基于3keymaster的核動力裝置循環(huán)水系統(tǒng)對象和控制系統(tǒng)建模與仿真研究

黃軻 張洧川 何小鵬 孫琦 李昱

【摘 要】某核動力裝置循環(huán)水系統(tǒng)采用汽動循環(huán)水泵，涉及設(shè)備種類多，對象特性復(fù)雜，因此有必要對其進(jìn)行對象和控制系統(tǒng)的建模仿真分析。3keymaster仿真平臺是一個(gè)功能全面，具有圖形化建模功能的熱工仿真分析平臺，基于其對循環(huán)水系統(tǒng)進(jìn)行建模并完成了瞬態(tài)工況仿真。仿真結(jié)果表明：所建立的模型能夠正確模擬循環(huán)水系統(tǒng)瞬態(tài)變化，所建立的控制系統(tǒng)滿足控制要求。

【關(guān)鍵詞】3keymaster;循環(huán)水系統(tǒng);汽動泵

中圖分類號： TL421.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）08-0091-004

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.08.038

【Abstract】Steam driven pump has been adopted in the circulating water system of a nuclear power unit.There are many kinds of equipment involved in the system，making the objects characteristics complex.Therefore，it is necessary to model and simulate its object and control system.3keymaster is a comprehensive thermal simulation analysis platform which provides graphical modeling function.Based on the platform，the model of circulating water system is built and the transient condition simulation is completed.The results shows：the model can correctly simulate the transient change of the system and the control system meets the control requirements.

【Key words】3keymaster;Circulating water system;Steam driven pump

0 引言

循環(huán)水系統(tǒng)是核動力裝置二回路的重要系統(tǒng)，其功能是在各種運(yùn)行工況下向冷凝器提供足夠的冷卻水[1]，用以冷凝進(jìn)入冷凝器的蒸汽，建立設(shè)計(jì)所規(guī)定的真空，以保證汽輪機(jī)組正常工作。循環(huán)水系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，且與凝水系統(tǒng)耦合密切。某核動力裝置的循環(huán)水系統(tǒng)采用汽動循環(huán)水泵，其整個(gè)系統(tǒng)涉及管道、閥門、箱體、汽輪機(jī)、泵等多種設(shè)備，對象特性復(fù)雜，因此有必要對其建立控制對象與控制系統(tǒng)，分析其控制特性，優(yōu)化控制方案。

3keymaster仿真平臺是美國WSC公司開發(fā)的熱工仿真軟件工具[2]，其功能全面，用戶界面友好。該仿真平臺實(shí)現(xiàn)了與了輕水反應(yīng)堆瞬態(tài)分析程序RELAP5的耦合[3]，并能夠?qū)崿F(xiàn)RELAP5與3KEYMASTER平臺同步計(jì)算仿真，特別適用于核動力裝置仿真分析。相對于單純的RELAP5程序，3keymaster具有圖形化建模和在線修改模型能力等優(yōu)點(diǎn)[4]。

該仿真系統(tǒng)的模型工具主要包括兩相熱工水力管網(wǎng)工具FlowBase、邏輯及控制系統(tǒng)工具Logic、傳感器工具Transmitter和系統(tǒng)部件工具Component等。循環(huán)水系統(tǒng)對象模型采取兩相熱工水力管網(wǎng)工具FlowBase建立，其控制系統(tǒng)采取邏輯及控制系統(tǒng)工具Logic進(jìn)行建立，兩者的相關(guān)模塊可以直接連接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，無需中間交互文件或模塊，提高了模型與控制系統(tǒng)的一體化程度。此外，3keymaster的fbControl模塊還提供了反算功能，可以從模型的運(yùn)行參數(shù)反算出管道阻尼，截面等固有參數(shù)，提高了建模的便利性。

1 循環(huán)水系統(tǒng)對象建模研究

1.1 系統(tǒng)組成和流程簡述

某核動力裝置循環(huán)水系統(tǒng)由氣動循環(huán)水泵、液壓通海蝶閥、電動橋管調(diào)節(jié)蝶閥、循環(huán)水管道、海水隔柵和相應(yīng)的測量儀表組成，系統(tǒng)簡圖如1所示。

