一种核电蒸汽发生器控制方法技术

本发明专利技术公开了一种核电蒸汽发生器控制方法，具体步骤包括：(a)机理建模：根据热工水力原理建立高温气冷堆蒸汽发生器模型；(b)数据采集；(c)状态估计；(d)故障诊断与重构；(e)根据重构后的数值进行控制。本发明专利技术基于无迹卡尔曼滤波器组对蒸汽发生器进行容错控制设计，在集总参数模型的基础上，通过实时检测、分离单传感器故障并重构传感器的输出值，达到蒸汽发生器水位、流量稳定的容错控制目的。即使在传感器出现检测故障时，仍可以很好实现控制效果，减少了硬件冗余的成本；可以实现多变量、非线性系统的跟踪控制，有效了减小了因检测故障发生核电安全事故的可能性，安全性高，控制效果好，易于计算机控制。

【技术实现步骤摘要】
【专利说明】
本专利技术涉及高温气冷堆核电站蒸汽发生器领域，特别是结合了无迹卡尔曼滤波和 容错控制的核电蒸汽发生器控制方法的
【
技术介绍
】 蒸汽发生器是高温气冷堆核电装置的动力组成部分，是核岛内的三大设备之一， 是压水堆核电厂一回路、二回路的边界，它将反应堆产生的热量传递给蒸汽发生器二次侧， 产生的蒸汽经一、二级汽水分离器干燥后推动汽轮发电机发电。从反应堆流出的冷却剂经 一回路热管段由蒸汽发生器的下封头的进口接近进入水室，然后在倒U型管束内流动，倒 U型管的外表面与二回路给水接触，传热给二回路水，并使其汽化，完成一、二回路间的热交 换。一回路冷却剂携带的热量传给二回路后，温度降低，再经过下封头的出口水室和出口接 管，流向一回路的过度管道然后进入主栗的吸入口。二回路的给水由蒸汽发生器的给水接 管进入给水环管，通过环管进入下筒体与管束套筒之间的环状空间（即下降通道），与汽水 分离器分离出的水混合后向下流动，直至底部管板，然后转向，沿着倒U型管束的管外（即 上升通道）向上流动，被传热管内流动的一回路冷却剂加热，一部分水蒸发成蒸汽。汽水混 合物离开倒U型管束顶部继续上升，依次进入旋叶式汽水分离器和干燥器，经汽水分离后， 蒸汽从蒸汽发生器的顶部出口流向汽轮机做功，分离出来的水则往下与给水混合进行再循 环。通常来说，一次侧入口的蒸汽压力、给水流量以及给水温度可以作为系统输入来控制二 次侧的给水压力、蒸汽流量和蒸汽温度。 蒸汽发生器被控变量的稳定性对于核电厂安全运行意义重大，当蒸汽发生器中的 传感器出现故障时，就会影响控制信号，导致蒸汽发生器被控变量不稳定，出现控制偏差， 甚至产生一系列安全问题。 当前核电厂主要采用硬件冗余的方式来预防传感器故障；由于核电厂设备昂贵， 这种硬件冗余方式很大程度上增加了核电厂的设备成本和空间。而基于软件冗余（解析冗 余）的容错控制方法在不增加硬件设备的情况下，即使传感器出现故障，蒸汽发生器依然 能保持稳定，实现对故障的容错，避免反应堆停闭或故障变成事故。因此，容错控制对于提 高核电厂运行的经济性和安全性有着重大的意义。 【
技术实现思路
】 本专利技术的目的就是解决现有技术中的问题，提出， 控制对象是高温气冷堆，控制方法是结合了无迹卡尔曼滤波与容错控制，可以在实现控制 目的的同时，有效地提高过程系统的控制精度，达到蒸汽发生器压力稳定的容错控制目的， 并且易于实现计算机控制。 为实现上述目的，本专利技术提出了一种基于核电蒸汽发生器控制方法，所述控制方 法利用容错控制和卡尔曼滤波结合的形式对蒸汽发生器程的水位、蒸汽流量进行等被控变 量跟踪控制，具体步骤包括： (a)机理建模：根据热工水动力原理建立蒸汽发生器模型，给水阀门开度、蒸汽出 口阀门开度作为操作变量，给水腔水位、给水流量、蒸汽出口流量作为被控变量； (b)数据传感：对于不同的被控变量，通过各个传感器获取测量值； (c)状态估计：利用无迹卡尔曼滤波（UKF)方法，每个UKF监测一个传感器，以除 去被监测的传感器后剩余的传感器测量值子集作为输入量，得到状态估计值以及残差； (d)故障诊断与重构：将计算得出的残差大小与所设置的残差阈值进行比较，若 残差大于阈值，则舍弃本次测量值，进行状态重构，否则继续下一步骤，阈值大小的选取需 要综合考虑故障漏报和误报：①漏报：如果选取太大，可能出现因故障偏差很小，导致故障 漏报；②误报：选择过小则会出现故障误报的现象，因为系统的状态突变也会改变残差，因 此，故障检测阈值的选取要由经验和大量实验数据得到； (e)根据测量值进行控制：根据上一环节得到的状态测量值和建立的数学模型， 调节PID控制参数，得到理想的性能曲线。 