РАЗРАБОТКА РЕГУЛЯТОРА УРОВНЯ В КОМПЕНСАТОРЕ ДАВЛЕНИЯ ПЕРВОГО КОНТУРА АЭС

Бурковский В.Л.; Болдырев И.А.; Щеглова У.А.; Кожин А.С.; Голиков А.А.

DOI 10.36622^1^2023.19.3.010 УДК 621.182.26

РАЗРАБОТКА РЕГУЛЯТОРА УРОВНЯ В КОМПЕНСАТОРЕ ДАВЛЕНИЯ ПЕРВОГО

КОНТУРА АЭС

В.Л. Бурковский, И.А. Болдырев, У.А. Щеглова, А.С. Кожин, А.А. Голиков

Воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия

Аннотация: в современных отраслях промышленности, связанных с высокой степенью безопасности труда и экологической безопасностью, существует определенный консерватизм в подходах проектирования систем автоматического управления (САУ), который не позволяет проникать в эту область не только современным теоретическим разработкам, но и ограничивает использование современной элементной базы. К таким отраслям можно отнести атомную энергетику, которая сформировалась во второй половине XX века и сохранила в себе идеологический подход того времени. Приведена структура реализованной и поныне функционирующей системы автоматического управления, используемой для поддержания уровня в компенсаторе давления первого контура ядерного реактора Балаковской АЭС (БалАЭС). Предложена и обоснована математическая модель системы управления для поддержания уровня в компенсаторе давления первого контура ядерного реактора БалАЭС, построенная с применением современных методов теории автоматического управления и с возможностью её реализации на современной элементной базе. Определены параметры и ограничения, показывающие возможности работы предлагаемой системы автоматического управления, в рамках которых предложенная САУ дает детерминированное качество переходных процессов, но при этом не выходит за рамки уже сложившейся технологии датчиков и исполнительных механизмов. Полученный результат учитывает особенности и сложности эксплуатации систем управления на объектах с повышенной опасностью и сводит к минимуму пуско-наладочную часть работы, что является основой для дальнейшего тиражирования данного подхода на системах с высокими требованиями к качеству и безопасности САУ

Ключевые слова: компенсатор давления, система автоматического управления, Балаковская АЭС, условие реализуемости закона управления, отрицательная обратная связь, положительная обратная связь

Введение

Атомный реактор на АЭС представляет собой очень мощный источник тепловой энергии, которая впоследствии преобразуется в электрическую. В технологической цепочке АЭС из трех контуров первый замкнутый контур заполнен циркулирующим в нем жидким теплоносителем, который при изменении температурного режима работы может значительно изменять свой объем, и, как следствие, давление теплоносителя внутри контура [1].

Для поддержания стабильного давления внутри первого контура применяется устройство, называемое «компенсатор объема» или «компенсатор давления» (КД) [2]. В совокупности оба эти названия дают нам понять, что компенсация отклонения давления внутри замкнутого контура от требуемого значения происходит за счет перетока теплоносителя из контура в компенсатор и обратно, то есть за счет изменения массы теплоносителя внутри контура.

Описание функциональной схемы работы КД

Рассмотрим общую схему работы КД. Изначальным условием для работы КД является нахождение в нем заданного уровня теплоносителя, который соответствует текущему тепловому режиму работы контура. Из/в «горячей» нитки петли (часть контура, в которой теплоноситель нагревается) в/из КД поступают излишки теплоносителя, перекачиваемые подпиточ-ным насосом из/в первого контура в КД из-за увеличения/уменьшения объема (следствие роста/падения температуры). По известной зависимости при увеличении/уменьшении температуры соответственно увеличивается/ уменьшается заданное значение уровня жидкости в КД, а поэтому между контуром и КД в ту или иную сторону будет перекачиваться определенное количество теплоносителя, что и обеспечит стабильность давления внутри контура не зависимо от его температуры [3].

Принцип функционирования САУ КД, используемой на БалАЭС

На рис. 1 изображена упрощенная функциональная схема КД, из которой видно, что компенсатор давления (КД YP10B01) пред-

ставляет собой емкость, в которую жидкость из первого контура поступает от насосов подпитки 1 контура ТК21-23D02 и с напора ГЦН-1, а в обратном направлении выходит по соединительному трубопроводу Ф426 к «горячей» нитке петли N4 [4].

