基于Flowmaster-PID控制策略对核电站停堆冷却系统温度—流量耦合控制的研究

张科，陈健华，陈丽

（上海核工程研究设计院，上海 200233）

基于Flowmaster-PID控制策略对核电站停堆冷却系统温度—流量耦合控制的研究

张科，陈健华，陈丽

（上海核工程研究设计院，上海 200233）

本文采用“Flowmaster”仿真软件，运用复杂的PID控制策略，对CAP1000核电站中正常余热排出系统（RNS）的温度-流量耦合控制特性，进行了建模和仿真研究。通过仿真计算，获得了与设计目标降温速率一致的温度变化曲线，并得到了热交换器出口流量调节阀及旁通流量调节阀的开度变化曲线和流量分配曲线。通过观察RNS泵的流量波动特性，对调节阀的调节频率提出建议。研究结果可为CAP1000核电站的设计和调试运行提供技术支持。

停堆冷却；PID控制；仿真计算

在以AP1000/CAP1000为代表的第三代非能动先进核电站中，正常余热排出系统（RNS）的主要功能是为电厂提供停堆冷却。为了能安全、有效地实现这一重要功能，需对RNS系统的流量和温度进行耦合调节控制，即在保持系统流量稳定的基础上，维持RCS系统的降温速率在合适的范围之内。本文采用Flowmaster软件，应用PID控制策略，模拟了CAP1000核电站RNS系统工况下的温度-流量耦合控制特性，从而为电站的调试和运行提技术支持。

1 仿真建模

1.1 RNS系统描述及仿真模型

RNS系统与停堆冷却工况有关的工艺流程简图如图1所示。RNS两个序列同时投运，主系统的反应堆冷却剂进入RNS系统后，一部分经过RNS热交换器进行冷却，另一部分流经热交换器的旁通管线后，与被冷却的部分在出口三通处汇合，混合后的流体回到RCS系统。

采用Flowmaster中的瞬态换热分析进行仿真，建模所用的元件达856个。仿真时对Flowmaster中水的物性参数作了扩展，元件的参数根据设计参数输入。

1.2 关键控制策略

图1 CAP1000-RNS系统流程简图

对RNS系统的温度和流量进行耦合PID控制，RNS对主系统冷却的目标降温速率为允许的最大降温速率（27．8℃/h）。分别控制每个序列的V006和V008阀门，在对V006进行控制时，先通过Guage元件测量泵入口的温度变化率，并与Signal Generate元件中预设的降温速率曲线作对比，若发现泵入口降温速率偏小，则增大V006阀的开度，反之亦然。同理，对于V008阀门控制时，先测量泵入口的流量，并与预设的恒定流量值作比较，若发现流量偏小，则增大V008阀的开度，反之亦然。为了确保系统的总流量不变，并使系统的降温速率尽可能达到最大允许降温速率，两个阀门的调节信息会进行反馈和迭代，在每一个时间步上得到收敛的结果后，再计算下一个时间步。

2 仿真结果分析

2.1 降温速率曲线

计算获得的主系统降温速率曲线见图2。从中可以看出，模拟得到的主系统降温曲线与目标降温曲线非常吻合。文中模拟了RNS投运2小时内的温度变化，随着时间的进一步增加，由于热交换器管侧和壳侧的温差减小，实际的降温速率会随之下降，从而偏离最大降温曲线。

图2 计算的RCS降温曲线与目标降温曲线的对比

2.2 调节阀开度变化曲线

由于A序列和B序列是对称的，故此处只给出A序列的调节阀开度变化曲线，详见图3、4。由图可以看出，V006A和V008A的阀门开度呈现负相关的变化趋势， V006A阀门的开度以接近二次曲线的方式增大。这主要是由于随着时间的推进，在RNS热交换器冷却水供水温度不变的前提下，冷热流体的温差减小，为了达到目标降温速率，须增大V006A的开度以增加流经RNS热交换器的流量。同时，为了维持流经RNS系统的流量恒定，须减小V008A阀门的开度。在两小时以后，随着时间的进一步推进，V006A的阀门开度将很快达到1．0，此后由于V006A无法继续开大，系统的冷却速率将会下降。

图3 V006A阀门的开度变化

图4 V008A阀门的开度变化

2.3 RNS热交换器流量及旁通流量变化

图5 、6给出了流经V006A和V008A阀门的流量，通过与图3、4相比较可以发现，流经热交换器的流量正比于阀门V006的开度，旁通流量正比于阀门V008的开度。

图5 通过热交换器流量

图6 旁通流量

2.4 RNS泵的流量变化

泵流量变化曲线见图7所示。计算得到的泵流量在恒定值附近波动，其波动幅值不大于2%。这是由于阀门调节导致的流量波动，故在实际调节的过程中，须合理设置调节阀的调节频率，以免引起不必要的部件震动。

图7 RNS泵的流量变化曲线

3 结语

本文应用Flowmaster软件，设置了合理的PID控制策略，成功模拟了CAP1000核电站的RNS系统在投运初期运行工况下的温度-流量耦合控制特性。通过仿真计算，在确保系统总流量恒定的基础上，获得了与预期一致的系统降温速率，同时得到了热交换器出口流量调节阀以及旁通流量调节阀的开度曲线，并得到相应的流量变化曲线。经过统计泵的流量变化趋势，提出了需要合理设置调节阀调节频率的建议。研究的结果可对电站的设计、调试及运行提供技术支持。

TL411

A

1671-0711（2017）10（下）-0196-02