(guò)函數(shù)程序的計(jì)算得到二回路的流量偏差信號(hào)Qe，該信號(hào)與二回路蒸汽壓力信號(hào)一起通過(guò)函數(shù)發(fā)生器的處理最終得到給水量需求信號(hào)（可正可負(fù)），該需求信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)變送器（一般為PID控制器）、信號(hào)放大器、死區(qū)等環(huán)節(jié)的處理生成一個(gè)電流信號(hào)In作為給水泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸入信號(hào)，用以改變電動(dòng)機(jī)或汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速;同時(shí)，該信號(hào)經(jīng)過(guò)另一個(gè)信號(hào)回路的處理同樣生成電信號(hào)Iu，用以驅(qū)動(dòng)電機(jī)改變給水調(diào)節(jié)閥的開度Kv，從而使二回路的給水流量和給水泵出口端壓力都得到有效調(diào)節(jié)，保證了蒸汽發(fā)生器的給水流量能滿足控制要求。

2 給水泵與給水調(diào)節(jié)閥間的耦合效應(yīng)

多變量過(guò)程控制系統(tǒng)有一個(gè)顯著且不可忽視的特性：控制變量之間存在耦合效應(yīng)。這種耦合效應(yīng)對(duì)核電站二回路運(yùn)行的影響可以用“小問(wèn)題，大麻煩”來(lái)概括。因?yàn)轳詈闲?yīng)對(duì)于多變量輸入輸出控制系統(tǒng)是固有特性，對(duì)于核電站而言，頻繁的控制參數(shù)波動(dòng)可能使回路間的耦合效應(yīng)形成疊加，將耦合擾動(dòng)放大，最終導(dǎo)致回路運(yùn)行的不穩(wěn)定。結(jié)合圖1可以通過(guò)數(shù)學(xué)模型和計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，來(lái)顯示汽輪給水泵或電動(dòng)給水泵與給水調(diào)節(jié)閥各自的變量控制對(duì)對(duì)方的影響情況。

給水泵轉(zhuǎn)速N的調(diào)節(jié)變量為水泵進(jìn)汽量的變化量ΔF或電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電壓差ΔV，這里通過(guò)PID調(diào)節(jié)器統(tǒng)統(tǒng)變換為電流信號(hào)I（n）;給水調(diào)節(jié)閥的開度Kv通過(guò)調(diào)節(jié)閥驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸入電流信號(hào)I（u）來(lái)控制，控制對(duì)象分別為給水流量Q和給水泵出口壓力P。引入傳遞函數(shù)矩陣來(lái)表述控制變量I（n）、I（u）與被調(diào)參數(shù)Q、P（t）之間的數(shù)學(xué)模型，令：

其中，G（s）中各傳遞函數(shù)模塊定義如下：

即G（s）的對(duì)角元素表示圖1中耦合控制系統(tǒng)中兩個(gè)主通道（即水泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)通道和給水閥開度調(diào)節(jié)通道）的傳遞函數(shù)，而非對(duì)角元素表示兩個(gè)耦合通道的傳遞函數(shù)，從而有下式成立：

C（s）=G（s）M（s）（1）

用控制理論中經(jīng)典的控制方塊圖，將式（1）中各傳遞函數(shù)包含的控制環(huán)節(jié)及各環(huán)節(jié)間的耦合關(guān)系表示出來(lái)，如圖2所示。

依據(jù)文獻(xiàn)[無(wú)模型控制方法對(duì)多變量耦合系統(tǒng)控制的應(yīng)用研究]給出的同類型給水泵與調(diào)節(jié)閥傳遞函數(shù)，給出式（1）中G（s）的矩陣傳遞函數(shù)：

在泵和閥的耦合模型中，泵出口壓力（壓頭）P和流量G各主通道的調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)R11（s）和R22（s）（見(jiàn)圖2）均采用常用的PID結(jié)構(gòu)，其通用傳遞函數(shù)形式為：