Рис. 1. Упрощенная функциональная схема КД

На рис. 2 изображена математическая модель САУ уровнем жидкости в КД, функционирующая в настоящее время на БалАЭС. Изображенная на рис. 2 модель зависимости уровня жидкости Y в КД от режимов работы насосов представляет собой два последовательно соединенных звена, одно из которых является интегратором (Integrator), а другое -усилителем (Gain4), где P - площадь поперечного сечения емкости КД. Величина U представляет собой производительность подаваемой в емкость КД из контура (U>0) или откачиваемой из КД в контур жидкости (U<0). Понятно, что интегратор, как и емкость, является накопителем, а величина 1/P определяет динамику зависимости уровня жидкости в КД от производительности (Gin) питательного насоса

и производительности (-Gout) продувочного насоса. Задание Sp на текущее значение уровня жидкости в КД формируется в соответствии с таблицей 1-D Lookup Table (рис. 2), выходное значение которой формируется в соответствии с входным значением Tsr, которое является текущим значением температуры теплоносителя в первом контуре. Ошибка управления Е = Sp-Y, от величины и знака которой, в соответствии со схемой регулятора включается подпиточный или продувочный насос. В соответствии с «моделью релейной схемы управления насосами подпитки и продувки» (рис. 2) данные насосы либо выключены, либо включены на полную мощность, но при этом никогда не включаются одновременно.

Рис. 2. Математическая модель САУ уровнем жидкости в КД, функционирующая в настоящее время на БалАЭС

Принцип функционирования САУ КД, которая может быть реализована на БалАЭС

На рис. 3 изображена математическая модель САУ уровнем жидкости в КД, которая может быть реализована на БалАЭС. Изображенная на рис. 3 модель зависимости уровня жидкости Y в КД от режимов работы насосов представляет собой два последовательно соединенных звена, одно из которых является интегратором (Integrator), а другое - усилителем (Gain4), где P - площадь поперечного сечения емкости КД. Величина U представляет собой

производительность подаваемой в емкость КД из контура (U>0) или откачиваемой из КД в контур жидкости (U<0). Понятно, что интегратор, как и емкость, является накопителем, а величина 1/P определяет динамику зависимости уровня жидкости в КД от производительности (Gin) питательного насоса и производительности (-Gout) продувочного насоса. Задание Sp на текущее значение уровня жидкости в КД формируется в соответствии с таблицей 1 -D Lookup Table (рис. 3), выходное значение которой формируется в соответствии с входным значением Tsr, которое является текущим значением температуры теплоносителя в первом контуре.

Рис. 3. Математическая модель усовершенствованной САУ уровнем жидкости в КД, которая может быть реализована

на Балаковской АЭС

Рис. 4. Математическая модель усовершенствованной САУ уровнем жидкости в КД, при выполнении УРЗУ

69

Ошибка управления Е = Sp-Y, от величины и знака которой, в соответствии со схемой регулятора включается подпиточный или продувочный насос. В соответствии с «моделью релейной схемы управления насосами подпитки и продувки» (рис. 3) данные насосы либо выключены, либо включены на полную мощность, но при этом никогда не включаются одновременно.

В соответствии с рис. 3 «Модель зависимости уровня жидкости в КД от режимов работы насосов» и «модель релейной схемы управления насосами подпитки и продувки» при определенных условиях в совокупности представляют собой усилитель с коэффициентом 1. Назовем это условие условием реализуемости закона управления (УРЗУ).

Предположим, УРЗУ имеет место быть. В этом случае САУ, изображенная на рис. 3 примет вид САУ, изображенной на рис. 4. В соответствии с рис. 4 ООС (отрицательная обратная связь) и ПОС (положительная обратная связь) компенсируют друг друга, после чего модель поведения исходной САУ сводится к передаточной функции Transfer Fcnl, которая определяется на этапе проектирования САУ. Таким образом выполнение УРЗУ гарантирует поведение проектируемой САУ в соответствии с желаемой передаточной функцией Transfer Fcnl.

