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CN112394639B - 带有增量式调节功能的核电机组控制棒调节方法及系统 - Google Patents

带有增量式调节功能的核电机组控制棒调节方法及系统 Download PDF

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CN112394639B
CN112394639B CN202011315151.8A CN202011315151A CN112394639B CN 112394639 B CN112394639 B CN 112394639B CN 202011315151 A CN202011315151 A CN 202011315151A CN 112394639 B CN112394639 B CN 112394639B
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张瑞祥
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Abstract

本发明公开了一种带有增量式调节功能的核电机组控制棒调节方法及系统，包括以下步骤：1)计算用于负荷PID调节的负荷修正值；2)计算用于功率PID调节的功率修正值；3)计算用于棒位PID调节的控制棒位修正值；4)将用于负荷PID调节的负荷修正值、用于功率PID调节的功率修正值及用于棒位PID调节的控制棒位修正值输入到T模块进行三冲量控制，再根据T模块输出控制反应堆，该方法及系统能够实现核电机组控制棒的精确控制。

Description

带有增量式调节功能的核电机组控制棒调节方法及系统
技术领域
本发明属于核能科学与工程领域，涉及一种带有增量式调节功能的核电机组控制棒调节方法及系统。
背景技术
核电机组协调控制系统是将整个核动力装置作为一个整体进行控制，采用递阶控制系统结构，把自动调节、逻辑控制、联锁保护等功能有机地结合起来，构成一种具有多种控制功能，满足不同运行方式和不同工况下控制要求的综合控制系统。基于现代控制理论的核电机组协调控制系统是目前的发展方向。高温气冷堆核电站采用多台反应堆和一台汽轮发电机组进行系统组合，是一个多输入多输出的复杂大系统，各控制量与被调量之间都存在紧密的耦合关系，现有的高温气冷堆协调控制系统采用了大系统递阶串级控制方案，将控制结构由上到下分为功率分配控制层、协调控制层和局部控制层。其中局部控制层用于实现所有操作变量的单回路控制，包括核功率控制、氦气流量控制、给水流量控制，汽轮机调节级压力控制；协调控制层用于实现所有被控变量的协调控制，包括热氦温度控制、蒸汽发生器出口蒸汽温度控制、反应堆输出热功率控制和汽轮机转速控制；功率分配控制层用于实现多个反应堆模块和汽轮发电机组的功率分配。
由于高温气冷堆堆芯温度高，堆芯结构复杂，高温气冷堆控制棒具有行程较长，重量较重的特点。常规的控制棒驱动机构无法在高温气冷堆高温运行工况和控制棒长行程位移下实现传动可靠、棒位准确定位功能。因此，高温气冷堆控制棒驱动机构采用了带有磁阻尼器的步进电机。高温气冷堆控制棒控制变量受设备内部结构属性和外部运行工况的共同作用，其控制特性是非线性的，并具有分布参数和时变特性，目前还难以做到精确控制。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种带有增量式调节功能的核电机组控制棒调节方法及系统，该方法及系统能够实现核电机组控制棒的精确控制。
为达到上述目的，本发明所述的带有增量式调节功能的核电机组控制棒调节方法包括以下步骤：
1)获取机组负荷测量值，将机组负荷设定值与机组负荷测量值进行偏差计算得到第一负荷偏差值，根据机组功率设定值计算得到负荷计算值，负荷计算值与机组负荷测量值进行偏差计算得到第二负荷偏差值，第一负荷偏差值与第二负荷偏差值进行加权计算，得用于负荷PID调节的负荷修正值；
2)获取机组功率测量值，将机组功率设定值和机组功率测量值进行偏差计算得到功率偏差值，再根据功率偏差值计算用于功率PID调节的功率修正值；
