基于3keymaster的核动力装置循环水系统对象和控制系统建模与仿真研究

黄轲 张洧川 何小鹏 孙琦 李昱

【摘 要】某核动力装置循环水系统采用汽动循环水泵，涉及设备种类多，对象特性复杂，因此有必要对其进行对象和控制系统的建模仿真分析。3keymaster仿真平台是一个功能全面，具有图形化建模功能的热工仿真分析平台，基于其对循环水系统进行建模并完成了瞬态工况仿真。仿真结果表明：所建立的模型能够正确模拟循环水系统瞬态变化，所建立的控制系统满足控制要求。

【关键词】3keymaster;循环水系统;汽动泵

中图分类号： TL421.1 文献标识码： A文章编号： 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

循環水系统是核动力装置二回路的重要系统，其功能是在各种运行工况下向冷凝器提供足够的冷却水[1]，用以冷凝进入冷凝器的蒸汽，建立设计所规定的真空，以保证汽轮机组正常工作。循环水系统是一个复杂的非线性系统，且与凝水系统耦合密切。某核动力装置的循环水系统采用汽动循环水泵，其整个系统涉及管道、阀门、箱体、汽轮机、泵等多种设备，对象特性复杂，因此有必要对其建立控制对象与控制系统，分析其控制特性，优化控制方案。

3keymaster仿真平台是美国WSC公司开发的热工仿真软件工具[2]，其功能全面，用户界面友好。该仿真平台实现了与了轻水反应堆瞬态分析程序RELAP5的耦合[3]，并能够实现RELAP5与3KEYMASTER平台同步计算仿真，特别适用于核动力装置仿真分析。相对于单纯的RELAP5程序，3keymaster具有图形化建模和在线修改模型能力等优点[4]。

该仿真系统的模型工具主要包括两相热工水力管网工具FlowBase、逻辑及控制系统工具Logic、传感器工具Transmitter和系统部件工具Component等。循环水系统对象模型采取两相热工水力管网工具FlowBase建立，其控制系统采取逻辑及控制系统工具Logic进行建立，两者的相关模块可以直接连接进行数据传输，无需中间交互文件或模块，提高了模型与控制系统的一体化程度。此外，3keymaster的fbControl模块还提供了反算功能，可以从模型的运行参数反算出管道阻尼，截面等固有参数，提高了建模的便利性。

1 循环水系统对象建模研究

1.1 系统组成和流程简述

某核动力装置循环水系统由气动循环水泵、液压通海蝶阀、电动桥管调节蝶阀、循环水管道、海水隔栅和相应的测量仪表组成，系统简图如1所示。

海水作为冷凝器的冷源，经两个串联的循环水进口蝶阀流至汽动循环水泵入口，由循环水泵驱动流过冷凝器的冷凝水管，带走冷凝器中的热量后经循环水出口管排出。在循环水进口管和出口管之间有连接桥管，桥管上布置有两个串联的蝶阀，当循环水进口温度较低时，开启桥管阀门，部分被加热的排水返回至循环水泵入口，使进入冷凝器的冷却海水处于合适的温度范围内。主蒸汽系统的新蒸汽经速关阀和调节阀，进入汽动循环水泵汽轮机做工为循环水泵提供动力后排入乏汽系统。

1.2 控制对象建模

循环水系统控制对象采用两相热工水力管网工具FlowBase进行建模。FlowBase建模非常直观，其提供了多种模块来模拟实际的物理过程，如管道，阀门，泵、箱体等，还有节点，边界等便于建模分析的特殊模块。相比RELAP这类采用输入卡建模的工具，FlowBase的用户界面更加友好，可以直接在建模界面打开模块输入建模参数，也可以在模型运行时暂停并修改参数，如图2所示：

上图为边界模块fbBound，双击模块可弹出模块参数框并对其修改，例如可以设定边界模块的压力、温度等参数。

FlowBase集中了用户界面友好和建模直观等优点，十分适合于二回路或一回路辅助系统这类不带核的热工系统的建模。3keymaster通过命名区分不同模块，另外其具有全局变量功能，只要多个同一类模块命名相同，即可视为同一部件，该功能可以提高不同模块交互的便利性以及模型界面的简洁程度。