В нашем случае Transfer Fcnl имеет вид:

—V+1

(¿И©*" '

(1)

Из вида (1) можно сделать вывод, что Transfer Fcnl представляет собой устойчивую передаточную функцию, знаменатель которой

является знаменателем передаточной функции фильтра Баттерворта. Если учесть, что при выполнении УРЗУ передаточная функция (1) -это модель замкнутой системы САУ, то числитель подобран таким образом, чтобы разомкнутая САУ имела бы в знаменателе общий множитель s2, что дает возможность на основе передаточной функции вида (1) построить САУ с астатизмом второго порядка [5]. В случае нашей системы астатизм второго порядка позволит подавлять возмущающие воздействия не только вида const, но и вида ramp, что означает способность подстраивать работу подпиточного и продувочного насосов даже в том случае, когда идет непрерывное увеличение или уменьшение уровня жидкости в КД. В передаточной функции вида (1) параметр w играет роль величины «частоты среза», увеличивая которую можно добиваться уменьшения времени переходного процесса. Поэтому УРЗУ представляет собой неравенство, ограничивающее максимальное значение величины w.

После взаимной компенсации ООС и ПОС в системе, изображенной на рис. 3, приходим к эквивалентной структурной схеме САУ рис. 5.

Из рис. 5 видим, что условием работоспособности САУ является воспроизводимость «релейной схемой» (последовательное соединение «модели релейной схемы управления насосами подпитки и продувки» и «модели зависимости уровня жидкости в КД от режимов работы насосов» (рис. 3) разгонной характеристики Z на выходе передаточной функции Transfer Fcnl (рис. 3), возникшей в виде реакции на скачкообразное воздействие с амплитудой Sp.

Рис. 5. (см. рис. 2) после взаимокомпенсации внешней ООС и внутренней ПОС

Сравним максимальную скорость изменения разгонной характеристики передаточной функции Transfer Fcnl и «релейной схемы». Если считать, что Sp - это амплитуда скачка, то максимальное значение скорости переходного процесса достигается в момент данного скачка с амплитудой Sp.

Если рассмотреть производную от Transfer Fcnl, то получим Transfer Fcn2.

Рис. 6. Производная Transfer Fcn2 от Transfer Fcnl

Из структуры Transfer Fcn2, изображенной на рис. 6 можно установить, что максимальное значение sZ, получаемое на выходе Transfer Fcn2 в начальный момент разгонной характеристики, будет определяться пропорциональной частью Transfer Fcn2, полученной как частное коэффициентов при старших степенях числителя и знаменателя Transfer Fcn2, которая будет иметь коэффициент передачи V2 • w. С учётом амплитуды скачка Sp, максимальная скорость будет равна V2 • w • Sp, а максимальную скорость изменения величины Y на выходе «релейной схемы» примем равной Gn/P (Gn = min(Gin,Gout), Gin,Gout - производительность насосов подпитки и продувки), откуда видно, что условие работоспособности САУ, изображенной на рис. 3, будет иметь вид

V2 • w • Sp < —,

(2)

откуда получаем ограничение на величину w: Gn

w <

P-Sp-^2

(3)

Таким образом, ограничение на w вида (3) и является УРЗУ.

Сравнительный анализ моделей САУ уровнем КД на основе численного эксперимента

На рис. 7, 8 изображены по два переходных процесса, первые (0-100 сек.) - реакция на задание, вторые (100-200 сек.) - реакция на возмущающее воздействие вида ramp. Из графиков переходных процессов, изображенных на рис. 7, 8 видно, что предложенная в работе САУ обеспечивает точное выполнение задания и подавляет возмущающее воздействие, тогда как САУ, функционирующая в данный момент на БалАЭС имеет статическую ошибку, как в случае отработки задания, так и в случае подавления возмущающего воздействия.

Рис. 7. Переходные процессы, предлагаемой в работе

модели САУ (реакция на задание 0-100 сек, реакция на возмущающее воздействие 100-200 сек.)

Рис. 8. Переходные процессы модели САУ, функционирующей в данный момент на БалАЭС (реакция на задание 0-100 сек. реакция на возмущающее воздействие 100-200 сек.)