3)获取控制棒位测量值，根据机组功率测量值计算得到控制棒位计算值，将控制棒位计算值与控制棒位测量值进行偏差计算得到第一控制棒位偏差值，第一控制棒位偏差值经增量计算及惯性环节调节，然后与经历史运行数据库拟合后的控制棒位设定值进行偏差计算得到第二控制棒位偏差值，然后根据第二控制棒位偏差值计算用于棒位PID调节的控制棒位修正值；
4)将用于负荷PID调节的负荷修正值、用于功率PID调节的功率修正值及用于棒位PID调节的控制棒位修正值输入到T模块进行三冲量控制，再根据T模块输出控制反应堆。
一种带有增量式调节功能的核电机组控制棒调节系统包括：
第一计算模块，用于获取机组负荷测量值，将机组负荷设定值与机组负荷测量值进行偏差计算得到第一负荷偏差值，根据机组功率设定值计算得到负荷计算值，负荷计算值与机组负荷测量值进行偏差计算得到第二负荷偏差值，第一负荷偏差值与第二负荷偏差值进行加权计算，得用于负荷PID调节的负荷修正值；
第二计算模块，用于获取机组功率测量值，将机组功率设定值和机组功率测量值进行偏差计算得到功率偏差值，再根据功率偏差值计算用于功率PID调节的功率修正值；
第三计算模块，用于获取控制棒位测量值，根据机组功率测量值计算得到控制棒位计算值，将控制棒位计算值与控制棒位测量值进行偏差计算得到第一控制棒位偏差值，第一控制棒位偏差值经增量计算及惯性环节调节，然后与经历史运行数据库拟合后的控制棒位设定值进行偏差计算得到第二控制棒位偏差值，然后根据第二控制棒位偏差值计算用于棒位PID调节的控制棒位修正值；
控制模块，用于将用于负荷PID调节的负荷修正值、用于功率PID调节的功率修正值及用于棒位PID调节的控制棒位修正值输入到T模块进行三冲量控制，再根据T模块输出控制反应堆。
第一计算模块包括负荷设定模块、负荷测量模块、第一偏差模块、第一PID模块、第一函数求解器、第二偏差模块、第二PID模块及求和计算器；
负荷设定模块的输出端及负荷测量模块的输出端与第一偏差模块的输入端相连接；第一偏差模块的输出端与求和计算器的第一输入端相连接，负荷测量模块的第二输出端与第二偏差模块的第一输入端相连接，第一函数求解器的输入端与第二计算模块的输出端相连接，第一函数求解器的输出端与第二偏差模块的第二输入端相连接，第二偏差模块的输出端与求和计算器的第二输入端相连接，求和计算器的输出端与第一PID模块的输入端相连接，第一PID模块的输出端与T模块的第一输入端相连接。
第二计算模块包括功率设定模块、功率测量模块、第三偏差模块、第二PID模块、T模块和反应堆手动/自动主控模块，其中，功率设定模块的输出端与第一函数求解器的输入端及第三偏差模块的第一输入端相连接，功率测量模块的输出端与第三偏差模块的第二输入端及第二函数求解器的输入端相连接，第三偏差模块的输出端与第二PID模块的输入端相连接，第二PID模块的输出端与T模块的第二输入端相连接。
第三计算模块包括控制棒位测量模块、第二函数求解器、第四偏差模块、第一增量计算器、第一惯性环节模块、第二增量计算器、第二惯性环节模块、第三PID模块、第五偏差模块、历史运行数据库模块及控制棒位设定模块；
第二函数求解器的输出端与第四偏差模块的第一输入端相连接，控制棒位测量模块的输出端与第四偏差模块的第二输入端相连接，第四偏差模块的输出端与第一增量计算器的第一输入端相连接，第一增量计算器的输出端与第一惯性环节模块的输入端相连接，第一惯性环节模块的输出端与第二增量计算器的第一输入端相连接，第二增量计算器的输出端与第二惯性环节模块的输入端相连接，第二惯性环节模块的输出端与第五偏差模块的第一输入端及第三PID模块的输入端相连接，第三PID模块的输出端与T模块的第三输入端相连接，历史运行数据库模块的输出端与控制棒位设定模块的输入端相连接，控制棒位设定模块的输出端与第五偏差模块的第二输入端相连接，第五偏差模块的输出端与第一增量计算器的第二输入端及第二增量计算器的第二输入端相连接。
控制模块包括反应堆手动/自动主控模块，T模块的输出端与反应堆手动/自动主控模块的输入端相连接。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的带有增量式调节功能的核电机组控制棒调节方法及系统在具体操作时，增加增量计算器和惯性环节作为控制棒位变量的前馈，以便快速跟踪控制变量的变化趋势，修正控制变量的输出，有效克服反应堆主控回路PID调节器的输出特性和反应堆调节惯性所引起的功率过调或振荡的现象，对反应堆稳定性起到关键作用，其中，增量计算器建立在非线性受控系统基础上，对于非线性分布的控制变量扰动，更具有控制稳定性及精确性，尤其在机组变工况运行时，控制回路能够及时跟踪参数变化，提高高温气冷堆控制系统的鲁棒性，惯性环节自带负反馈闭环特性，其幅值随着频率的增大而减小，因而具有低通滤波的功能。
