АЭС процессов. Событийное моделированиесистемы автоматическогорегулированияпитания парогенератора
 Скачать 359.11 Kb.
|
|
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (93 ) 20 ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕ ХН ОЛО ГИИ СОБЫТИЙНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ПИТАНИЯ ПАРОГЕНЕРАТОРА ЭНЕРГОБЛОКА АЭС Л. А. ДЕНИСОВА Е. М. РАСКИН Омский государственный технический университет ЗАО «Автоматика-Э», г. Омск Представлена математическая модель системы питания парогенератора энергоблока АЭС с переменными параметрами, реализованная средствами событийного моделирования MATLAB/Simulink/Stateflow. Проведены динамические испытания системы автоматического регулирования питания парогенератора. Ключевые слова математическая модель питания парогенератора, событийное моделирование, передаточные функции с переменными параметрами, система регулирования уровня воды. УДК В ЗАО «Автоматика-Э» разработан программно- технический комплекс (ПТК) для модернизации системы автоматического регулирования (САР) питания парогенераторов (ПГ) энергоблоков № 3, Кольской АЭС на базе цифровых локальных регуляторов ВЛР-2.1, созданных по заданию ОАО Концерн «Росэнергоатом». Система питания парогенератора является одним из важнейших элементов энергоблока АЭС с ВВЭР, от надежной и экономичной работы которого зависят показатели работы всего энергоблока. Поэтому разработка системы автоматического регулирования питания парогенератора, обеспечивающей поддержание параметров ПГ в пределах требований нормальной эксплуатации энергоблока, является важной задачей. ПТК САР ПГ предназначен для поддержания материального баланса между отводом пара и подачей питательной воды при заданном уровне воды в ПГ во всех режимах работы энергоблока. Регулируемым параметром является уровень воды в ПГ, управляющим воздействием – расход питательной воды, а возмущающим воздействием – расход пара турбиной, изменяющийся при изменении мощности турбины. На уровень воды также оказывают влияние изменения мощности реактора, теплоподвода со стороны первого контура и другие факторы [1]. При действии этих возмущений проявляется характерное для парогенератора явление набухания уровня, то есть изменение его в начальные моменты времени в сторону, несоответствующую знаку материального небаланса между расходами пара и воды, что само по себе неблагоприятно для регулирования уровня. К стабилизации уровня воды в ПГ предъявляются довольно жесткие требования. Для ПГ с ВВЭР-400 номинальный уровень воды 1900 мм. Точность поддержания заданного уровняв стационарных режимах мм. Допустимый динамический заброс при изменении нагрузки ±75 мм. Повышение уровня воды от номинального не допускается из-за возможности заброса пара в турбину, снижение уровня — для предотвращения оголения поверхности нагрева. ПТК САР ПГ формирует управляющие воздействия на электроприводы основного и пускового регулирующих питательных клапанов (РПК), через которые осуществляется подача воды из напорного коллектора в парогенератор, обогреваемый теплоносителем первого контура энергоблока. Для настройки и испытаний ПТК САР ПГ на соответствие техническим требованиям необходима адекватная математическая модель системы питания парогенератора. В связи стем, что динамические свойства парогенератора при действии возмущающих факторов различной природы отличаются то математическая модель питания ПГ не может быть представлена только лишь передаточными функциями с постоянными параметрами. В данной работе предлагается математическая модель САР питания парогенератора с переменными параметрами, реализованная в интерактивной среде для выполнения научных и инженерных расчетов с входящими в его состав пакетами расширения и Stateflow В рамках стандартного набора MATLAB, включающего программу Simulink, строится модель САР ПГ, передаточные функции которой имеют постоянные параметры. С целью реализации передаточных функций объекта регулирования, параметры которых меняются в зависимости от режима работы, в модель включаются Stateflow-диаграммы. Пакет событийного моделирования основанный на теории конечных автоматов, предоставляет инновационные возможности моделирования процессов, управляемых событиями, реализуя графические функции и операторы темпоральной логики. В модели САР питания парогенератора диаграммы позволяют моделировать не только передаточные функции с изменяемыми