CC BY
16
УДК 681.544:621.039.562.26
Я.И. БЕГЛОВ, КВ. БЕГЛОВ
Одесский Национальный Политехнический Университет, Украина
ПРИМЕНЕНИЕ НЕЧЕТКОГО РЕГУЛЯТОРА ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ЖИДКОГО ПОГЛОТИТЕЛЯ В ПЕРВОМ КОНТУРЕ АЭС
На АЭС с реакторами типа ВВЭР важным заданием является контроль некоторых параметров теплоносителя. Одним из основных контролируемых параметров есть содержимое борной кислоты (БК) изотопа 10В в технологических растворах энергоблоков. Одним из методов регулирования есть изменение концентрации БК в теплоносителе первого контура АЭС. Статья посвящена синтезу и исследованию автоматизированной системы регулирования объекта с переменными свойствами при нанесении управляющего воздействия с разными знаками. Для автоматизации поддержания необходимой концентрации БК необходимо синтезировать регулятор. Но объект регулирования имеет разные статические и динамические характеристики при нанесении управляющего воздействия с разными знаками. Таким образом, возникает задача синтеза и исследования системы регулирования концентрации борной кислоты в теплоносителе первого контура для нелинейного объекта регулирования.
Ключевые слова: концентрация борной кислоты, автоматизированная система регулирования (АСР), регулятор.
Я.1. БЕГЛОВ, К.В. БЕГЛОВ
Одеський Нащональний Псштехшчний Ушверситет, Украша
ВИКОРИСТАННЯ НЕЧ1ТКОГО РЕГУЛЯТОРА ДЛЯ РЕГУЛЮВАННЯ КОНЦЕНТРАЦИ Р1ДКОГО ПОГЛИВАЧА У ПЕРШОМУ КОНТУР1 АЕС
На АЕС з реакторами типу ВВЕР важливим завданням е контроль деяких параметрiв теплоносiя. Одним з основних параметрiв, що контролюються е вмют борноЧ кислоти (БК) iзотопу 10В в технологiчних розчинах енергоблоюв. Одним з методiв регулювання е змша концентрацИ БК в теплоносИ першого контуру АЕС. Стаття присвячена синтезу та до^дженню автоматизованоЧ системи регулювання об'екта зi змтними властивостями при нанесеннi керуючого впливу з разними знаками. Для автоматизацИ пiдтримки необхiдноi концентрацИ БК необхiдно синтезувати регулятор. Але об'ект регулювання мае рiзнi статичт i динамiчнi характеристики при нанесеннi керуючого впливу з разними знаками. Таким чином, виникае задача синтезу i до^дження системи регулювання концентрацИ борноi кислоти в теплоносИ першого контуру для нелiнiйного об'екта регулювання.
Ключовi слова: концентрацiя борно'1' кислоти, автоматизована система регулювання (АСР), регулятор.
Ya.I. BEGLOV, K.V. BEGLOV
Odessa National Polytechnic University, Ukraine
APPLICATION OF THE FUZZY REGULATOR FOR REGULATION OF THE CONCENTRATION OF A LIQUID ABSORPTION IN THE FIRST NUCLEAR PIPE
At NPPs with WWER-type reactors, an important task is to control certain parameters of the coolant. One of the main controlled parameters is the content of 10B isotope in technological solutions ofpower units. One of the control methods is the change in the concentration of boric acid (BA) in the coolant of the first circuit of the nuclear power plant. The article is devoted to the synthesis and research of an automated control system for an object with variable properties when applying a control action with different signs. It is necessary to synthesize the regulator for automatic control of the required concentration of the BA. But the control object has different static and dynamic characteristics when applying a control action with different signs. Thus, the problem arises of synthesizing and researching the control system of the boric acid concentration in the coolant of the first circuit for a nonlinear control object.
Key words: concentration of boric acid, automatic control system (ASC), controller.
