Событийное моделирование системы автоматического регулирования питания парогенератора энергоблока АЭС

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (93) 2010

УДК 681.3

Л. А. ДЕНИСОВА Е. М. РАСКИН

Омский государственный технический университет

ЗАО «Автоматика-Э», г. Омск

СОБЫТИЙНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ПИТАНИЯ ПАРОГЕНЕРАТОРА ЭНЕРГОБЛОКА АЭС_________________________________________________

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.

В ЗАО «Автоматика-Э» разработан программнотехнический комплекс (ПТК) для модернизации системы автоматического регулирования (САР) питания парогенераторов (ПГ) энергоблоков № 3, 4 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, не соответствующую 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 уровня в стационарных режимах ±50 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 с тем, что динамические свойства парогенератора при действии возмущающих факторов различной природы отличаются [2], 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 МЛТЬЛБ с входящими в его состав пакетами расширения ЯтиИпк и 81а1еПсмг [3].

В рамках стандартного набора МЛТЬЛБ, включающего программу ЯтиИпк, 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 ЯтиИпк-модель включаются 81а1еАа^диаграммы. Пакет событийного моделирования 81а1еАс^ основанный на теории конечных автоматов, предоставляет инновационные возможности моделирования процессов, управляемых событиями, реализуя графические функции и операторы темпоральной логики. В модели САР питания парогенератора 81а1еПс^диаграммы позволяют моделировать не только передаточные функции с изменяемыми параметрами, но и логику переключений

Рис. 1. Схема моделирования САР ПГ в среде MATIAB/Simulink/Stateflow REGUL

Рис. 2. Схема подсистемы REGUL — импульсного регулятора FEED VALVE

Рис. 3. Схема подсистемы FEED VALVE — регулирующего питательного клапана

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 ЯЕСиЬ (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 взвешен-

ным 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. 4.

Графическая диаграмма ShiftLogic содержит три состояния, переходы между которыми осуществляются

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (93) 2010 ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (93) 2010

%

) Stateflow (chart) a_reg_PG_sf/ShiftLogic -ІДІ x|

File Edit View Simulation Tools Add Help 'it

& у & 1 * ъ a tfl  " m ф а і Щ  ”

А

î«

1201

Ready

Œ>

perturb, %

О-

Gw_po, kgte

Рис. 4. Диаграмма ShiftLogic логики переключений режимов САР ПГ

MODEL PG

-C-

3.6

5s+1

dGp, kg/c

num (s) > +

den (s) w

Transfer Fcn4

Ktou.mm/kg'c TOU

0.5

w

dGw, kg/c w

num

den

Transfer Fcn2

dpar ,T/h1

Рис. 5. Схема моделирования ПГ в среде MATLAB/Simulink при возмущении расходом теплоносителя через ПГ

-CD

Gp,kg/c

h,mm

-CD

Gw.kg^c

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 statel активизируется по умолчанию, при этом выходная переменная select устанавливается равной

исходному значению, соответствующему невозмущенному состоянию системы.

Для перехода в состояние state3 используется функцию AFTER темпоральной (временной) логики. Временной логический оператор after — двоичный оператор, операндами которого является количество Stateflow-событий. Выражение «after(5,event_c)[step>=1]»

Рис. 6. Схема моделирования ПГ в среде MATLAB/Simulink/Stateflow

Рис. 7. Stateflow-диаграмма ТгИ, реализующая передаточную функцию апериодического звена с переменными параметрами

означает: «покинуть состояние statel, если на вход поступил единичный скачок, но не ранее чем через 5 временных циклов (наступлений событий «event_c»)». При этом осуществляется переход в состояние state3, и параметру select присваивается значение condt, заданное при запуске процесса моделирования.

События «event_c» задаются в модели Simulink-блоком Pulse Generator (генератор импульсов),

переменная step 1 принимает ненулевое значение при наличии возмущения, формируемого Simulink-блоком Perturbation Action. Переход в состояние state2 происходит через 500с модельного времени, при этом восстанавливается исходное значение переменной select.

Рассмотрим подробнее подсистему TOU PG, предназначенную для моделирования собственно

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (93) 2010 ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (93) 2010

208

100

150

t,c

200

t,c

250

300

Рис. 8. Переходные характеристики САР ПГ при возмущении расходом теплоносителя через ПГ

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 [4]. 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 Simulink-блоки, реализующие передаточные функции апериодических звеньев с изменяемыми параметрами.

Для моделирования передаточных функций с изменяемыми параметрами, зависящими от исследуемого режима, воспользуемся средствами Stateflow. В модели объекта управления заменим передаточные функции с переменными параметрами Stateflow-диаграммами. Модель ПГ принимает следующий вид (рис. 6).

Кадр Stateflow-диаграммы Trfl, реализующей одну из передаточных функций апериодического звена с переменными параметрами, приведен на рис. 7. Stateflow-диаграмма Trfl вызывается на каждом шаге моделирования. Графическая функция fl реализует передаточные функции апериодических звеньев с переменными параметрами.

При реализации средствами MATLAB/Simulink передаточная функция апериодического звена

W(s) = 1, причем ее параметры: к — коэффициент

передачи и T — динамическая постоянная звена, могут быть заданы только своими численными значениями. Соответствующая дискретная модель, которая реализуется графической функцией fl, задается в виде аппроксимирующего разностного T kh

уравнения [5] yt = T+hyt~l + T + hXt' где h — такт

дискретизации; xt, yt (ytl) — значения входного и выходного 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 A - D. 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 в одно из состояний A - D, каждое из которых вызывает графическую функцию fl, имея свой набор фактических параметров-коэффициентов передачи и постоянных времени реализуемой передаточной функции. Графическая функция fl 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 waiting. 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

на 10 % на 150-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 150-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 и в 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 уровня в барабанах котлов энергоблоков тепловых электростанций, имеющих аналогичный принцип построения.

Библиографический список

1. Иванов, В.А. Регулирование энергоблоков: / В.А. Иванов. — Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1982. — 311 с.

2. Трофимов, А.И. Принципы построения автоматических регуляторов теплоэнергетических процессов АЭС / А.И. Трофимов, Н.Д.Егупов, Я.В. Слекеничс.—М.: Энергоатомиздат, 1999. — 340с.

3. Дьяконов, В.П. ЫЛТЬДВ 6.5 БР1/7 + Бішиїтк 5/6 в математике и моделировании / В.П. Дьяконов.—М.: Солон-Пресс, 2005. - 576 с.

4. Демченко, В.А., Разработка математической модели участка питания парогенератора энергоблока с ВВЭР / В.А. Демченко, В.Ф. Ложечников // Тр. Одес. политехн. ун-та. — 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, 11.

Статья поступила в редакцию 04.06.2010 г.

© Л. А. Денисова, Е. М. Раскин

УДК 6813 Е. М. РАСКИН

Л. А. ДЕНИСОВА Ж. В. ШИПИЛОВА

ЗАО «Автоматика-Э», г. Омск

Омский государственный технический университет

СИСТЕМА РЕГУЛИРОВАНИЯ ДАВЛЕНИЯ В ГЛАВНОМ ПАРОВОМ КОЛЛЕКТОРЕ ЭНЕРГОБЛОКА АЭС

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.

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 при резком снижении потребления пара

турбогенератором (ТГ) приводит к срабатыванию быстродействующих редукционных установок сброса пара в конденсатор турбины (БРУ-К) [1].

Для модернизации системы автоматического регулирования (САР) БРУ-К энергоблоков № 3, 4 Кольской АЭС и замены морально устаревшей,

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (93) 2010 ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