Заключение

Предложена и обоснована математическая модель системы управления для поддержания уровня в компенсаторе давления первого контура ядерного реактора БалАЭС, построенная с применением современных методов теории автоматического управления и с возможностью её реализации на современной элементной базе. Определены параметры и ограничения, показывающие возможности работы предлагаемой системы автоматического управления, в рамках которых предложенная САУ дает детерминированное качество переходных процессов, но при этом не выходит за рамки уже сложившейся технологии датчиков и исполнительных механизмов. Полученный в работе результат учитывает особенности и сложности эксплуатации систем управления на объектах с повышенной опасностью и сводит к минимуму пуско-наладочную часть работы, что является основой для дальнейшего тиражирования данного подхода на системах с высокими требованиями к качеству и безопасности САУ.

Приложение

%Содержание т-файла инициализирующего параметры моделей; 0п=5;01п=0п;00и1=0п; %массовый расход подпиточного и продувочного насосов; Р=(р1*1.5Л2); %площадь горизонтального сечения емкости КД;

Бр=5.545; %амплитуда скачка задающего воздействия

Tf=3; % постоянная времени фильтра САУ БалАЭС

Тоэг=20; %постоянная времени фильтра САУ БалАЭС

Тэг=296; %температура теплоносителя первого контура

w=(Gn/(P*Sp*2Л0.5)); %частота среза эталонной модели предложенной % в работе САУ с учетом выполнения УРЗУ

& = 0,0018 [с] - квант времени, определяющий время рабочего цикла управляющего контроллера;

Gn = 5 [кг/с] - массовый расход подпиточного и продувочного насосов;

pi*D2 = 1,5А2 [м2] площадь горизонтального сечения емкости КД.

Function Block Parameters: Belayi Relay

Output the specified 'on' or 'off' value by comparing the input to the specified thresholds. The or^off state of the relay is not affected by input between the upper and lower limits.

Настройка блоков Relay в модели Simulink

Main | Signal Attributes

Switch on point:

Cdt*Gn)/Cpi*D^2}

Switch off point:

(dt*Gn)/(pi*DA2)

Output when on:

1 Output when off:

0

Input processing: [Elements as channels (sample based) 4

0 Enable zero-crossing detection

Sample time (-1 for inherited):

-1

Литература

1. Шальман М.П., Плютинский В.И. Контроль и управление на атомных электростанциях. М.: Энергия, 1979. 272 с.

2. Справочник по наладке автоматических устройств контроля и регулирования / А.Д. Нестеренко, В.А. Дубровный, Е.И. Забокрицкий. Киев: Наукова думка, 1976. 840 с.

3. Клюев А.С, Товарнов А.Г. Наладка систем автоматического регулирования котлоагрегатов. М.: Энергия, 1970. 280 с.

4. Справочник по наладке автоматических устройств контроля и регулирования / В.А. Дубровный, Е.И. Забокрицкий, В.Г. Трегуб, Б.А. Холодовский. 2-е изд., испр. и доп. Киев: Наук. думка, 1981. 462 с.

5. Клюев А.С. Автоматическое регулирование. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Энергия, 1973.

Поступила 18.03.2023; принята к публикации 13.06.2023 Информация об авторах

Бурковский Виктор Леонидович - д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой электропривода, автоматики и управления в технических системах, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84), e-mail: bvl@vorstu.ru, тел. 8(473)243-77-20

Болдырев Игорь Александрович - канд. техн. наук, доцент кафедры электропривода, автоматики и управления в технических системах, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84), e-mail: boldyrev_igor@mail.ru, тел. 8(473)243-77-20

Щеглова Ульяна Александровна - студент, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84), e-mail: play4170@mail.ru, тел. 8(920)429-58-56

Кожин Алексей Сергеевич - канд. техн. наук, доцент кафедры электропривода, автоматики и управления в технических системах, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84), e-mail: ellexx@mail.ru, тел. 8(473)243-77-20

Голиков Алексей Анатольевич - канд. техн. наук, доцент кафедры электропривода, автоматики и управления в технических системах, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84), e-mail: galexey@yandex.ru тел. 8(473)243-77-20