Постановка проблемы
Для регулирования мощности энергоблока АЭС используется, так называемое, борное регулирование, т.е. изменение концентрации борной кислоты в теплоносителе первого контура. Однако, свойства объекта регулирования нелинейны. А именно, динамические свойства объекта регулирования могут быть описаны дифференциальным звеном первого порядка, но значения коэффициентов уравнения зависят от знака управляющего воздействия. Таким образом, ставится задача синтезировать регулятор, работающий с нелинейным объектом и с заданными показателями качества переходных процессов.
Анализ последних исследований и публикаций
В многочисленных работах, посвященных проблеме покрытия переменной части графиков нагрузок [1-3], указывается, что повышение доли АЭС в общей установленной мощности требует повышенной маневренности энергооборудования АЭС, то есть работы энергоблоков АЭС в переменном режиме.
Одним из способов изменения нагрузки энергоблока является изменение энерговыделения в реакторной установке путем изменения концентрации жидкого поглотителя. Для реакторов типа ВВЭР в качестве жидкого поглотителя используется борная кислота (Н3 ВО 3).
Процесс изменения концентрации борной кислоты в теплоносителе первого контура называется борным регулированием (БР). Для уменьшения мощности реактора в коллектор питательного насоса подается раствор из бака с концентрированной борной кислотой, для увеличения мощности подается чистый конденсат [4]. Одновременно с этим, борная кислота выводится из теплоносителя.
В настоящее время борное регулирование состоит в дискретном вводе определённого количества Н3ВО3 или чистого конденсата в ручном режиме до получения требуемого результата. Одним из недостатков такого режима борного регулирования является большое количество жидких радиоактивных отходов (ЖРО). Как показано в [5], количество ЖРО можно существенно уменьшить, применив автоматизированную систему регулирования.
В работе [3] рассмотрена зависимость концентрации в активной зоне (АЗ) при введении БК и при введении чистого конденсата в теплоноситель первого контура. Кривые разгона по указанным каналам представлены на рис. 1.
01= 60 50
/ У /
-у
150 200 250 . мин
Рис. 1. Изменение концентрации борной кислоты в теплоносителе в случае подпитки концентрированной борной
кислотой (а) и чистым конденсатом (б)
Для моделирования данные зависимости были идентифицированы и описаны следующими дифференциальными уравнениями:
при введении раствора борной кислоты:
7. ^ + АСЪпг = кгАОЬпг (1)
ёт
"'Ьог
Ьог
при введении чистого конденсата:
72
г,.*Сь^ + АСьог = к2 .АОн2о,
ёт
где СЬог - концентрация борной кислоты, г/кг;
(2)
к1, к2 - коэффициенты передачи,
г кг.
т ч
71, Т2 - постоянные времени, С;
АОЬог - изменение расхода раствора борной кислоты, т/ч; АОН^О - изменение расхода чистого конденсата, т/ч;
В рамках исследования было принято, что номинальный расход борной кислоты АСЬог = 40 т/ч . номинальный расход чистого конденсата АGн2о = 40 т/ч [3]. Для такого расхода:
Коэффициенты передачи:
40
30
16
16
20
12
12
8
8
10 т/ч
4
4
0
50
100
10
20
30
40
50
Г. ч
а
б
Ь = 40 г1кг/
1 /т
г!кг/ К = 16 г1кг<
постоянные времени:
/ч' 2 /т/ч'
Т1 = 22318 с , Т2 = 47715 с .
Для процессов ввода и вывода бора из теплоносителя коэффициенты передачи отличаются в 2,5 раза, а постоянной времени - в 2 раза.
Для автоматизации поддержания необходимой концентрации БК необходимо синтезировать регулятор. Но объект регулирования имеет разные статические и динамические характеристики при нанесении управляющего воздействия с разными знаками.
Таким образом возникает задача синтеза и исследования системы регулирования концентрации борной кислоты в теплоносителе первого контура для нелинейного объекта регулирования.
