核电站给水泵和给水调节阀的耦合效应对系统运行稳定性的影响分析

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　　摘 要
　　通过大量的文献调研，明确了核电站给水流量调节系统给水泵和调节阀多变量控制系统存在耦合扰动效应。本文利用同类型给水调节装置中已有的泵和阀控制系统传递函数矩阵模型，建立了给水泵和给水调节阀多变量耦合控制并在工程仿真软件Simulink中进了仿真验证，证明了控制通道耦合效应的存在。利用合理的解耦算法，得到了泵-阀耦合调节通道的解耦控制器，并对加入解耦控制器前后的给水调节系统动态响应进行了Simulink仿真分析。结果表明：通过解耦计算，找到合理的解耦控制器，可以有效削弱多变量耦合控制系统中的耦合效应，對指导核电站二回路泵-阀耦合系统解耦控制有较大的参考价值。
　　关键词
　　给水调节;耦合效应;解耦控制器;仿真分析
　　中图分类号： TD744                        文献标识码： A
　　DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.11.028
　　0 引言
　　对于核电站蒸汽发生器的给水控制系统，一般有明确的特性要求：
　　1）系统稳定性好，抗干扰能力强;
　　2）负荷跟踪能力好，能适应二回路快速的负荷变化;
　　3）能承受超过50%FP的负荷阶跃变化，并保证装置运行的稳定性等。
　　组成蒸汽发生器液位控制系统的控制变量有三个：给水流量、蒸汽流量和蒸汽压力制。给水流量作为蒸汽发生器液位控制系统的最主要控制变量，其向液位控制系统提供的流量参数特性将直接决定蒸汽发生器的液位控制效果。例如，对于蒸汽发生器液位控制中常用的线性PID控制器，输入参数（给水流量）的不稳定，将导致被控参数（液位）的波动，严重的可能引起蒸汽发生器二次侧满水或二次侧液位过低导致传热恶化等。
　　图1 核电站二回路给水流量调节系统
　　1 给水流量调节系统
　　蒸汽发生器的液位控制变量中，给水流量的调节主要通过控制二回路给水泵的转速和给水调节阀的开度来实现，如图1所示。
　　从图1可以看出，给水流量调节系统主要由电动给水调节阀、电动或汽动给水泵和相关的控制器及执行机构组成。
　　给水流量调节系统持续测量二回路的给水流量、蒸汽流量及蒸汽压力，通过函数程序的计算得到二回路的流量偏差信号Qe，该信号与二回路蒸汽压力信号一起通过函数发生器的处理最终得到给水量需求信号（可正可负），该需求信号经过信号变送器（一般为PID控制器）、信号放大器、死区等环节的处理生成一个电流信号In作为给水泵转速调节执行机构的输入信号，用以改变电动机或汽轮机的转速;同时，该信号经过另一个信号回路的处理同样生成电信号Iu，用以驱动电机改变给水调节阀的开度Kv，从而使二回路的给水流量和给水泵出口端压力都得到有效调节，保证了蒸汽发生器的给水流量能满足控制要求。
　　2 给水泵与给水调节阀间的耦合效应
　　多变量过程控制系统有一个显著且不可忽视的特性：控制变量之间存在耦合效应。这种耦合效应对核电站二回路运行的影响可以用“小问题，大麻烦”来概括。因为耦合效应对于多变量输入输出控制系统是固有特性，对于核电站而言，频繁的控制参数波动可能使回路间的耦合效应形成叠加，将耦合扰动放大，最终导致回路运行的不稳定。结合图1可以通过数学模型和计算机仿真技术，来显示汽轮给水泵或电动给水泵与给水调节阀各自的变量控制对对方的影响情况。
