套管式直流蒸汽发生器汽轮机一体化控制策略

(1.连云港师范高等专科学校，江苏 连云港 222006; 2.哈尔滨电气股份有限公司 中央研究院，黑龙江 哈尔滨 150028; 3.哈尔滨工业大学 能源科学与工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001)

0 引言

一体化压水堆蒸汽发生器位于反应堆压力容器内，取消主管道以及主闸阀，冷却剂主泵直接与压力容器相连，具有结构简单、自然循环能力强、消除主管道双端断裂大破口失水事故及堆芯熔化事故等优点，极其适用于中小规模核电站并且完全满足未来核电站对于安全性要求[1]。

直流蒸汽发生器是一体化压水堆的关键设备，多为套管或螺旋管式，传热性能良好，换热效果强，紧凑结构适用于一体化布置；设备安全可靠性高[2]。水泵压头为直流蒸汽发生器驱动了工质流动。工质在外力驱动下，一次流过传热管，并经历预热、蒸发以及过热的阶段。

对比于自然循环蒸汽发生器，直流蒸汽发生器的特点为：强迫流动；无内部水循环，给水一次流过加热面转为蒸汽，具有优异的静态特性以及机动性能；过热蒸汽简化汽轮机高低压缸之间的去湿装置，降低汽轮机要求，并提高装置热效率。

直流蒸汽发生器可分为管外直流以及管内直流。核动力舰船多采用管内直流，其二次侧工质流动于管内部。管外直流多用于压水堆核电厂，其二次侧工质流动于管间。直流蒸汽发生器一、二回路耦合强烈，具有非线性、参数时变性以及扰动不确定的特点。

目前相关研究多着重于直流蒸汽发生器二次侧压力控制，通过控制出口的蒸汽压力来实现出口蒸汽质量的控制。由于直流蒸汽发生器系统自身强烈的耦合特性，压力以及水位的协调控制很难进行。

直流蒸汽发生器可分成预热段、膜态沸腾段、核态沸腾段以及过热段[3]，并研究了串级控制系统和基于神经网络的自学习模糊控制系统。螺旋管直流蒸汽发生器的动态响应由文献[4]进行了充分的研究。文献[5]采用主冷却剂平均温度不变和二回路侧蒸汽压力不变的双恒定运行方案和经典PID控制器和符合跟随模式研究了套管蒸汽发生器的动态特性。文献[6]对于核供热堆的大盘管直流蒸汽发生器进行了热工水力学实验系统研究，并进行了入口流动阻力、运行负荷与出口压力对于蒸发器稳定性的响应分析。文献[7]通过对一、二次侧和传热管的流动换热过程分别建立控制方程，对B&W公司设计的直流蒸汽发生器一、二回路耦合作用下的实际工作过程进行了数值预测。文献[8]采用RELAP5程序，针对某陆用反应堆套管式直流蒸汽发生器建立了集总参数分析的模型，研究了系统压力、入口过冷度、入口节流等参数对流动不稳定性的影响。指出：增大系统压力，提高入口过冷度，在一定条件下增加入口节流均有利于系统的稳定。文献[9]增加缺液区的影响，针对直流蒸汽发生器建立一维均相流模型，研究蒸干现象以及两侧流体各参数的动态响应。

1 套管式直流蒸汽发生器工作机理与基本控制策略

1.1 工作机理分析

套管式直流蒸汽发生器二回路流体受一回路流体双面加热，一回路流体自上而下流动于内管内部以及外管外部，二次侧流体由下而上流动于内管与外管的环形流道，并以过热蒸汽状态从出口流出。套管式直流蒸汽发生器的中心管和环形管外侧流体同时与环形通道中的流体进行换热，其换热效果也将影响环形管外侧流体与环形通道中的流体的换热。更进一步，两侧流体热流密度相等时换热效果最优[10]。

