一種核電蒸汽發生器控制方法
【專利說明】一種核電蒸汽發生器控制方法 【技術領域】
[0001] 本發明涉及高溫氣冷堆核電站蒸汽發生器領域，特別是結合了無跡卡爾曼濾波和 容錯控制的核電蒸汽發生器控制方法的技術領域。 【【背景技術】】
[0002] 蒸汽發生器是高溫氣冷堆核電裝置的動力組成部分，是核島內的三大設備之一， 是壓水堆核電廠一回路、二回路的邊界，它將反應堆產生的熱量傳遞給蒸汽發生器二次側， 產生的蒸汽經一、二級汽水分離器干燥后推動汽輪發電機發電。從反應堆流出的冷卻劑經 一回路熱管段由蒸汽發生器的下封頭的進口接近進入水室，然后在倒U型管束內流動，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入主栗的吸入口。二回路的給水由蒸汽發生器的給水接 管進入給水環管，通過環管進入下筒體與管束套筒之間的環狀空間（即下降通道），與汽水 分離器分離出的水混合后向下流動，直至底部管板，然后轉向，沿著倒U型管束的管外（即 上升通道）向上流動，被傳熱管內流動的一回路冷卻劑加熱，一部分水蒸發成蒸汽。汽水混 合物離開倒U型管束頂部繼續上升，依次進入旋葉式汽水分離器和干燥器，經汽水分離后， 蒸汽從蒸汽發生器的頂部出口流向汽輪機做功，分離出來的水則往下與給水混合進行再循 環。通常來說，一次側入口的蒸汽壓力、給水流量以及給水溫度可以作為系統輸入來控制二 次側的給水壓力、蒸汽流量和蒸汽溫度。
[0003] 蒸汽發生器被控變量的穩定性對于核電廠安全運行意義重大，當蒸汽發生器中的 傳感器出現故障時，就會影響控制信號，導致蒸汽發生器被控變量不穩定，出現控制偏差， 甚至產生一系列安全問題。
[0004] 當前核電廠主要采用硬件冗余的方式來預防傳感器故障；由于核電廠設備昂貴， 這種硬件冗余方式很大程度上增加了核電廠的設備成本和空間。而基于軟件冗余（解析冗 余）的容錯控制方法在不增加硬件設備的情況下，即使傳感器出現故障，蒸汽發生器依然 能保持穩定，實現對故障的容錯，避免反應堆停閉或故障變成事故。因此，容錯控制對于提 高核電廠運行的經濟性和安全性有著重大的意義。 【
【發明內容】
】
[0005] 本發明的目的就是解決現有技術中的問題，提出一種核電蒸汽發生器控制方法， 控制對象是高溫氣冷堆，控制方法是結合了無跡卡爾曼濾波與容錯控制，可以在實現控制 目的的同時，有效地提高過程系統的控制精度，達到蒸汽發生器壓力穩定的容錯控制目的， 并且易于實現計算機控制。
[0006] 為實現上述目的，本發明提出了一種基于核電蒸汽發生器控制方法，所述控制方 法利用容錯控制和卡爾曼濾波結合的形式對蒸汽發生器程的水位、蒸汽流量進行等被控變 量跟蹤控制，具體步驟包括：
[0007] (a)機理建模：根據熱工水動力原理建立蒸汽發生器模型，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)數據傳感：對于不同的被控變量，通過各個傳感器獲取測量值；
[0009] (c)狀態估計：利用無跡卡爾曼濾波（UKF)方法，每個UKF監測一個傳感器，以除 去被監測的傳感器后剩余的傳感器測量值子集作為輸入量，得到狀態估計值以及殘差； [0010] (d)故障診斷與重構：將計算得出的殘差大小與所設置的殘差閾值進行比較，若 殘差大于閾值，則舍棄本次測量值，進行狀態重構，否則繼續下一步驟，閾值大小的選取需 要綜合考慮故障漏報和誤報：①漏報：如果選取太大，可能出現因故障偏差很小，導致故障 漏報；②誤報：選擇過小則會出現故障誤報的現象，因為系統的狀態突變也會改變殘差，因 此，故障檢測閾值的選取要由經驗和大量實驗數據得到；
