一種核電蒸汽發(fā)生器控制方法
【專利說(shuō)明】一種核電蒸汽發(fā)生器控制方法 【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及高溫氣冷堆核電站蒸汽發(fā)生器領(lǐng)域，特別是結(jié)合了無(wú)跡卡爾曼濾波和 容錯(cuò)控制的核電蒸汽發(fā)生器控制方法的技術(shù)領(lǐng)域。 【【背景技術(shù)】】
[0002] 蒸汽發(fā)生器是高溫氣冷堆核電裝置的動(dòng)力組成部分，是核島內(nèi)的三大設(shè)備之一， 是壓水堆核電廠一回路、二回路的邊界，它將反應(yīng)堆產(chǎn)生的熱量傳遞給蒸汽發(fā)生器二次側(cè)， 產(chǎn)生的蒸汽經(jīng)一、二級(jí)汽水分離器干燥后推動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)電。從反應(yīng)堆流出的冷卻劑經(jīng) 一回路熱管段由蒸汽發(fā)生器的下封頭的進(jìn)口接近進(jìn)入水室，然后在倒U型管束內(nèi)流動(dòng)，倒 U型管的外表面與二回路給水接觸，傳熱給二回路水，并使其汽化，完成一、二回路間的熱交 換。一回路冷卻劑攜帶的熱量傳給二回路后，溫度降低，再經(jīng)過下封頭的出口水室和出口接 管，流向一回路的過度管道然后進(jìn)入主栗的吸入口。二回路的給水由蒸汽發(fā)生器的給水接 管進(jìn)入給水環(huán)管，通過環(huán)管進(jìn)入下筒體與管束套筒之間的環(huán)狀空間（即下降通道），與汽水 分離器分離出的水混合后向下流動(dòng)，直至底部管板，然后轉(zhuǎn)向，沿著倒U型管束的管外（即 上升通道）向上流動(dòng)，被傳熱管內(nèi)流動(dòng)的一回路冷卻劑加熱，一部分水蒸發(fā)成蒸汽。汽水混 合物離開倒U型管束頂部繼續(xù)上升，依次進(jìn)入旋葉式汽水分離器和干燥器，經(jīng)汽水分離后， 蒸汽從蒸汽發(fā)生器的頂部出口流向汽輪機(jī)做功，分離出來(lái)的水則往下與給水混合進(jìn)行再循 環(huán)。通常來(lái)說(shuō)，一次側(cè)入口的蒸汽壓力、給水流量以及給水溫度可以作為系統(tǒng)輸入來(lái)控制二 次側(cè)的給水壓力、蒸汽流量和蒸汽溫度。
[0003] 蒸汽發(fā)生器被控變量的穩(wěn)定性對(duì)于核電廠安全運(yùn)行意義重大，當(dāng)蒸汽發(fā)生器中的 傳感器出現(xiàn)故障時(shí)，就會(huì)影響控制信號(hào)，導(dǎo)致蒸汽發(fā)生器被控變量不穩(wěn)定，出現(xiàn)控制偏差， 甚至產(chǎn)生一系列安全問題。
[0004] 當(dāng)前核電廠主要采用硬件冗余的方式來(lái)預(yù)防傳感器故障；由于核電廠設(shè)備昂貴， 這種硬件冗余方式很大程度上增加了核電廠的設(shè)備成本和空間。而基于軟件冗余（解析冗 余）的容錯(cuò)控制方法在不增加硬件設(shè)備的情況下，即使傳感器出現(xiàn)故障，蒸汽發(fā)生器依然 能保持穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)對(duì)故障的容錯(cuò)，避免反應(yīng)堆停閉或故障變成事故。因此，容錯(cuò)控制對(duì)于提 高核電廠運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全性有著重大的意義。 【
【發(fā)明內(nèi)容】
】