海水作為冷凝器的冷源，經(jīng)兩個(gè)串聯(lián)的循環(huán)水進(jìn)口蝶閥流至汽動循環(huán)水泵入口，由循環(huán)水泵驅(qū)動流過冷凝器的冷凝水管，帶走冷凝器中的熱量后經(jīng)循環(huán)水出口管排出。在循環(huán)水進(jìn)口管和出口管之間有連接橋管，橋管上布置有兩個(gè)串聯(lián)的蝶閥，當(dāng)循環(huán)水進(jìn)口溫度較低時(shí)，開啟橋管閥門，部分被加熱的排水返回至循環(huán)水泵入口，使進(jìn)入冷凝器的冷卻海水處于合適的溫度范圍內(nèi)。主蒸汽系統(tǒng)的新蒸汽經(jīng)速關(guān)閥和調(diào)節(jié)閥，進(jìn)入汽動循環(huán)水泵汽輪機(jī)做工為循環(huán)水泵提供動力后排入乏汽系統(tǒng)。

1.2 控制對象建模

循環(huán)水系統(tǒng)控制對象采用兩相熱工水力管網(wǎng)工具FlowBase進(jìn)行建模。FlowBase建模非常直觀，其提供了多種模塊來模擬實(shí)際的物理過程，如管道，閥門，泵、箱體等，還有節(jié)點(diǎn)，邊界等便于建模分析的特殊模塊。相比RELAP這類采用輸入卡建模的工具，F(xiàn)lowBase的用戶界面更加友好，可以直接在建模界面打開模塊輸入建模參數(shù)，也可以在模型運(yùn)行時(shí)暫停并修改參數(shù)，如圖2所示：

上圖為邊界模塊fbBound，雙擊模塊可彈出模塊參數(shù)框并對其修改，例如可以設(shè)定邊界模塊的壓力、溫度等參數(shù)。

FlowBase集中了用戶界面友好和建模直觀等優(yōu)點(diǎn)，十分適合于二回路或一回路輔助系統(tǒng)這類不帶核的熱工系統(tǒng)的建模。3keymaster通過命名區(qū)分不同模塊，另外其具有全局變量功能，只要多個(gè)同一類模塊命名相同，即可視為同一部件，該功能可以提高不同模塊交互的便利性以及模型界面的簡潔程度。

某核動力裝置循環(huán)水系統(tǒng)采用汽動循環(huán)水泵，整個(gè)系統(tǒng)的模型可以通過汽輪機(jī)軸邊界分為汽輪機(jī)側(cè)模型和循環(huán)水泵側(cè)模型。

首先建立汽輪機(jī)側(cè)模型。在氣動泵蒸汽側(cè)的兩端分別用邊界模塊fbBound設(shè)置主蒸汽邊界和乏汽邊界，需要設(shè)置入口邊界的壓力和焓值，以及出口邊界的壓力。FlowBase最基本模塊為節(jié)點(diǎn)模塊fbNode，可以看做管道上的一個(gè)狀態(tài)點(diǎn)，fbBound和fbNode之間通過管道模塊fBflow相連，其可以設(shè)置截面積，直徑，長度和阻尼等參數(shù)，閥門模塊fbValve可以依附于fBflow，并可設(shè)置閥門曲線，開度等相關(guān)參數(shù)。入口邊界后分別在管道上依次設(shè)置速關(guān)閥和調(diào)節(jié)閥。汽動循環(huán)水泵的透平部分需要用透平模塊fbSection進(jìn)行模擬，其出口的fbNode連接乏汽邊界。汽輪機(jī)的軸采用fbShaft模塊依附于透平模塊之上，模擬蒸汽推動透平做工，使汽輪機(jī)軸轉(zhuǎn)動的物理現(xiàn)象。建立的循環(huán)水系統(tǒng)汽輪機(jī)側(cè)模型如圖3所示：

在模型搭建完成后，需要進(jìn)行模型的調(diào)試，即調(diào)整管道阻尼等參數(shù)使得系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，如流量、節(jié)點(diǎn)壓力等與設(shè)計(jì)值向匹配。由于設(shè)計(jì)參數(shù)中包含蒸汽側(cè)的額定流量，因此本文利用FbControl模塊的反算功能計(jì)算相關(guān)管道阻尼系數(shù)，將額定流量填入對應(yīng)的fBflow和fbSection的模塊中，并填入對應(yīng)管道和透平的長度、截面積等數(shù)據(jù)，再將其阻尼設(shè)置為0，然后將閥門特性曲線填入閥門模塊fbValve，再利用fbControl模塊進(jìn)行反算即可得到各個(gè)管道模塊和透平以及閥門阻尼的近似值。在反算完成后，蒸汽流量會有少許波動，通過改變調(diào)節(jié)閥閥位使蒸汽流量穩(wěn)定在設(shè)定值。