[0011] (e)根據測量值進行控制：根據上一環節得到的狀態測量值和建立的數學模型， 調節PID控制參數，得到理想的性能曲線。
[0012] 作為優選，所述（a)步驟中，采用的是集總參數動態模型，分布參數模型雖然具有 更好的精度，但含有大量的偏微分方程，大大增加了計算難度，目前仍沒有成熟的求解方 法，而在實際過程中，集總參數模型的精度已足夠好。
[0013] 作為優選，所述（c)步驟中，無跡卡爾曼濾波算法是通過對被控變量測量值^和 狀態估計值1進行更新，從而獲得殘差，判斷傳感器是否出現故障。
[0014] 作為優選，所述（e)步驟中，系統是多輸入輸出非線性系統，PID參數選取有一定 困難，因此首先根據模型離線仿真調優。
[0015] 本發明的有益效果：本發明通過容錯控制，有效消除了系統的建模和測試噪聲，在 已知系統模型的情況下，預測控制可用于時變、時滯以及非線性系統的控制，
[0016] 用本方法控制蒸汽發生過程的水位、溫度、壓力，控制精度高，即使傳感器發生測 量故障，控制系統仍能運行在正常狀態，使用本方法控制蒸汽發生器，控制精度高，魯棒性 好，可以有效避免控制錯誤，并且易于實現計算機控制。
[0017] 本發明的特征及優點將通過實施例結合附圖進行詳細說明。 【【附圖說明】】
[0018] 圖1是本發明一種核電蒸汽發生器控制方法的控制系統框圖；
[0019] 圖2是本發明一種核電蒸汽發生器控制方法的輸入輸出變量選擇框圖；
[0020] 圖3是本發明一種核電蒸汽發生器控制方法的控制體劃分圖。 【【具體實施方式】】
[0021 ] 參閱圖1~圖3，本發明具體步驟包括：
[0022] 步驟一、根據熱工水動力原理建立蒸汽發生器模型，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、對于不同的被控變量，通過各個傳感器獲取測量值；
[0024] 步驟三、利用無跡卡爾曼濾波（UKF)方法，每個UKF監測一個傳感器，以除去被監 測的傳感器后剩余的傳感器測量值子集作為輸入量，得到狀態估計值以及殘差，具體來說， 就是用于監測給水壓力傳感器的UKF1，其輸入值Yl中不包含溫度傳感器的輸出信號，而只 有給水量、蒸汽流量傳感器的輸出信號，其得到的只包含2個流量測量值與估計值的差。
[0025] 步驟四、將計算得出的殘差大小與所設置的殘差閾值進行比較，若殘差大于閾值， 則舍棄本次測量值，進行狀態重構，否則繼續下一步驟，閾值大小的選取需要綜合考慮故障 漏報和誤報：①漏報：如果選取太大，可能出現因故障偏差很小，導致故障漏報；②誤報：選 擇過小則會出現故障誤報的現象，因為系統的狀態突變也會改變殘差，因此，故障檢測閾值 的選取要由經驗和大量實驗數據得到；
[0026] 步驟五、根據上一環節得到的狀態測量值和建立的數學模型，調節PID控制參數， 得到理想的性能曲線。
[0027] 所述殘差γ =無跡卡爾曼估計值f -傳感器實測值y ;第i個濾波器k時刻的故 障指示信號為：WSSR( ,式中，Vk為殘差序列的協方差陣，M為第i個濾波器k 時刻的殘差；
[0028] 步驟一中，建立機理模型，采用集總參數模型，其在保持計算精度的同時，極大的 簡化了模型形式，蒸汽發生的集總參數動態模型主要方程如下。
[0029] (1) 一次側
[0030]
[0031]
[0032] 其中，T為溫度，K為流量，kg/s ;M為質量，kg;A為面積，m;為定壓比熱，X/(kggk); U為傳熱系數，