某核动力装置循环水系统采用汽动循环水泵，整个系统的模型可以通过汽轮机轴边界分为汽轮机侧模型和循环水泵侧模型。

首先建立汽轮机侧模型。在气动泵蒸汽侧的两端分别用边界模块fbBound设置主蒸汽边界和乏汽边界，需要设置入口边界的压力和焓值，以及出口边界的压力。FlowBase最基本模块为节点模块fbNode，可以看做管道上的一个状态点，fbBound和fbNode之间通过管道模块fBflow相连，其可以设置截面积，直径，长度和阻尼等参数，阀门模块fbValve可以依附于fBflow，并可设置阀门曲线，开度等相关参数。入口边界后分别在管道上依次设置速关阀和调节阀。汽动循环水泵的透平部分需要用透平模块fbSection进行模拟，其出口的fbNode连接乏汽边界。汽轮机的轴采用fbShaft模块依附于透平模块之上，模拟蒸汽推动透平做工，使汽轮机轴转动的物理现象。建立的循环水系统汽轮机侧模型如图3所示：

在模型搭建完成后，需要进行模型的调试，即调整管道阻尼等参数使得系统的运行状态，如流量、节点压力等与设计值向匹配。由于设计参数中包含蒸汽侧的额定流量，因此本文利用FbControl模块的反算功能计算相关管道阻尼系数，将额定流量填入对应的fBflow和fbSection的模块中，并填入对应管道和透平的长度、截面积等数据，再将其阻尼设置为0，然后将阀门特性曲线填入阀门模块fbValve，再利用fbControl模块进行反算即可得到各个管道模块和透平以及阀门阻尼的近似值。在反算完成后，蒸汽流量会有少许波动，通过改变调节阀阀位使蒸汽流量稳定在设定值。

再建立循环水泵侧模型。该部分模型可以通过冷凝器传热边界分为管侧（即循环水管部分）部分和壳侧（即冷凝器部分）部分。

循环水管部分模型主要包含海水出入口边界、主管道、回流桥管、汽动循环水泵、循环水进出口通海蝶阀和桥管蝶阀。其中循环水泵采用泵模块fbPump建立，将蒸汽侧模型的汽轮机轴通过同一命名的轴模块fbShaft依附于该泵模块之上，轴模块会将自身功率传递给泵模块，模拟汽轮机轴带动泵转动，驱动循环水流动的物理现象。在需要进行热交换的管道上粘贴管侧换热模块fbHeatStruct并填入相关换热参数。

然后建立冷凝器部分。冷凝器箱体可用两相箱体fb2PhaseTank模块建立，填入箱体尺寸等数据。冷凝器的进水和排水分别用蒸汽边界和水边界来建立。在冷凝器上粘贴壳侧换热模块fbHeatStruct并填入相关换热参数。由于FlowBase中模块都是理想化的，冷凝器下部出口凝水为饱和水，而实际上在蒸汽在冷凝器中被冷凝成饱和水后还会被继续冷却，因此其过冷度不为0。为了模拟凝水过冷度，在冷凝器出口接管上粘贴管侧换热模块与循环水进行进一步换热，制造过冷度。

最后，将冷凝器部分的换热模块与循环水管部分的换热模块通过传热连接线fbHeatTransf进行连接并在连接线模块中填入相关换热参数。需要注意的是要在管道之间建立必要的节点以观察关键部位的热力参数或将其传输给控制系统。所建立的循环水泵侧模型如图4所示。

由于涉及换热，因此循环水泵侧模型比汽轮机侧模型的调试更为复杂。同样用先反算出大致的管道阻尼再微调的方式使得循环水管和冷凝器部分模型的流量与设计值匹配。此时传热功率可能会与设计值有一定偏差，通过微调传热面积或传热系数的方式消除偏差。

2 控制系统建模

2.1 控制要求

根据某核动力装置二回路的相关设计，与循環水相关的控制要求主要分为两部分：

a.冷凝器压力控制：通过调节汽动循环水泵管道上的调节阀，调节进入气动泵的蒸汽流量以调节气动泵转速，改变循环冷却水流量，调节冷凝器和循环水之间的换热，使冷凝器压力维持在设定值。

b.循环冷却水温度控制：通过调节循环水系统的桥管阀门，使部分被加热的排水返回至汽动循环水泵的入口，使进入冷凝器的冷却海水处于合适的温度范围内。

2.2 控制方案与建模

2.2.1 冷凝器压力控制

冷凝器压力控制的目标值为0.016MPa。因为压力波动剧烈，需要进行滤波处理。采用PI控制，将冷凝器压力与目标值作差后经滤波送入PI控制器，运算结果输出至循环水泵汽轮机进汽调节阀，将冷凝器压力控制在目标值。控制方案如图5所示。