再建立循環(huán)水泵側(cè)模型。該部分模型可以通過冷凝器傳熱邊界分為管側(cè)（即循環(huán)水管部分）部分和殼側(cè)（即冷凝器部分）部分。

循環(huán)水管部分模型主要包含海水出入口邊界、主管道、回流橋管、汽動循環(huán)水泵、循環(huán)水進(jìn)出口通海蝶閥和橋管蝶閥。其中循環(huán)水泵采用泵模塊fbPump建立，將蒸汽側(cè)模型的汽輪機(jī)軸通過同一命名的軸模塊fbShaft依附于該泵模塊之上，軸模塊會將自身功率傳遞給泵模塊，模擬汽輪機(jī)軸帶動泵轉(zhuǎn)動，驅(qū)動循環(huán)水流動的物理現(xiàn)象。在需要進(jìn)行熱交換的管道上粘貼管側(cè)換熱模塊fbHeatStruct并填入相關(guān)換熱參數(shù)。

然后建立冷凝器部分。冷凝器箱體可用兩相箱體fb2PhaseTank模塊建立，填入箱體尺寸等數(shù)據(jù)。冷凝器的進(jìn)水和排水分別用蒸汽邊界和水邊界來建立。在冷凝器上粘貼殼側(cè)換熱模塊fbHeatStruct并填入相關(guān)換熱參數(shù)。由于FlowBase中模塊都是理想化的，冷凝器下部出口凝水為飽和水，而實(shí)際上在蒸汽在冷凝器中被冷凝成飽和水后還會被繼續(xù)冷卻，因此其過冷度不為0。為了模擬凝水過冷度，在冷凝器出口接管上粘貼管側(cè)換熱模塊與循環(huán)水進(jìn)行進(jìn)一步換熱，制造過冷度。

最后，將冷凝器部分的換熱模塊與循環(huán)水管部分的換熱模塊通過傳熱連接線fbHeatTransf進(jìn)行連接并在連接線模塊中填入相關(guān)換熱參數(shù)。需要注意的是要在管道之間建立必要的節(jié)點(diǎn)以觀察關(guān)鍵部位的熱力參數(shù)或?qū)⑵鋫鬏斀o控制系統(tǒng)。所建立的循環(huán)水泵側(cè)模型如圖4所示。

由于涉及換熱，因此循環(huán)水泵側(cè)模型比汽輪機(jī)側(cè)模型的調(diào)試更為復(fù)雜。同樣用先反算出大致的管道阻尼再微調(diào)的方式使得循環(huán)水管和冷凝器部分模型的流量與設(shè)計(jì)值匹配。此時(shí)傳熱功率可能會與設(shè)計(jì)值有一定偏差，通過微調(diào)傳熱面積或傳熱系數(shù)的方式消除偏差。

2 控制系統(tǒng)建模

2.1 控制要求

根據(jù)某核動力裝置二回路的相關(guān)設(shè)計(jì)，與循環(huán)水相關(guān)的控制要求主要分為兩部分：

a.冷凝器壓力控制：通過調(diào)節(jié)汽動循環(huán)水泵管道上的調(diào)節(jié)閥，調(diào)節(jié)進(jìn)入氣動泵的蒸汽流量以調(diào)節(jié)氣動泵轉(zhuǎn)速，改變循環(huán)冷卻水流量，調(diào)節(jié)冷凝器和循環(huán)水之間的換熱，使冷凝器壓力維持在設(shè)定值。

b.循環(huán)冷卻水溫度控制：通過調(diào)節(jié)循環(huán)水系統(tǒng)的橋管閥門，使部分被加熱的排水返回至汽動循環(huán)水泵的入口，使進(jìn)入冷凝器的冷卻海水處于合適的溫度范圍內(nèi)。

2.2 控制方案與建模

2.2.1 冷凝器壓力控制

冷凝器壓力控制的目標(biāo)值為0.016MPa。因?yàn)閴毫Σ▌觿×?，需要進(jìn)行濾波處理。采用PI控制，將冷凝器壓力與目標(biāo)值作差后經(jīng)濾波送入PI控制器，運(yùn)算結(jié)果輸出至循環(huán)水泵汽輪機(jī)進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥，將冷凝器壓力控制在目標(biāo)值?？刂品桨溉鐖D5所示。