[0005] 本發(fā)明的目的就是解決現(xiàn)有技術(shù)中的問題，提出一種核電蒸汽發(fā)生器控制方法， 控制對(duì)象是高溫氣冷堆，控制方法是結(jié)合了無(wú)跡卡爾曼濾波與容錯(cuò)控制，可以在實(shí)現(xiàn)控制 目的的同時(shí)，有效地提高過程系統(tǒng)的控制精度，達(dá)到蒸汽發(fā)生器壓力穩(wěn)定的容錯(cuò)控制目的， 并且易于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制。
[0006] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出了一種基于核電蒸汽發(fā)生器控制方法，所述控制方 法利用容錯(cuò)控制和卡爾曼濾波結(jié)合的形式對(duì)蒸汽發(fā)生器程的水位、蒸汽流量進(jìn)行等被控變 量跟蹤控制，具體步驟包括：
[0007] (a)機(jī)理建模：根據(jù)熱工水動(dòng)力原理建立蒸汽發(fā)生器模型，給水閥門開度、蒸汽出 口閥門開度作為操作變量，給水腔水位、給水流量、蒸汽出口流量作為被控變量；
[0008] (b)數(shù)據(jù)傳感：對(duì)于不同的被控變量，通過各個(gè)傳感器獲取測(cè)量值；
[0009] (c)狀態(tài)估計(jì)：利用無(wú)跡卡爾曼濾波（UKF)方法，每個(gè)UKF監(jiān)測(cè)一個(gè)傳感器，以除 去被監(jiān)測(cè)的傳感器后剩余的傳感器測(cè)量值子集作為輸入量，得到狀態(tài)估計(jì)值以及殘差； [0010] (d)故障診斷與重構(gòu)：將計(jì)算得出的殘差大小與所設(shè)置的殘差閾值進(jìn)行比較，若 殘差大于閾值，則舍棄本次測(cè)量值，進(jìn)行狀態(tài)重構(gòu)，否則繼續(xù)下一步驟，閾值大小的選取需 要綜合考慮故障漏報(bào)和誤報(bào)：①漏報(bào)：如果選取太大，可能出現(xiàn)因故障偏差很小，導(dǎo)致故障 漏報(bào)；②誤報(bào)：選擇過小則會(huì)出現(xiàn)故障誤報(bào)的現(xiàn)象，因?yàn)橄到y(tǒng)的狀態(tài)突變也會(huì)改變殘差，因 此，故障檢測(cè)閾值的選取要由經(jīng)驗(yàn)和大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到；
[0011] (e)根據(jù)測(cè)量值進(jìn)行控制：根據(jù)上一環(huán)節(jié)得到的狀態(tài)測(cè)量值和建立的數(shù)學(xué)模型， 調(diào)節(jié)PID控制參數(shù)，得到理想的性能曲線。
[0012] 作為優(yōu)選，所述（a)步驟中，采用的是集總參數(shù)動(dòng)態(tài)模型，分布參數(shù)模型雖然具有 更好的精度，但含有大量的偏微分方程，大大增加了計(jì)算難度，目前仍沒有成熟的求解方 法，而在實(shí)際過程中，集總參數(shù)模型的精度已足夠好。
[0013] 作為優(yōu)選，所述（c)步驟中，無(wú)跡卡爾曼濾波算法是通過對(duì)被控變量測(cè)量值^和 狀態(tài)估計(jì)值1進(jìn)行更新，從而獲得殘差，判斷傳感器是否出現(xiàn)故障。
[0014] 作為優(yōu)選，所述（e)步驟中，系統(tǒng)是多輸入輸出非線性系統(tǒng)，PID參數(shù)選取有一定 困難，因此首先根據(jù)模型離線仿真調(diào)優(yōu)。
[0015] 本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明通過容錯(cuò)控制，有效消除了系統(tǒng)的建模和測(cè)試噪聲，在 已知系統(tǒng)模型的情況下，預(yù)測(cè)控制可用于時(shí)變、時(shí)滯以及非線性系統(tǒng)的控制，