附图说明
图1为本发明的逻辑图；
图2为T模块20的控制逻辑图。
其中，1为第一计算模块、2为第二计算模块、3为第三计算模块、4为第一偏差模块、5为第二偏差模块、6为第三偏差模块、7为第四偏差模块、8为第五偏差模块、9为第一函数求解器、10为第二函数求解器、11为第一PID模块、12为第二PID模块、13为第三PID模块、14为求和计算器、15为控制棒位设定模块、16为第一增量计算器、17为第二增量计算器、18为第一惯性环节模块、19为第二惯性环节模块、20为T模块。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参考图2，本发明所述的带有增量式调节功能的核电机组控制棒调节方法包括以下步骤：
1)获取机组负荷测量值，将机组负荷设定值与机组负荷测量值进行偏差计算得到第一负荷偏差值，根据机组功率设定值计算得到负荷计算值，负荷计算值与机组负荷测量值进行偏差计算得到第二负荷偏差值，第一负荷偏差值与第二负荷偏差值进行加权计算，得用于负荷PID调节的负荷修正值；
2)获取机组功率测量值，将机组功率设定值和机组功率测量值进行偏差计算得到功率偏差值，再根据功率偏差值计算用于功率PID调节的功率修正值；
3)获取控制棒位测量值，根据机组功率测量值计算得到控制棒位计算值，将控制棒位计算值与控制棒位测量值进行偏差计算得到第一控制棒位偏差值，第一控制棒位偏差值经增量计算及惯性环节调节，然后与经历史运行数据库拟合后的控制棒位设定值进行偏差计算得到第二控制棒位偏差值，然后根据第二控制棒位偏差值计算用于棒位PID调节的控制棒位修正值。
4)将用于负荷PID调节的负荷修正值、用于功率PID调节的功率修正值及用于棒位PID调节的控制棒位修正值输入到T模块20进行三冲量控制，再根据T模块20输出控制反应堆。
参考图1，本发明所述的带有增量式调节功能的核电机组控制棒调节系统包括：
第一计算模块1包括负荷设定模块、负荷测量模块、第一偏差模块4、第一PID模块11、第一函数求解器9、第二偏差模块5、第二PID模块12及第一求和计算器14；
负荷设定模块的输出端及负荷测量模块的输出端与第一偏差模块4的输入端相连接；第一偏差模块4的输出端与求和计算器14的第一输入端相连接。负荷测量模块的第二输出端与第二偏差模块5的第一输入端相连接，第一函数求解器9的输入端与功率设定模块的输出端相连接，第一函数求解器9的输出端与第二偏差模块5的第二输入端相连接，第二偏差模块5的输出端与求和计算器14的第二输入端相连接，求和计算器14的输出端与第一PID模块11的输入端相连接，第一PID模块11的输出端与T模块20的第一输入端相连接。
第二计算模块2包括功率设定模块、功率测量模块、第三偏差模块6、第二PID模块12、T模块20和反应堆手动/自动主控模块，其中，功率设定模块的输出端与第一函数求解器9输入端及第三偏差模块6的第一输入端相连接，功率测量模块的输出端与第三偏差模块6的第二输入端及第二函数求解器10的输入端相连接，第三偏差模块6的输出端与第二PID模块12的输入端相连接，第二PID模块12的输出端与T模块20的第二输入端相连接，T模块20的输出端与反应堆手动/自动主控模块输入端相连接。
第三计算模块3包括控制棒位测量模块、第二函数求解器10、第四偏差模块7、第一增量计算器16、第一惯性环节模块18、第二增量计算器17、第二惯性环节模块19、第三PID模块13、第五偏差模块8、历史运行数据库模块及控制棒位设定模块15；
第二函数求解器10的输出端与第四偏差模块7的第一输入端相连接，控制棒位测量模块的输出端与第四偏差模块7的第二输入端相连接，第四偏差模块7的输出端与第一增量计算器16的第一输入端相连接，第一增量计算器16的输出端与第一惯性环节模块18的输入端相连接，第一惯性环节模块18的输出端与第二增量计算器17的第一输入端相连接，第二增量计算器17的输出端与第二惯性环节模块19的输入端相连接，第二惯性环节模块19的输出端与第五偏差模块8的第一输入端及第三PID模块13的输入端相连接，第三PID模块13的输出端与T模块20的第三输入端相连接，历史运行数据库模块的输出端与控制棒位设定模块15的输入端相连接，控制棒位设定模块15的输出端与第五偏差模块8的第二输入端相连接，第五偏差模块8的输出端与第一增量计算器16的第二输入端及第二增量计算器17的第二输入端相连接。