　　给水泵转速N的调节变量为水泵进汽量的变化量ΔF或电机的驱动电压差ΔV，这里通过PID调节器统统变换为电流信号I（n）;给水调节阀的开度Kv通过调节阀驱动电机输入电流信号I（u）来控制，控制对象分别为给水流量Q和给水泵出口压力P。引入传递函数矩阵来表述控制变量I（n）、I（u）与被调参数Q、P（t）之间的数学模型，令：
　　其中，G（s）中各传递函数模块定义如下：
　　即G（s）的对角元素表示图1中耦合控制系统中两个主通道（即水泵转速调节通道和给水阀开度调节通道）的传递函数，而非对角元素表示两个耦合通道的传递函数，从而有下式成立：
　　C（s）=G（s）M（s）（1）
　　用控制理论中经典的控制方块图，将式（1）中各传递函数包含的控制环节及各环节间的耦合关系表示出来，如图2所示。
　　依据文献[无模型控制方法对多变量耦合系统控制的应用研究]给出的同类型给水泵与调节阀传递函数，给出式（1）中G（s）的矩阵传递函数：
　　在泵和阀的耦合模型中，泵出口压力（压头）P和流量G各主通道的调节器传递函数R11（s）和R22（s）（见图2）均采用常用的PID结构，其通用传递函数形式为：
　　根据专著[多变量过程控制系统解耦理论]中的PID控制器参数整定方法，对式（7）中的比例、微分、积分常数进行整定后得到如下结果：
　　得到各调节通道的主调节器传递函数后，利用Simulink对图2中的耦合系统进行仿真。假设总仿真时间为900s，在300s时给阀门控制电流-20mA的阶跃扰动且此时电泵电机电流无扰动，在600s时给电泵电机电流-20mA的扰动且阀门控制电流不变。图3给出了给水调节系统中给水压力和给水流量的动态响应情况。
　　图3中给水流量和压力的动态响应曲线的情况，说明给水泵和给水调节阀同时存在的给水调节系统中，确实存在着相互影响的耦合关系。
　　耦合效应的存在使得对蒸汽发生器给水量的扰动因素大大增加，汽轮给水泵进汽量的调节、给水调节阀开度的变化、供电网络的不稳定等都有可能使给水流量产生持续波动，进而使蒸汽发生器水位发生波动，使系统运行的平衡性遭到破坏。 　　图4说明了核电站在不同负荷工况下，当蒸汽发生器给水流量阶跃变化时，蒸汽发生器的液位波动情况。
　　3 解决办法
　　针对耦合效应对蒸汽发生器液位调节的不良影响，工程研究人员提出了诸多的解决办法，如：简化给水调节系统的结构、改变给水泵和阀等设备的特性等。在工程上应用较多是在控制通道中加入解耦控制器来解决多变量耦合问题。
　　多变量控制系统的解耦思想比较简单。对于蒸汽发生器给水调节系统来讲，即针对在给水泵转速（给水压力P）控制通道和给水调节阀开度（给水流量Q）控制通道的耦合环节，开发反向解耦控制器，减弱图2中耦合环节G11（s）和G21（s）对主调节通道的影响。利用多变量过程控制系统解耦理论中的经典解耦算法，可得到图2中两个耦合环节的解耦传递函数：
　　由于式（8）的传递函数在实际系统中难以实现，所以取其近似环节：
　　解耦控制器在控制通道的插入点的选择原则请见多变量过程控制系统解耦理论的详解。根据双输入双输出过程控制通道解耦控制器的插入原则，可以建立加入解耦控制器的给水调节系统仿真模型。并可以得到加入解耦控制器后的给水调节系统，在阶跃扰动下的动态响应情况，如图5所示。
　　从图5可以看出，加入解耦控制器后，不仅使得扰动信号本身被大大抑制，扰动叠加到耦合效应对另一个被控参数的扰动也被大大削弱，明显体现出了加入解耦控制器的优势所在。
　　同时必须指出的是，解耦控制只能最大限度削弱耦合效应，不能完全消除耦合效应的存在。
　　参考文献
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