[0016] 用本方法控制蒸汽發(fā)生過程的水位、溫度、壓力，控制精度高，即使傳感器發(fā)生測(cè) 量故障，控制系統(tǒng)仍能運(yùn)行在正常狀態(tài)，使用本方法控制蒸汽發(fā)生器，控制精度高，魯棒性 好，可以有效避免控制錯(cuò)誤，并且易于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制。
[0017] 本發(fā)明的特征及優(yōu)點(diǎn)將通過實(shí)施例結(jié)合附圖進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。 【【附圖說(shuō)明】】
[0018] 圖1是本發(fā)明一種核電蒸汽發(fā)生器控制方法的控制系統(tǒng)框圖；
[0019] 圖2是本發(fā)明一種核電蒸汽發(fā)生器控制方法的輸入輸出變量選擇框圖；
[0020] 圖3是本發(fā)明一種核電蒸汽發(fā)生器控制方法的控制體劃分圖。 【【具體實(shí)施方式】】
[0021 ] 參閱圖1~圖3，本發(fā)明具體步驟包括：
[0022] 步驟一、根據(jù)熱工水動(dòng)力原理建立蒸汽發(fā)生器模型，給水閥門開度、蒸汽出口閥門 開度作為操作變量，給水腔水位、給水流量、蒸汽出口流量作為被控變量；
[0023] 步驟二、對(duì)于不同的被控變量，通過各個(gè)傳感器獲取測(cè)量值；
[0024] 步驟三、利用無(wú)跡卡爾曼濾波（UKF)方法，每個(gè)UKF監(jiān)測(cè)一個(gè)傳感器，以除去被監(jiān) 測(cè)的傳感器后剩余的傳感器測(cè)量值子集作為輸入量，得到狀態(tài)估計(jì)值以及殘差，具體來(lái)說(shuō)， 就是用于監(jiān)測(cè)給水壓力傳感器的UKF1，其輸入值Yl中不包含溫度傳感器的輸出信號(hào)，而只 有給水量、蒸汽流量傳感器的輸出信號(hào)，其得到的只包含2個(gè)流量測(cè)量值與估計(jì)值的差。
[0025] 步驟四、將計(jì)算得出的殘差大小與所設(shè)置的殘差閾值進(jìn)行比較，若殘差大于閾值， 則舍棄本次測(cè)量值，進(jìn)行狀態(tài)重構(gòu)，否則繼續(xù)下一步驟，閾值大小的選取需要綜合考慮故障 漏報(bào)和誤報(bào)：①漏報(bào)：如果選取太大，可能出現(xiàn)因故障偏差很小，導(dǎo)致故障漏報(bào)；②誤報(bào)：選 擇過小則會(huì)出現(xiàn)故障誤報(bào)的現(xiàn)象，因?yàn)橄到y(tǒng)的狀態(tài)突變也會(huì)改變殘差，因此，故障檢測(cè)閾值 的選取要由經(jīng)驗(yàn)和大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到；
[0026] 步驟五、根據(jù)上一環(huán)節(jié)得到的狀態(tài)測(cè)量值和建立的數(shù)學(xué)模型，調(diào)節(jié)PID控制參數(shù)， 得到理想的性能曲線。
[0027] 所述殘差γ =無(wú)跡卡爾曼估計(jì)值f -傳感器實(shí)測(cè)值y ;第i個(gè)濾波器k時(shí)刻的故 障指示信號(hào)為：WSSR( ,式中，Vk為殘差序列的協(xié)方差陣，M為第i個(gè)濾波器k 時(shí)刻的殘差；
[0028] 步驟一中，建立機(jī)理模型，采用集總參數(shù)模型，其在保持計(jì)算精度的同時(shí)，極大的 簡(jiǎn)化了模型形式，蒸汽發(fā)生的集總參數(shù)動(dòng)態(tài)模型主要方程如下。
[0029] (1) 一次側(cè)
[0030]
[0031]
[0032] 其中，T為溫度，K為流量，kg/s ;M為質(zhì)量，kg;A為面積，m;為定壓比熱，X/(kggk); U為傳熱系數(shù)，