直流蒸汽发生器可初步归纳为：预热段，沸腾段，过热段[11]，采用集总参数法建立质量、能量和状态方程，选取出口参数作为集总参数偏重反映介质参数在整个管段内变化的结果，选取进、出口平均参数作为集总参数偏重反映整个管段内介质的平均参数[10]。对于温度以及焓值，均认为一、二回路各段的出口参数为集总参数。考虑到气态密度随压力的变化，初步认为沸腾段密度可用入口和出口的平均密度来表示，过热段的密度可用其入口密度来代替整段的密度。假设蒸汽发生器数学模型按照一维模型处理；三个区域均分别看作是独立的换热器；同时认为全液相流动区域的密度为常数，对于存在气相的区域，认为其平均密度随压力变化而变；传热系数按常量处理。

(1)预热段：二回路入口至饱和水，h≤hf(hf为饱和水焓值)。

一回路预热段能量守恒方程

(1)

二回路预热段能量守恒方程

(2)

二回路预热段质量守恒方程

(3)

(2)沸腾段：二回路饱和水至饱和蒸汽，0

一回路沸腾段能量守恒方程

(4)

二回路沸腾段能量守恒方程

(5)

二回路沸腾段质量守恒方程

(6)

(3)过热段：二回路饱和蒸汽至出口。

一回路过热段能量守恒方程

(7)

二回路过热段能量守恒方程

(8)

二回路过热段质量守恒方程

(9)

式中Q——传热量;

l——有效长度;

h——各截面焓值;

W——流量;

ρ——密度;

A——有效流通面积。

角标p、s分别表示一、二回路，数字见图1所示。直流蒸汽发生器数学模型输入输出如图2所示。

图1 套管式直流蒸汽发生器原理图

图2 直流蒸汽发生器数学模型图解

1.2 直流蒸汽发生器基本控制策略设计

直流蒸汽发生器系统基本控制策略主要包括压力控制、水位控制以及燃水比控制。将压力作为系统主控量，选择通过二回路入口流量对二回路压力进行PI控制器设计。水位控制可保持蒸汽发生器水位始终在规定范围之内。通过控制一回路进口温度，可良好维持给水流量以及蒸汽流量的平衡，有效防止水位超限事故。通过燃水比控制来粗调出口蒸汽温度。当汽轮机阀门开度由于负荷改变而变化时，通过维持特定的燃水比控制一回路进口温度，堆芯功率也将随汽轮机负荷而相应变化。为防止汽轮机负荷变动速率过大引起超限事故，增加压力过低与超限保护控制器、水位过低与超限保护控制回路，均采用PI控制器设计，并采用负反馈机制。当压力或水位超限时，控制系统恢复稳定状态。

2 基于Min/Max规则切换的直流蒸汽发生器与汽轮机一体化控制策略

对直流蒸汽发生器和汽轮机进行耦合协调控制可满足直流蒸汽发生器与汽轮机同步响应。直流蒸汽发生器与汽轮机共用此控制系统，此控制系统可以调节汽轮机功率，保护直流蒸汽发生器以免发生压力以及水位超限事故。

正常工况时，控制系统主要控制汽轮机功率；当水位以及压力超限时，切换到控制蒸汽发生器水位、压力状态，以避免水位及压力超限，整个控制系统将保证直流蒸汽发生器的水位以及压力维持在安全线附近，以提高蒸汽发生器的响应速度。

基于Min/Max规则切换机理的直流蒸汽发生器与汽轮机一体化控制策略如图3所示。依据是蒸汽发生器的水位以及压力超限时以最大状态进行选择，过低时以所要求的最小状态进行选择。控制信号选择器是由最小选择器以及最大选择器所组成。最小选择器的入口连接汽轮机功率控制系统、水位超限保护控制器以及压力低限保护控制器，既保证蒸汽发生器出口蒸汽要求，又防止因汽轮机抽气量增加致使压力减小过低从而导致水位超限事故的发生；最大选择器的入口连接最小选择器的出口、水位低限保护控制器以及压力超限保护控制器，可有效防止水位过低发生传热恶化事故以及超压事故。最终控制信号输出到执行机构中对蒸汽发生器的流量进行调节。