Ранее в [6] рассматривался синтез и проводился анализ ПИ-регулятора. Основная сложность при настройке регулятора заключается в нелинейных свойствах объекта регулирования. А именно разными значениями коэффициента передачи и постоянными времени при нанесении управляющего воздействия разного знака.
Оптимальными были приняты настройки ПИ-регулятора для процесса с минимальным интегральным показателем качества и объектом, имеющим меньший коэффициент передачи и большую постоянную времени.
сч п
0 и Ш
" л
1 -
О
11111111
—' г
11111111
О
5
10 15 20 25 30 35 40 45 1,год
Рис. 2. График переходного процесса регулирования концентрации борной кислоты с ПИ-регулятором
Из приведенного графика видно, что даже при оптимальных настройках в системе наблюдаются колебания регулируемой величины. Поэтому была поставлена задача исследовать автоматизированную систему регулирования концентрации борной кислоты с нечетким ПИ-регулятором.
Цель исследования
Синтезировать нечеткий регулятор для улучшения качества регулирования концентрации жидкого поглотителя в теплоносителе 1-ого контура энергоблока АЭС с реактором типа ВВЭР-1000.
Изложение основного материала исследования
В работе рассматривается синтез регулятора, формирующего управляющее воздействие на основе ПИ-закона регулирования. Однако расчет коэффициентов регулятора выполняется по правилам нечеткой логики.
Для сравнения регуляторов была составлена схема для проведения имитационного моделирования в среде Simulink пакета МайаЬ, показанная на рис. 3.
Рис. 3. Схема моделирования АСР
Блоки Subsystem и Integral Quality Criterion служат для расчета и отображения значений интегрального критерия качества переходных процессов в сравниваемых системах регулирования.
АСР с нечетким регулятором состоит из блоков расчета коэффициентов регулятора и блоков формирования ПИ-закона регулирования.
Значения коэффициентов нечеткого регулятора рассчитываются по правилам нечеткой логики на основании анализа сигнала рассогласования. На блок Fuzzy Logic Controller подается абсолютное значение сигнала рассогласования и скорость его изменения. Выходом блока являются значения настройки Кр и Ki.
Были приняты следующие диапазоны изменения входных сигналов и функции принадлежности (показанные на рис. 4 и 5)
FIS Variables
Membership function plol
mm
p r on 1- _L ûûaflû t E ûe и
xi /m
velocifiitpportional
0.005 0.01 0.015
input variable "proptional"
Current Variable Name proptional
Type input
Range
Display Range
[0 0.02]
[0 0.02]
Current Membership Function (click on Name Type Pa rams
mfl
triirif "
[-0.0103 0 0.01]
Help
Close
Ready
Рис. 4. Функции принадлежности для величины сигнала рассогласования
На основании исследований ПИ-регулятора [6] было принято, что сигнал рассогласования меняется в диапазоне от 0 до 0.02. Скорость изменения сигнала рассогласования также меняется в диапазоне от 0 до 0.02. Причем приняты следующие термы: "малый сигнал" от 0 до 0.01, "средний сигнал" от 0 до 0.02 с максимумом при 0.01, "большой сигнал" от 0.01 до 0.02. Такие термы были приняты и для абсолютного значения сигнала рассогласования и скорости его изменения.
FIS Variables
Membership function plol DOints:
ХХЖ
шш
velocijtitpportional
0.005 0.01 0.015
input variable "velocity"
Current Variable Name velocity
Type input
Range
Display Range
[0 0,02]
[0 0,02]
Current Membership Function (click on
i НС X
Name
Type Pa га m s
mfl
triirif т
[-0.01003 0 0.01]
Help
Close
Selected variable "velocity"
Рис. 5. Функции принадлежности скорости изменения сигнала рассогласования Функции принадлежности для выходных сигналов показаны на рис. 6 и 7
FIS Variables
Membership function plol [joints:
m
prf^tiûDâibteQra
XX /Ж\
ve 1 oc iftitpport i ona 1
0,002 0,004 0.006 0.008 0,01 0.012 0.014 0.016 0.01S 0.02 output variable "integral"
Current Variable Name integral
Type output
Range
[0,001 0,02]
Display Range [Q.001 0.02]
Current Membership Function (click on
мс.л
Name
Type Pa ram s
mfl
tri mf т
[-0,005222 0,001048 O.fj
Help
Close
Selected variable "integral"
Рис. 6. Функции принадлежности для фазификации К
FIS Variables
Membership function plol noints:
XX №
proption.