作为优选，所述（a)步骤中，采用的是集总参数动态模型，分布参数模型虽然具有 更好的精度，但含有大量的偏微分方程，大大增加了计算难度，目前仍没有成熟的求解方 法，而在实际过程中，集总参数模型的精度已足够好。 作为优选，所述（c)步骤中，无迹卡尔曼滤波算法是通过对被控变量测量值^和 状态估计值1进行更新，从而获得残差，判断传感器是否出现故障。 作为优选，所述（e)步骤中，系统是多输入输出非线性系统，PID参数选取有一定 困难，因此首先根据模型离线仿真调优。 本专利技术的有益效果：本专利技术通过容错控制，有效消除了系统的建模和测试噪声，在 已知系统模型的情况下，预测控制可用于时变、时滞以及非线性系统的控制， 用本方法控制蒸汽发生过程的水位、温度、压力，控制精度高，即使传感器发生测 量故障，控制系统仍能运行在正常状态，使用本方法控制蒸汽发生器，控制精度高，鲁棒性 好，可以有效避免控制错误，并且易于实现计算机控制。 本专利技术的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。 【【附图说明】】 图1是本专利技术的控制系统框图； 图2是本专利技术的输入输出变量选择框图； 图3是本专利技术的控制体划分图。 【【具体实施方式】】 参阅图1~图3，本专利技术具体步骤包括： 步骤一、根据热工水动力原理建立蒸汽发生器模型，给水阀门开度、蒸汽出口阀门 开度作为操作变量，给水腔水位、给水流量、蒸汽出口流量作为被控变量； 步骤二、对于不同的被控变量，通过各个传感器获取测量值； 步骤三、利用无迹卡尔曼滤波（UKF)方法，每个UKF监测一个传感器，以除去被监 测的传感器后剩余的传感器测量值子集作为输入量，得到状态估计值以及残差，具体来说， 就是用于监测给水压力传感器的UKF1，其输入值Yl中不包含温度传感器的输出信号，而只 有给水量、蒸汽流量传感器的输出信号，其得到的只包含2个流量测量值与估计值的差。 步骤四、将计算得出的残差大小与所设置的残差阈值进行比较，若残差大于阈值， 则舍弃本次测量值，进行状态重构，否则继续下一步骤，阈值大小的选取需要综合考虑故障 漏报和误报：①漏报：如果选取太大，可能出现因故障偏差很小，导致故障漏报；②误报：选 择过小则会出现故障误报的现象，因为系统的状态突变也会改变残差，因此，故障检测阈值 的选取要由经验和大量实验数据得到； 步骤五、根据上一环节得到的状态测量值和建立的数学模型，调节PID控制参数， 得到理想的性能曲线。 所述残差γ =无迹卡尔曼估计值f -传感器实测值y ;第i个滤波器k时刻的故 障指示信号为：WSSR( ,式中，Vk为残差序列的协方差阵，M为第i个滤波器k 时刻的残差； 步骤一中，建立机理模型，采用集总参数模型，其在保持计算精度的同时，极大的 简化了模型形式，蒸汽发生的集总参数动态模型主要方程如下。 (1) 一次侧 其中，T为温度，K为流量，kg/s ;M为质量，kg;A为面积，m;为定压比热，X/(kggk); U为传热系数，当前第1页1 2 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种核电蒸汽发生器控制方法，其特征在于：所述控制方法利用容错控制和卡尔曼滤波结合的形式对核电蒸汽发生过程进行控制，具体步骤包括：(a)机理建模：根据热工水动力原理建立蒸汽发生器模型，给水阀门开度、蒸汽出口阀门开度作为操作变量，给水腔水位、给水流量、蒸汽出口流量作为被控变量；(b)数据传感：对于不同的被控变量，通过各个传感器获取测量值；(c)状态估计：利用无迹卡尔曼滤波(UKF)方法，每个UKF监测一个传感器，以除去被监测的传感器后剩余的传感器测量值子集作为输入量，得到状态估计值以及残差；(d)故障诊断与重构：将计算得出的残差大小与所设置的残差阈值进行比较，若残差大于阈值，则舍弃本次测量值，进行状态重构，否则继续下一步骤，阈值大小的选取需要综合考虑故障漏报和误报：①漏报：如果选取太大，可能出现因故障偏差很小，导致故障漏报；②误报：选择过小则会出现故障误报的现象，因为系统的状态突变也会改变残差，因此，故障检测阈值的选取要由经验和大量实验数据得到；(e)根据测量值进行控制：根据上一环节得到的状态测量值和建立的数学模型，调节PID控制参数，得到理想的性能曲线。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：杨海霞，黄红林，
申请(专利权)人：黄红林，
类型：发明
国别省市：浙江;33