图3 直流蒸汽发生器与汽轮机一体化控制策略

此基于Min/Max切换规则的直流蒸汽发生器与汽轮机一体化控制策略既可以在直流蒸汽发生器水位以及压力处于正常工作范围时进行汽轮机功率的调节，又能够做到当汽轮机变负荷速率过大时对于直流蒸汽发生器水位以及压力进行保护控制。

3 结果与分析

现在应用此控制策略对汽轮机以及直流蒸汽发生器协调系统进行控制仿真。蒸汽发生器基本设计数据如表1所示。在模型仿真模拟过程中，800 s之前由于汽轮机处于并网过程，实际功率值较小使得直流蒸汽发生器的出口蒸汽流量过小，会造成系统仿真不稳定，此时对直流蒸汽发生器的出口蒸汽流量的输入为定值3.2 kg/s，当汽轮机完成并网后在使两系统连结进行协调控制。现在通过系统的实际仿真模拟来说明控制策略的工作过程。

表1蒸汽发生器基本设计数据

参数名称基本设计数据反应堆功率/MW35效率0.2载热剂入口温度/℃354载热剂出口温度/℃280载热剂入口压力/MPa18载热剂流量/kg·s-116.5二回路出口蒸汽温度/℃290二回路入口给水温度/℃260二回路蒸汽压力/MPa6二回路入口给水流量/kg·s-14总管长/m2.2传热管根数/根2469套管外管径/mm10套管内管径/mm8

当汽轮机负荷与1 500 s有所变化时，得到汽轮机与直流蒸汽发生器的协调控制系统水位以及压力的变化情况，如图4与图5所示。

图4 总水位

图5 二回路压力

可以看出，此工作状态下水位发生了超限现象，在最开始时由于汽轮机负载要求较小，系统水位低于正常工作所要求的最低值，随着与汽轮机的协调运行，水位逐渐升高，处于正常工作范围内，直至有所超限，最终保持在水位上限维持稳定。同时，压力始终都在所要求的工作范围内。

图6 阀门开度控制信号1

图7 阀门开度控制信号2

图6与图7对比各个输出的阀门开度控制信号，可以明显看出在系统运行的最初400 s内，由于系统水位处于低限值以下，低限保护控制器处于工作阶段。之后在汽轮机与蒸汽发生器协调控制下水位处于正常工作范围内，汽轮机正常的功率控制器处于控制工作中。随着汽轮机负荷的增加，水位逐渐升高直至超限(大约1 700 s时)而使水位超限控制器处于工作状态中。从此运行实例可以看出，本文提出的基于Min/Max规则切换机理的直流蒸汽发生器与汽轮机一体化控制策略可以良好地对系统的水位以及压力进行控制，满足系统的控制要求。

4 结论

本文在分析套管式直流蒸汽发生器工作机理以及基本控制策略的基础上，提出的Min/Max切换规则压力、水位保护回路的直流蒸汽发生器与汽轮机一体化控制策略。

(1)通过二回路入口流量对二回路压力进行控制；通过控制一回路进口温度，可良好维持给水流量以及蒸汽流量的平衡；通过燃水比控制来粗调出口蒸汽温度。为防止汽轮机负荷变动速率过大引起超限事故，增加压力过低与超限保护控制器、水位过低与超限保护控制回路，采用负反馈机制。当压力或水位超限时，控制系统恢复稳定状态。

(2)对直流蒸汽发生器和汽轮机进行耦合协调控制可满足直流蒸汽发生器与汽轮机同步响应。直流蒸汽发生器与汽轮机共用此控制系统，此控制系统可以调节汽轮机功率，保护直流蒸汽发生器以免发生压力以及水位超限事故。

正常工况时，控制系统主要控制汽轮机功率；当水位以及压力超限时，切换到控制蒸汽发生器水位、压力状态，以避免水位及压力超限，整个控制系统将保证直流蒸汽发生器的水位以及压力维持在安全线附近，以提高蒸汽发生器的响应速度。