第一计算模块1、第二计算模块2、第三计算模块3包含的计算公式说明如下：
第一偏差模块4的计算公式为：ΔP1＝P1-P2，其中，P1、P2、ΔP1分别为负荷设定值、负荷测量值和负荷偏差。
第一函数求解器9的计算公式为：
Figure BDA0002791119820000091
其中，f(xi)为反应堆功率对应的负荷计算值，xi为第i座反应堆热功率；μi为比例系数。
第二偏差模块5的计算公式为：
Figure BDA0002791119820000092
第一求和计算器14的计算公式为：x＝∑[aΔP1+bΔP2]，其中，x为总负荷偏差，a、b为负荷偏差权重系数。
第一PID模块11的计算公式为：
Figure BDA0002791119820000093
KP为比例系数，KI为积分系数，KD为微分系数，x为总负荷偏差，y为负荷PID调节量。
第三偏差模块6的计算公式为：ΔP3＝P3-P4，其中，P3、P4、ΔP3分别为反应堆功率设定值、反应堆功率测量值和反应堆功率偏差。
第二PID模块12计算公式为：
Figure BDA0002791119820000094
KP比例系数，KI为积分系数，KD为微分系数，x为反应堆功率偏差，y为功率PID调节量。
第二函数求解器10的计算公式为：f(xi)＝μixi，其中，f(xi)为功率对应的控制棒棒位计算值，xi为第i座反应堆热功率，μi为比例系数。
第四偏差模块7的计算公式为：ΔP4＝f(xi)-Y1，其中，Y1、ΔP4分别为控制棒位测量值和控制棒位第一偏差值。
第一增量计算器16及第二增量计算器17的计算公式为：
Figure BDA0002791119820000101
其中，Yi为增量后控制棒位值，ai、bi为增量加速系数。
第一惯性环节模块18和第二惯性环节模块19的运动方程为：
Figure BDA0002791119820000102
其中，T为时间常数，K为惯性环节增益。
第五偏差模块8的计算公式为：ΔP5＝Yi-Y2，其中，Y2、ΔP5分别为经历史运行数据拟合的控制棒位值和控制棒棒位第二偏差值。
第三PID模块13计算公式为：
Figure BDA0002791119820000103
KP比例系数，KI为积分系数，KD为微分系数，x为控制棒棒位偏差，y为控制棒PID调节量。
T模块20实现反应堆功率三冲量调节功能，其控制策略如图2所示。
最后需要说明的是，本发明提高了反应堆变工况运行方式下控制回路调节的稳定性和灵活性，为核电机组后续参与电网调峰调频提供了控制思路，同时本发明基于长期运行中反应堆功率与控制棒位实际对应关系的拟合曲线，得出不同运行工况下功率与控制棒位的函数关系，并对所述控制棒位设定值进行前馈整定，提高了控制系统的快速响应性。

Claims (6)

1.一种带有增量式调节功能的核电机组控制棒调节方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)获取机组负荷测量值，将机组负荷设定值与机组负荷测量值进行偏差计算得到第一负荷偏差值，根据机组功率设定值计算得到负荷计算值，负荷计算值与机组负荷测量值进行偏差计算得到第二负荷偏差值，第一负荷偏差值与第二负荷偏差值进行加权计算，得用于负荷PID调节的负荷修正值；
2)获取机组功率测量值，将机组功率设定值和机组功率测量值进行偏差计算得到功率偏差值，再根据功率偏差值计算用于功率PID调节的功率修正值；
3)获取控制棒位测量值，根据机组功率测量值计算得到控制棒位计算值，将控制棒位计算值与控制棒位测量值进行偏差计算得到第一控制棒位偏差值，第一控制棒位偏差值经增量计算及惯性环节调节，然后与经历史运行数据库拟合后的控制棒位设定值进行偏差计算得到第二控制棒位偏差值，然后根据第二控制棒位偏差值计算用于棒位PID调节的控制棒位修正值；
4)将用于负荷PID调节的负荷修正值、用于功率PID调节的功率修正值及用于棒位PID调节的控制棒位修正值输入到T模块(20)进行三冲量控制，再根据T模块(20)输出控制反应堆。
2.一种带有增量式调节功能的核电机组控制棒调节系统，其特征在于，包括：