利用3keymaster中的邏輯及控制系統(tǒng)工具Logic來建立冷凝器壓力控制系統(tǒng)，用壓力傳感器模塊Tr_Press將冷凝器的壓力參數(shù)引出。經(jīng)濾波模塊lgLag后輸送給PI控制器，其中PI控制器采用比例模塊lgProp、積分模塊lgIntegr和求和模塊lgSum搭建。由于閥位變化范圍為0～1，因此PI控制的輸出結(jié)果需要加入限幅模塊lgHiLim和lgLoLim。為了模擬閥門的開啟和關(guān)閉的動態(tài)特性，需要加入閥門動態(tài)模塊cmPositioner，輸入閥門動作時(shí)間等參數(shù)，最后再連接循環(huán)水泵汽輪機(jī)進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥。所有l(wèi)ogic模塊之間通過數(shù)據(jù)連接線TRANSFER進(jìn)行連接。所建立的冷凝器壓力控制系統(tǒng)模型如圖6所示。

最后還需要整定控制參數(shù)。通過改變冷凝器進(jìn)口邊界模塊的外部流量#fext來引入穩(wěn)壓器壓力變化，采用工程整定法整定出合理的PI參數(shù)。

2.2.2 循環(huán)冷卻水溫度控制

在外部海水溫度降低時(shí)，為了保證進(jìn)入冷凝器的冷卻水溫度不低于15℃，采用PI控制器，將循環(huán)水系統(tǒng)進(jìn)口水溫度與目標(biāo)值15℃作差送入PI控制器，運(yùn)算結(jié)果輸出至橋管電動閥門。當(dāng)冷凝器冷卻水溫度高于15℃時(shí)，橋管閥門將保持關(guān)閉;當(dāng)進(jìn)口水溫度低于15℃時(shí)，橋管閥門將開啟，加熱冷凝器冷卻水。控制方案原理圖如7所示。

同樣利用Logic工具來建立循環(huán)冷卻水溫度控制系統(tǒng)，將冷凝器冷卻水溫度用溫度傳感器模塊Tr_Temp模塊引出，輸出給PI控制器，進(jìn)行運(yùn)算后輸出給循環(huán)水橋管閥門，同樣需要對PI輸出進(jìn)行限幅和加入閥門動態(tài)模塊。所建立的循環(huán)冷卻水溫度控制系統(tǒng)模型如圖8所示。

最后通過改變循環(huán)水系統(tǒng)入口邊界模塊的工質(zhì)溫度來引入冷凝器冷卻水溫度變化，采用工程整定法整定出合理的PI參數(shù)。

3 仿真驗(yàn)證

3.1 冷凝器壓力控制系統(tǒng)仿真驗(yàn)證

基于已建立的循環(huán)水系統(tǒng)對象-控制系統(tǒng)閉環(huán)模型分別引入冷凝器壓力階躍擾動和冷凝器壓力設(shè)定值階躍變化。在控制系統(tǒng)作用下，冷凝器壓力的變化分別如圖9和圖10所示。

3.2 循環(huán)冷卻水溫度控制系統(tǒng)仿真驗(yàn)證

基于已建立的循環(huán)水系統(tǒng)對象-控制系統(tǒng)閉環(huán)模型分別引入海水溫度壓力階躍擾動和循環(huán)冷卻水溫度設(shè)定值階躍變化。在控制系統(tǒng)作用下，循環(huán)冷卻水溫度的變化如圖11和圖12所示。

4 結(jié)論

本文針對某核動力裝置循環(huán)水系統(tǒng)涉及設(shè)備種類多，對象特性復(fù)雜的特點(diǎn)，基于3keymaster平臺的FlowBase工具箱建立了其對象模型，基于Logic工具箱建立了冷凝器壓力控制系統(tǒng)和循環(huán)冷卻水溫度控制系統(tǒng)，并整定了相應(yīng)的控制參數(shù)。最后進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，仿真結(jié)果表明：該仿真模擬能夠模擬循環(huán)水系統(tǒng)的參數(shù)變化，所建立的控制系統(tǒng)能夠使冷凝器壓力維持在設(shè)定值，并使循環(huán)冷卻水溫度維持在一定范圍內(nèi)，滿足系統(tǒng)控制要求。

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