DEVELOPMENT OF LEVEL REGULATOR IN THE PRESSURE COMPENSATOR OF THE NPP

FIRST CIRCUIT

V.L. Burkovsky, I.A. Boldyrev, U.A. Shcheglova, A.S. Kozhin, A.A. Golikov

Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia

72

Abstract: in modern industries associated with a high degree of labor safety and environmental safety, there is a certain conservatism in the approaches to designing automatic control systems (ACS), which does not allow penetration into this area not only of modern theoretical developments, but also limits the use of modern element base. Such industries include nuclear energy, which was formed in the second half of the 20th century and retained the ideological approach of that time. This article presents the structure of the implemented and still functioning automatic control system used to maintain the level in the pressure compensator of the primary circuit of the nuclear reactor of the Balakovo NPP (BalNPP). Also, the paper proposes and substantiates a mathematical model of the control system for maintaining the level in the pressure compensator of the primary circuit of the BalNPP nuclear reactor, built using modern methods of automatic control theory and with the possibility of its implementation on a modern element base. Parameters and limitations are determined that show the possibilities of the proposed automatic control system, within which the proposed ACS gives a deterministic quality of transient processes, but does not go beyond the already established technology of sensors and actuators. The result obtained in the work takes into account the features and complexity of the operation of control systems at facilities with increased danger and minimizes the commissioning part of the work, which is the basis for further replication of this approach on systems with high requirements for the quality and safety of ACS

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Key words: pressure compensator, automatic control system, Balakovo NPP, condition for the implementation of the control law, negative feedback, positive feedback

References

1. Shalman M.P., Plyutinsky V.I. "Control and management at nuclear power plants" ("Kontrol' i upravleniye na atomnykh elektrostantsiyakh"), Moscow, Energiya, 1979, 272 p.

2. Nesterenko A.D., Dubrovny V.A., Zabokritsky E.I. "Handbook on setting up automatic control and regulation devices" ("Spravochnik po naladke avtomaticheskikh ustroystv kontrolya i regulirovaniya"), Kiev, Naukova dumka, 1976, 840 p.

3. Klyuev A.S., Tovarnov A.G. "Adjustment of automatic control systems for boiler units" ("Naladka sistem avtomaticheskogo regulirovaniya kotloagregatov"), Moscow, Energiya, 1970, 280 p.

4. Dubrovny V.A., Zabokritsky E.I., Tregub V.G., Kholodovskiy B.A. "Handbook on setting up automatic control and regulation devices" ("Spravochnik po naladke avtomaticheskikh ustroystv kontrolya i regulirovaniya"), Kiev, Naukova dumka, 1981, 462 p.

5. Klyuev A.S. "Automatic regulation" ("Avtomaticheskoye regulirovaniye"), Moscow, Energiya, 1973.

Submitted 18.03.2023; revised 13.06.2023 Information about authors

Viktor L. Burkovsky - Dr. Sc. (Technical), Professor, head of the Department of Electric Drive, Automation and Control in Technical Systems, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), e-mail: bvl@vorstu.ru, tel.: +7(473)243-77-20

Igor A. Boldyrev - Cand. Sc. (Technical), Associate professor, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), e-mail: boldyrev_igor@mail.ru, tel.: +7(473)243-77-20

Uliana A. Shcheglova - Student, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), e-mail: play4170@mail.ru, tel.: +7(920)429-58-56

Alexey S. Kozhin - Cand. Sc. (Technical), Associate professor, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), e-mail: ellexx@mail.ru, tel.: +7(473)243-77-20

Aleksey A. Golikov - Cand. Sc. (Technical), Associate Professor of the Department of Electric Drive, Automation and Control in Technical Systems, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), e-mail: galexey@yandex.ru tel.: +7(473)243-77-20

DEVELOPMENT OF LEVEL REGULATOR IN THE PRESSURE COMPENSATOR OF THE NPP FIRST CIRCUIT

Текст научной работы на тему «РАЗРАБОТКА РЕГУЛЯТОРА УРОВНЯ В КОМПЕНСАТОРЕ ДАВЛЕНИЯ ПЕРВОГО КОНТУРА АЭС»