根據(jù)專著[多變量過(guò)程控制系統(tǒng)解耦理論]中的PID控制器參數(shù)整定方法，對(duì)式（7）中的比例、微分、積分常數(shù)進(jìn)行整定后得到如下結(jié)果：

得到各調(diào)節(jié)通道的主調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)后，利用Simulink對(duì)圖2中的耦合系統(tǒng)進(jìn)行仿真。假設(shè)總仿真時(shí)間為900s，在300s時(shí)給閥門控制電流-20mA的階躍擾動(dòng)且此時(shí)電泵電機(jī)電流無(wú)擾動(dòng)，在600s時(shí)給電泵電機(jī)電流-20mA的擾動(dòng)且閥門控制電流不變。圖3給出了給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)中給水壓力和給水流量的動(dòng)態(tài)響應(yīng)情況。

圖3中給水流量和壓力的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線的情況，說(shuō)明給水泵和給水調(diào)節(jié)閥同時(shí)存在的給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，確實(shí)存在著相互影響的耦合關(guān)系。

耦合效應(yīng)的存在使得對(duì)蒸汽發(fā)生器給水量的擾動(dòng)因素大大增加，汽輪給水泵進(jìn)汽量的調(diào)節(jié)、給水調(diào)節(jié)閥開度的變化、供電網(wǎng)絡(luò)的不穩(wěn)定等都有可能使給水流量產(chǎn)生持續(xù)波動(dòng)，進(jìn)而使蒸汽發(fā)生器水位發(fā)生波動(dòng)，使系統(tǒng)運(yùn)行的平衡性遭到破壞。

圖4說(shuō)明了核電站在不同負(fù)荷工況下，當(dāng)蒸汽發(fā)生器給水流量階躍變化時(shí)，蒸汽發(fā)生器的液位波動(dòng)情況。

3 解決辦法

針對(duì)耦合效應(yīng)對(duì)蒸汽發(fā)生器液位調(diào)節(jié)的不良影響，工程研究人員提出了諸多的解決辦法，如：簡(jiǎn)化給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、改變給水泵和閥等設(shè)備的特性等。在工程上應(yīng)用較多是在控制通道中加入解耦控制器來(lái)解決多變量耦合問(wèn)題。

多變量控制系統(tǒng)的解耦思想比較簡(jiǎn)單。對(duì)于蒸汽發(fā)生器給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)來(lái)講，即針對(duì)在給水泵轉(zhuǎn)速（給水壓力P）控制通道和給水調(diào)節(jié)閥開度（給水流量Q）控制通道的耦合環(huán)節(jié)，開發(fā)反向解耦控制器，減弱圖2中耦合環(huán)節(jié)G11（s）和G21（s）對(duì)主調(diào)節(jié)通道的影響。利用多變量過(guò)程控制系統(tǒng)解耦理論中的經(jīng)典解耦算法，可得到圖2中兩個(gè)耦合環(huán)節(jié)的解耦傳遞函數(shù)：

由于式（8）的傳遞函數(shù)在實(shí)際系統(tǒng)中難以實(shí)現(xiàn)，所以取其近似環(huán)節(jié)：

解耦控制器在控制通道的插入點(diǎn)的選擇原則請(qǐng)見(jiàn)多變量過(guò)程控制系統(tǒng)解耦理論的詳解。根據(jù)雙輸入雙輸出過(guò)程控制通道解耦控制器的插入原則，可以建立加入解耦控制器的給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)仿真模型。并可以得到加入解耦控制器后的給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)，在階躍擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)情況，如圖5所示。

從圖5可以看出，加入解耦控制器后，不僅使得擾動(dòng)信號(hào)本身被大大抑制，擾動(dòng)疊加到耦合效應(yīng)對(duì)另一個(gè)被控參數(shù)的擾動(dòng)也被大大削弱，明顯體現(xiàn)出了加入解耦控制器的優(yōu)勢(shì)所在。

同時(shí)必須指出的是，解耦控制只能最大限度削弱耦合效應(yīng)，不能完全消除耦合效應(yīng)的存在。

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