核电常规岛给水除氧器水位控制系统建模与仿真

王挺，吴文辉，措姆，徐唐煌

（1.上海电力学院电力与自动化工程学院，上海200090；2.西藏电力有限公司调度中心,西藏拉萨850000）

我国核电的发展的必要性不仅在于能源的稀缺性，也在于核能的清洁性，这标志着我国核电发展进入了新的阶段。核电仿真系统的应用也有其必要性，运行人员的操作技能、对突发事故的准确反映和正确处理的能力是影响核电站安全稳定运行的重要因素之一。由于核电站的事故、异常不能在现场运行设备上预演，也不能停止设备运行来培训学员，因而核电仿真系统在这些方面得到广泛的应用。

在核电站中，除氧器是汽水循环系统关键设备，其水位是机组运行的一个重要调节参数，但是由于除氧器水位具有滞后，大惯性，时变等调节特性，其自动的投入效果尤其在负荷变动调节时的快速性、稳定性、准确性方面较差。除氧器是在给水系统中，使给水加热到饱和温度，能去除给水中溶解气体的混合式加热器，其功能是除去锅炉给水中的氧气及其他气体，保证给水品质，维持除氧器水位为设定值，保证给水泵不被汽蚀。由于除氧器水位过低，则可能导致给水泵汽蚀，影响给水泵的安全工作，而除氧器水位过高则会淹没除氧头，影响除氧效果，还会使给水经汽轮机抽汽管倒流至汽轮机，引起水击事故或给水箱满水、除氧器振动、排汽带水等。由此可见，维持除氧器的水位正常，优化调节系统的调节品质显得极为重要[1]。

在本文中，主要根据某工程热平衡图来进行机理建模，在验证单冲量PID有效控制的同时，引入三冲量给水控制。

1 给水除氧器水位对象建模

如图1所示，根据某工程热平衡图建立的除氧器输入输出介质关系，物质平衡方程有Q3+Q4+Q5+Q6-Q2)，并通过凝结水阀门进行除氧器水位控制。式中，Q1为凝结水流量、Q2为给水流量、Q3为高加疏水流量、Q4为C口抽汽流量、Q5为M口疏水流量、Q6为J口抽汽流量。初始稳态时，有Q2=Q1+Q3+Q4+Q5+Q6，此时除氧器水位为H0保持不变。

图1 除氧器凝结水水位调节示意图

除氧器扰动包括给水扰动，疏水扰动以及抽汽扰动。由资料得到，横截面积F=4258×47250+11442×π=205302015 mm2。凝结水出口主调节门到除氧器的距离需要估算，根据4台低压加热器的双程流动，除氧器的布置高度，以及加热器之间的连接，假定为160 m，经计算得到该出口的速度为4.2 m/s，得到纯迟延时间为38 s。凝结水流量主调节阀CEX025VL Kv=1.5601×107/s/%，则凝结水流量控制通道的传函为

2 除氧器水位控制系统SIMULINK建模及动态仿真

除氧器水位控制系统设计有单冲量调节系统和三冲量调节系统，而所有调节器参数的整定，均按照流量百分比整定。

2.1 单冲量除氧器水位控制系统建模及动态仿真

根据上述分析计算，可设计除氧器单冲量水位控制系统原理方框图如图2所示。单冲量水位控制器设计:根据该控制器为控制凝结水流量，且凝结水流量调节阀为气关式调节阀，所以控制器为正作用控制器，控制器的偏差为被控量减设定值，即满足e=y-r。同时设置控制器为数字式控制器，采样周期为Ts=250 ms=0.25 s，在仿真时模拟其离散式PI控制器的输出控制调节阀开度，并采用非线性元件模拟调节阀的调节特性和范围。根据对象的特性以及控制性能要求，经仿真建模后测试并设置控制参数的取值或范围，PI控制器的控制参数具体包括比例系数KP和Ti。

除氧器水位设定值扰动100 mm，采用凝结水主调节阀CEX025VL。该阀在定值扰动下除氧器水位控制仿真模型，调节器参数采用试凑法，在调节参数值的大小为KP=0.2%/mm，Ti=160 s，得到水位控制响应曲线，如图3所示。

图2 除氧器水位单冲量调节系统原理模型

图3 除氧器变动负荷仿真水位响应曲线

在相同的对象模型下，负荷100%FP到90%FP的负荷扰动，取主调节阀门CEX025VL定值扰动下的调节器参数，其中除氧器水位采用一阶函数表示，支路延迟时间为0 s，进行仿真。调节器参数采用试凑法，在调节参数值的大小KP=0.2%/mm，Ti=160 s，得到水位控制响应曲线，如图3所示。

2.2 三冲量除氧器水位控制系统建模及动态仿真

由于单冲量水位控制效果不够理想，提出除氧器三冲量水位控制系统方案[2-3]。如图4所示，其中K1和K2是调整给水流量和凝结水流量的动态配比，本次K2设定为1，仅对K1进行仿真设定。

图4 除氧器水位三冲量调节系统原理模型

除氧器水位设定值扰动100 mm，以凝结水主调节阀CEX025VL为例，其中有主、副两个回路，主回路由主调节器、副回路、阀门系数以及对象构成，副回路由副调节器以及变送器组成。调节器参数通过主副回路的试凑法得到，在KP主=0.4%/mm和KP副=5%/mm，Ti主=225 s和Ti副=250 s调节参数时，得到水位控制响应曲线，如图3所示。

在相同的对象模型下，负荷100%FP到90%FP的负荷扰动，取主调节阀门CEX025VL定值扰动下的调节器参数，进行仿真，得到水位控制响应曲线，如图3所示。

3 除氧器PI控制器参数整定结果及调节性能比较分析

如果在实际工程运行中进行参数整定，根据响应曲线以观察调节品质。对图3的响应曲线进行对应分析，如表1所示。

表1 除氧器调节器参数以及控制性能表

表1中，对应单冲量和三冲量控制在定值扰动和100%FP至90%FP降负荷扰动下，均满足控制要求。然而，就工程而言，采用三冲量对除氧器水位进行的负荷变化进行控制，尽管在时间上略有增加，但是保证了幅值的超调明显的降低，这大大保证了除氧器水位的负荷跟随性，因此在负荷变动的一定范围内，可采用三冲量方案。

4 结论

除氧器作为核电站中的关键设备，其控制性能的好坏有着举足轻重的意义[4]。考虑到以后电力系统设备能否安全稳定的运行，本文通过对福清核电机组中除氧器水位模型进行机理建模，在仿真上对其采用三冲量串级调节和单冲量调节的比较，实验结果表明，两者都能实现除氧器水位自动调节，而三冲量水位控制方案比单冲量水位控制方案超调量小，调节时间短，振荡少，使系统调节更为精细,从而实现除氧器安全经济运行。

[1]周君芬,吴永存,崔振武.除氧器和凝汽器水位自控系统的改进[J].华东电力,2000(2):35-36.

[2]李霞.三冲量串级调节系统在除氧器水位调节中的应用[J].科技情报开发与经济,2010,20(15):222-224.

[3]黎兵,李夔宁.汽包锅炉串级三冲量给水控制系统的MATLAB仿真[J].东北电力技术,2006(6):21-23.

[4]丁建设.除氧器、凝汽器水位的Fuzzy-PI复合控制[J].华东电力,2003(12):61-62.