利用3keymaster中的逻辑及控制系统工具Logic来建立冷凝器压力控制系统，用压力传感器模块Tr_Press将冷凝器的压力参数引出。经滤波模块lgLag后输送给PI控制器，其中PI控制器采用比例模块lgProp、积分模块lgIntegr和求和模块lgSum搭建。由于阀位变化范围为0～1，因此PI控制的输出结果需要加入限幅模块lgHiLim和lgLoLim。为了模拟阀门的开启和关闭的动态特性，需要加入阀门动态模块cmPositioner，输入阀门动作时间等参数，最后再连接循环水泵汽轮机进汽调节阀。所有logic模块之间通过数据连接线TRANSFER进行连接。所建立的冷凝器压力控制系统模型如图6所示。

最后还需要整定控制参数。通过改变冷凝器进口边界模块的外部流量#fext来引入稳压器压力变化，采用工程整定法整定出合理的PI参数。

2.2.2 循环冷却水温度控制

在外部海水温度降低时，为了保证进入冷凝器的冷却水温度不低于15℃，采用PI控制器，将循环水系统进口水温度与目标值15℃作差送入PI控制器，运算结果输出至桥管电动阀门。当冷凝器冷却水温度高于15℃时，桥管阀门将保持关闭;当进口水温度低于15℃时，桥管阀门将开启，加热冷凝器冷却水。控制方案原理图如7所示。

同样利用Logic工具来建立循环冷却水温度控制系统，将冷凝器冷却水温度用温度传感器模块Tr_Temp模块引出，输出给PI控制器，进行运算后输出给循环水桥管阀门，同样需要对PI输出进行限幅和加入阀门动态模块。所建立的循环冷却水温度控制系统模型如图8所示。

最后通过改变循环水系统入口边界模块的工质温度来引入冷凝器冷却水温度变化，采用工程整定法整定出合理的PI参数。

3 仿真验证

3.1 冷凝器压力控制系统仿真验证

基于已建立的循环水系统对象-控制系统闭环模型分别引入冷凝器压力阶跃扰动和冷凝器压力设定值阶跃变化。在控制系统作用下，冷凝器压力的变化分别如图9和图10所示。

3.2 循环冷却水温度控制系统仿真验证

基于已建立的循环水系统对象-控制系统闭环模型分别引入海水温度压力阶跃扰动和循环冷却水温度设定值阶跃变化。在控制系统作用下，循环冷却水温度的变化如图11和图12所示。

4 结论

本文针对某核动力装置循环水系统涉及设备种类多，对象特性复杂的特点，基于3keymaster平台的FlowBase工具箱建立了其对象模型，基于Logic工具箱建立了冷凝器压力控制系统和循环冷却水温度控制系统，并整定了相应的控制参数。最后进行了仿真验证，仿真结果表明：该仿真模拟能够模拟循环水系统的参数变化，所建立的控制系统能够使冷凝器压力维持在设定值，并使循环冷却水温度维持在一定范围内，满足系统控制要求。

【参考文献】

[1]彭敏俊，王兆祥.船舶核动力装置[M].北京：原子能出版社，2008.（PENG Min-jun，WANG Zhao-xiang，Ship Nuclear Power Plant[M].Bei Jing：Atomic Energy Publishing Company，2008.）

[2]黎知行，章旋.核电站安全级DCS虚拟系统的设计与开发[J].制造业自动化，2012，34（7）：154-156.（LI Zhi-Xing， ZHANG Xuan.Nuclear power plant safety DCS virtual system design and development.，2012，34（7）.）

[3]鄭剑香，倪星河，谢姗.基于3Keymaster平台的压水堆核电站系统回路放射性仿真研究[J].核科学与工程，2016，36（2）：287-293.（ZHENG Jian-xiang，NI Xing-he，XIE Shan.Radioactive Simulation Study of PWR System Loop Based on 3Keymaster Platform.，2016，36（2）.）.

[4]罗朋，刘鸿，吴先荣.基于3KEYMASTER软件的核电站6.6kV系统仿真研究[J].计算机时代，2016，4：6-8.（Luo Peng，Liu Hong，Wu Xianrong.Research on the simulation of 6.6kV ststem in nuclear power plant based on 3KEYMASTER software，2016，4.）