параметрами, но и логику переключений ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (93 ) 2 0 10 ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ h dG,T/h Model PG _SF perturbation action , % limit 1 -C- limit -C- condition 1 ZADANIE 0 Transport Delay TOU PG Gw_po,kg/c perturb,% select h, mm Gp,kg/c Gw,kg/c ShiftLogic condt step1 select S6 S5 REGUL EPS Out_REG Pulse Generator 1 OUT REG Memory2 Memory LEVEL3 LEVEL2 LEVEL1 K_ OC -K- Gw FEED VALVE Ureg Gw, kg/c EPS Abs |u| REGUL Out_ REG 1 Transfer Fcn1 num(s) den(s) Relay 1 Relay K _ ocp -K- K _ imp -K- Gain управляющей части моделируемой системы. В зависимости от режима работы САР ПГ, определяемого возмущениями на энергоблоке, с помощью диаграмм состояний и переходов Stateflow меняются параметры модели парогенератора. На рис. 1 приведена модель САР ПГ, предназначенная для исследования системы регулирования при различных возмущающих воздействиях. Модель содержит следующие подсистемы подсистему REGUL (рис. 2), представляющую собой модель импульсного регулятора, в схеме которого входящее в его состав трехпозиционное релейное звено с гистерезисом представлено двумя двухпозиционными реле для входных сигналов разной полярности учтены местные обратные связи. Сигнал рассогласования на входе в регулятор формируется взвешенным суммированием сигналов заданного, текущего значений уровня, а также расходов пара и питательной воды подсистему FEED VALVE (рис. 3), представляющую собой модель регулирующего питательного клапана с исполнительным механизмом, представленную интегрирующим звеном, звеном ограничения и усилительными звеньями, реализующими коэффициенты передачи в соответствии с пропускной способностью клапана подсистему TOU PG моделирования технологического объекта управления — парогенератора. Stateflow-диаграмма ShiftLogic осуществляет логику переключений режимов работы системы, как это показано на рис. Графическая диаграмма ShiftLogic содержит три состояния, переходы между которыми осуществляются VALVE Gw, kg/c 1 PK,% PK 1 s Kpk, %/c -K- KGw , Рис. 3. Схема подсистемы FEED VALVE — регулирующего питательного клапана Рис. 1. Схема моделирования САР ПГ в среде Рис. 2. Схема подсистемы REGUL — импульсного регулятора ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (93 ) 20 ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ PG Gw,kg/c 3 Gp,kg/c 2 h, mm 1 sel dpar ,T/h1 dGw,kg/c dGp, kg/c -C- Transfer Fcn5 -1.1 40s+1 Transfer Fcn4 3.6 5s+1 Transfer Fcn3 2. 78 10s+1 Transfer Fcn2 num (s) den(s) Transfer Fcn1 num (s) den(s) TOU 1 s Ktou , mm/kg/c -K- select 3 perturb,% 2 Gw_po, в зависимости от режима работы, то есть действующих возмущений, и модельного времени. Выходом диаграммы ShiftLogic является параметр select, от значения которого, в свою очередь зависят параметры передаточных функций объекта управления. Состояние активизируется по умолчанию, при этом выходная переменная select устанавливается равной исходному значению, соответствующему невозмущенному состоянию системы. Для перехода в состояние state3 используется функцию темпоральной (временной) логики. Временной логический оператор after – двоичный оператор, операндами которого является количество Stateflow- событий. Выражение Рис. 4. Диаграмма ShiftLogic логики переключений режимов САР ПГ Рис. 5. Схема моделирования ПГ в среде при возмущении расходом теплоносителя через ПГ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (93 ) 2 0 10 ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ PG Gw, kg/c 3 Gp, kg/c 2 h, mm 1 trf3 select xi y trf2 select xi y trf 1 select xi y dpar,T /h1 dGw,kg/c dGp, kg/c -C- Transfer Fcn2 num(s) den(s) Transfer Fcn1 num (s) den(s) TOU 1 s Ktou, mm /kg/c -K- означает покинуть состояние state1, если на вход поступил единичный скачок, ноне ранее чем через временных циклов (наступлений событий При этом осуществляется переход в состояние и параметру select присваивается значение заданное при запуске процесса моделирования. События «event_c» задаются в модели Simulink- блоком Pulse Generator (генератор импульсов), переменная step1 принимает ненулевое значение при наличии возмущения, формируемого Simulink- блоком Perturbation Action. Переход в состояние state2 происходит через с модельного времени, при этом восстанавливается исходное значение переменной Рассмотрим подробнее подсистему TOU предназначенную для моделирования собственно Рис. 6. Схема моделирования ПГ в среде Рис. 7. диаграмма Trf1, реализующая передаточную функцию апериодического звена с переменными параметрами ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (93 ) 20 ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 150 200 250 300 310 320 330 340 350 t,c расход ,Тч ас 150 200 250 300 -60 -40 -20 0 t,c уровень мм 150 200 250 300 -2 -1 0 1 2 t,c выход регулятора положение РК ,% от кр расход пит.