第一计算模块(1)，用于获取机组负荷测量值，将机组负荷设定值与机组负荷测量值进行偏差计算得到第一负荷偏差值，根据机组功率设定值计算得到负荷计算值，负荷计算值与机组负荷测量值进行偏差计算得到第二负荷偏差值，第一负荷偏差值与第二负荷偏差值进行加权计算，得用于负荷PID调节的负荷修正值；
第二计算模块(2)，用于获取机组功率测量值，将机组功率设定值和机组功率测量值进行偏差计算得到功率偏差值，再根据功率偏差值计算用于功率PID调节的功率修正值；
第三计算模块(3)，用于获取控制棒位测量值，根据机组功率测量值计算得到控制棒位计算值，将控制棒位计算值与控制棒位测量值进行偏差计算得到第一控制棒位偏差值，第一控制棒位偏差值经增量计算及惯性环节调节，然后与经历史运行数据库拟合后的控制棒位设定值进行偏差计算得到第二控制棒位偏差值，然后根据第二控制棒位偏差值计算用于棒位PID调节的控制棒位修正值；
控制模块，用于将用于负荷PID调节的负荷修正值、用于功率PID调节的功率修正值及用于棒位PID调节的控制棒位修正值输入到T模块(20)进行三冲量控制，再根据T模块(20)输出控制反应堆。
3.根据权利要求2所述的带有增量式调节功能的核电机组控制棒调节系统，其特征在于，第一计算模块(1)包括负荷设定模块、负荷测量模块、第一偏差模块(4)、第一PID模块(11)、第一函数求解器(9)、第二偏差模块(5)、第二PID模块(12)及求和计算器(14)；
负荷设定模块的输出端及负荷测量模块的输出端与第一偏差模块( 4) 的输入端相连接；第一偏差模块(4)的输出端与求和计算器(14)的第一输入端相连接，负荷测量模块的第二输出端与第二偏差模块(5)的第一输入端相连接，第一函数求解器(9)的输入端与第二计算模块(2)的输出端相连接，第一函数求解器(9)的输出端与第二偏差模块(5)的第二输入端相连接，第二偏差模块(5)的输出端与求和计算器(14)的第二输入端相连接，求和计算器(14)的输出端与第一PID模块(11)的输入端相连接，第一PID模块(11)的输出端与T模块(20)的第一输入端相连接。
4.根据权利要求3所述的带有增量式调节功能的核电机组控制棒调节系统，其特征在于，第二计算模块(2)包括功率设定模块、功率测量模块、第三偏差模块(6)、第二PID模块(12)、T模块(20)和反应堆手动/自动主控模块，其中，功率设定模块的输出端与第一函数求解器(9)的输入端及第三偏差模块(6)的第一输入端相连接，功率测量模块的输出端与第三偏差模块(6)的第二输入端及第二函数求解器(10)的输入端相连接，第三偏差模块(6)的输出端与第二PID模块(12)的输入端相连接，第二PID模块(12)的输出端与T模块(20)的第二输入端相连接。
5.根据权利要求4所述的带有增量式调节功能的核电机组控制棒调节系统，其特征在于，第三计算模块(3)包括控制棒位测量模块、第二函数求解器(10)、第四偏差模块(7)、第一增量计算器(16)、第一惯性环节模块(18)、第二增量计算器(17)、第二惯性环节模块(19)、第三PID模块(13)、第五偏差模块(8)、历史运行数据库模块及控制棒位设定模块(15)；
第二函数求解器(10)的输出端与第四偏差模块(7)的第一输入端相连接，控制棒位测量模块的输出端与第四偏差模块(7)的第二输入端相连接，第四偏差模块(7)的输出端与第一增量计算器(16)的第一输入端相连接，第一增量计算器(16)的输出端与第一惯性环节模块(18)的输入端相连接，第一惯性环节模块(18)的输出端与第二增量计算器(17)的第一输入端相连接，第二增量计算器(17)的输出端与第二惯性环节模块(19)的输入端相连接，第二惯性环节模块(19)的输出端与第五偏差模块(8)的第一输入端及第三PID模块(13)的输入端相连接，第三PID模块(13)的输出端与T模块(20)的第三输入端相连接，历史运行数据库模块的输出端与控制棒位设定模块(15)的输入端相连接，控制棒位设定模块(15)的输出端与第五偏差模块(8)的第二输入端相连接，第五偏差模块(8)的输出端与第一增量计算器(16)第二输入端及第二增量计算器(17)的第二输入端相连接。
6.根据权利要求2所述的带有增量式调节功能的核电机组控制棒调节系统，其特征在于，控制模块包括反应堆手动/自动主控模块，T模块(20)的输出端与反应堆手动/自动主控模块的输入端相连接。
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