velocifticpportional
10 20 30 40 50 60 70
output variable "proportional"
Current Variable
Name proportional
Type output
| [10 70]
Display Range [10 70]
Current Membership Function (click on Name
Type Pa rams
mfl
tiimf
[-14 10.2 42.4]
Help
Close
Selected variable "proportional"
Рис. 7. Функции принадлежности для фазификации Кр
Диапазон изменения коэффициентов регулятора ^ и Ю также был принят на основании работы [6].
Коэффициент Кр (^-составляющая) изменяется в диапазоне от 10 до 70. Коэффициент К (^-составляющая) изменяется в диапазоне от 0 до 0,01.
Принято, что для больших значений сигнала рассогласования и скорости его изменения принимаются большие значения коэффициентов регулятора. Для малых значений сигнала рассогласования и скорости его изменения соответственно малые значения коэффициентов.
В процессе моделирования были получен график переходного процесса регулирования, который показан на рис. 8.
Рис. 8. График переходного процесса регулирования при изменении задания
На рис. 8 показано изменение сигнала задания (Task), отклонение регулируемой величины с применением ПИ-регулятора (PI) и отклонение регулируемой величины с применением fuzzy-регулятора (Fuzzy).
Как можно увидеть из графика fuzzy-регулятор отрабатывает сигнал задания с меньшей погрешностью. Также отсутствует перерегулирование, что является одним из требований к системе регулирования. Кроме того интегральный критерий качества переходного процесса меньше для fuzzy-регулятора (1ПИ=0.5169, =0.4108).
Выводы
Применение ПИ fuzzy-регулятора по сравнению с линейным ПИ-регулятором для нелинейного объекта дает улучшение качества переходного процесса. А именно, отсутствуют колебания при том же времени регулирования и меньшее значение интегрального критерия качества.
Список использованной литературы
1. Беркович В.М. О возможности регулирования мощности энергосистемы с помощью атомных электростанций / В.М. Беркович, В.Ф. Горохов, В.П. Татарников // Теплоэнергетика. - 1974. - № 6. -С. 16-19.
2. Воронин Л.М. Особенности эксплуатации и ремонта АЭС / Л.М. Воронин. - М.: Энергоиздат, 1981. -166 с.
3. Игнатенко Е.И. Маневренность реакторов типа ВВЭР / Е.И. Игнатенко, Ю.Н. Пыткин. - М.: Энергоатомиздат, 1985. - 83с
4. Максимов М.В. Модель реактора ВВЕР-1000 як об'екта управлшня: монографiя / М.В. Максимов, К.В. Беглов, Т.О. Цисельська // Сучасш технологи управлшня. - Одеса : Вид-во Купрieнко С.В., 2012. -С. 108-122.
5. Медведев Р.Б. Оптимальне керування процесом змши концентраци борно! кислоти в теплоноси першого контуру АЕС з ВВЕР-1000 / Р.Б. Медведев, О.В. Санпнова // Науковi вюп Нацюнального техшчного ушверситету Укра!ни "Кшвський полтгехшчний iнститут". - 2002. - № 2 (22). - С. 22-28.
6. Беглов К.В. Дослщження регулятора концентраци рщкого поглинача енергоблоку АЕС / К.В. Беглов, О.О. Волошина, О.А. Плахотнюк // Автоматизация технологических и бизнес-процессов. - 2015. - №4. - С. 18-24;