воды расход пара парогенератора. Подсистема TOU PG имеет три входа расход питательной воды от регулирующего клапана, параметры Perturb – возмущение, и select, определяющий режим работы системы. Выходными переменными являются уровень воды в ПГ, расходы пара и питательной воды с учетом их взаимного влияния. Значения параметров данной линейной модели ПГ получены на основе значений конструктивных и технологических параметров оборудования, а также путем аппроксимации динамических характеристик ПГ, рассчитанных по нелинейной модели энергоблока. Уровень воды в парогенераторе является интегралом от материального небаланса между расходами пара и питательной воды. При моделировании динамических свойств ПГ по уровню воды каждый из каналов воздействий описывается суммой интегрального и апериодического звеньев, а интегрирующее звено является общим для обоих каналов Кроме того, в модели ПГ присутствуют апериодические звенья, необходимые для моделирования взаимного влияния возмущающих воздействий по расходам пара и воды. На рис. 5 приведена модель парогенератора, предназначенная для исследования системы регулирования в режиме возмущения мощностью реактора. Тенью выделены блоки, реализующие передаточные функции апериодических звеньев сиз- меняемыми параметрами. Для моделирования передаточных функций сиз- меняемыми параметрами, зависящими от исследуемого режима, воспользуемся средствами В модели объекта управления заменим передаточные функции с переменными параметрами Stateflow- диаграммами. Модель ПГ принимает следующий вид (рис. Кадр диаграммы Trf1, реализующей одну из передаточных функций апериодического звена с переменными параметрами, приведен на рис. диаграмма Trf1 вызывается на каждом шаге моделирования. Графическая функция f1 реализует передаточные функции апериодических звеньев с переменными параметрами. При реализации средствами MATLAB/Simulink передаточная функция апериодического звена причем ее параметры k — коэффициент передачи и T — динамическая постоянная звена, могут быть заданы только своими численными значениями. Соответствующая дискретная модель, которая реализуется графической функцией f1, задается в виде аппроксимирующего разностного уравнения [5] , x h T kh y h T T y t t t + + + = -1 где h — такт дискретизации x t , y t (y t-1 ) — значения входного ивы- ходного сигналов в текущем (предыдущем) такте. Моделирование системы производится с тактом дискретизации h=0.1 с, так как с таким периодом дискретизации работают контуры регулирования тестируемого ПТК САР ПГ. В начальный момент активно состояние ожидания waiting, которое является общим источником для состояний. Переход из состояния waiting к одному из остальных четырех состояний происходит через подключаемое соединение (точку принятия решения). В зависимости от значения переменной select выполняется переход водно из состояний A - D, каждое из которых вызывает графическую функцию имея свой набор фактических параметров–коэф- фициентов передачи и постоянных времени реализуемой передаточной функции. Графическая функция возвращает в качестве результата выходной сигнал моделируемого звена. Графическая функция используется с целью упрощения Stateflow-модели: вместо того, чтобы определять значение выходной переменной внутри каждого из состояний, оно определяется единожды в графической функции. При завершении моделирования возмущенного состояния параметр select принимает соответствующее значение, и происходит возврат через подключаемое соединение в состояние ожидания Затем производится переход в состояние D, соответствующее режиму работы системы без возмущений (на работающей диаграмме состояние D активно выделено цветом). С помощью разработанной модели питания парогенератора выполнены настройка каналов регулирования ПТК САР ПГ и тестовые расчеты динамических характеристик в переходных режимах с глубокими изменениями нагрузки различной природы. Расчеты переходных характеристик парогенератора сделаны при возмущении изменением расхода теплоносителя первого контура через ПГ Рис. 8. Переходные характеристики САР ПГ при возмущении расходом теплоносителя через ПГ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (93 ) 2 0 10 ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕ ХН ОЛ О ГИИ на 10 % на й секунде. При снижении расхода теплоносителя первого контура расход пара падает, а расход воды увеличивается из-за снижения давления в ПГ. На рис. 8 приведены результаты расчета одного из возмущенных режимов работы парогенератора: при скачкообразном снижении расхода теплоносителя первого контура через ПГ-1 на 10 % на й секунде. Из графиков видно, что снижение расхода пара (на 28 т/ч) и сопутствующее повышение расхода питательной воды (на 4 т/ч) отрабатывается регулятором. Положение клапана в рабочем диапазоне меняется на 6 %, уровень в ПГ поддерживается в зоне требуемой точности, понизившись при возмущении из-за влияния набухания примерно на 12 мм, увеличивается в соответствии с разбалансом расходов воды и пара и далее поддерживается в зоне требуемой точности (±50 мм). В результате проведения динамических испытаний на разработанной модели питания парогенератора подтверждено, что ПТК САР ПГ обеспечивает поддержание параметров ПГ в пределах требований нормальной эксплуатации блока. Таким образом, использование математической модели питания парогенератора с переменными параметрами, созданной на основе инструментария событийного моделирования, позволяет не только наглядно и просто описать поведение сложного объекта управления, но ив короткие сроки провести испытание системы регулирования в различных режимах работы. Кроме того, разработанная модель пригодна не только для использования при испытаниях систем регулирования питания парогенераторов энергоблоков АЭС, но и для применения при разработке и настройке систем регулирования уровняв барабанах котлов энергоблоков тепловых электростанций, имеющих аналогичный принцип построения. Библиографический список. Иванов, В.А. Регулирование энергоблоков / В.А. Иванов. Л Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1982. – 311 с. Трофимов, АИ. Принципы построения автоматических регуляторов теплоэнергетических процессов АЭС / АИ. Трофимов, Н.Д. Егупов, Я.В. Слекеничс.–М.: Энергоатомиздат, 1999.–340 с. Дьяконов, В.П. MATLAB 6.5 SP1/7 + Simulink 5/6 в математике и моделировании / В.П. Дьяконов.–М.: Солон-Пресс, 2005. – 576 с. Демченко, В.А., Разработка математической модели участка питания парогенератора энергоблока с ВВЭР / В.А. Демченко, В.Ф. Ложечников // Тр. Одес. политехн. унта. – Одесса, 1999. Вып. 2(8). – С. 111–115. 5. Изерман, Р. Цифровые системы управления / Р. Изерман. М Мир, 1984. – 541 с. ДЕНИСОВА Людмила Альбертовна кандидат технических наук, доцент кафедры Автоматизированные системы обработки информации и управления» Омского государственного технического университета, старший научный сотрудник ЗАО «Автоматика-Э». РАСКИН Евгений Михайлович, кандидат технических наук, директор ЗАО «Автоматика-Э», доцент кафедры Автоматизированные системы обработки информации и управления Омского государственного технического университета. Адрес для переписки 644050, г. Омск, пр. Мира, Статья поступила в редакцию 04.06.2010 г Л. А. Денисова, ЕМ. Раскин СИСТЕМА РЕГУЛИРОВАНИЯ ДАВЛЕНИЯ В ГЛАВНОМ ПАРОВОМ КОЛЛЕКТОРЕ ЭНЕРГОБЛОКА АЭС Е. М. РАСКИН Л. А. ДЕНИСОВА Ж. В. ШИПИЛОВА ЗАО «Автоматика-Э», г. Омск Омский государственный технический университет Представлена система автоматического регулирования давления пара в главном паровом коллекторе энергоблока АЭС, созданная на базе цифровых локальных регуляторов. Приведены результаты динамических испытаний и оптимизации настроек системы. Ключевые слова быстродействующая редукционная установка, импульсная система регулирования, автоматизированное проектирование. УДК При эксплуатации энергоблоков АЭС возникают динамические режимы, сопровождающиеся повышением давления пара в главном паровом коллекторе (ГПК). Чрезмерный рост давления пара в ГПК, вызванный, как правило, недостаточным отводом тепла реактора прирезком снижении потребления пара турбогенератором (ТГ) приводит к срабатыванию быстродействующих редукционных установок сброса пара в конденсатор турбины (БРУ-К) Для модернизации системы автоматического регулирования (САР) БРУ-К энергоблоков № 3, Кольской АЭС и замены морально устаревшей |