Научная статья на тему 'Система регулирования давления в главном паровом коллекторе энергоблока АЭС'

Система регулирования давления в главном паровом коллекторе энергоблока АЭС Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

CC BY
2002
290
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩАЯ РЕДУКЦИОННАЯ УСТАНОВКА / ИМПУЛЬСНАЯ / THE FAST-ACTING REDUCING PLANT / PULSE AUTOMATIC CONTROL SYSTEM / COMPUTER-AIDED DESIGN

Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Раскин Евгений Михайлович, Денисова Людмила Альбертовна, Шипилова Ж. В. Жанна Владимировна

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.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по механике и машиностроению , автор научной работы — Раскин Евгений Михайлович, Денисова Людмила Альбертовна, Шипилова Ж. В. Жанна Владимировна

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

The pressure control system of the main steam manifold of the nuclear power generating unit

The steam pressure control system of the main steam manifold of the nuclear power generating unit is developed. The system is based on basis on the digital local controllers. The dynamic testing and system optimization results are given.

Текст научной работы на тему «Система регулирования давления в главном паровом коллекторе энергоблока АЭС»

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

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (93) 2010

отработавшей свой ресурс локальной аппаратуры авторегулирования «Каскад 1», применяемой до настоящего времени для регулирования давления в ГПК, в ЗАО «Автоматика-Э» разработан программнотехнический комплекс (ПТК) на базе цифровых локальных регуляторов ВЛР-2.1.

ПТК САР БРУ-К разработан в соответствии с требованиями нормативно-технической документации к управляющим системам важным для безопасности [2] в части предотвращения нарушения пределов безопасной эксплуатации при реализации автоматизированного управления.

Выносной локальный регулятор ВЛР-2.1, является микроконтроллером, способным реализовать кроме функций собственно регулирования также и автоматические защиты и блокировки технологического оборудования. Для сохранения существующих кабельных трасс и минимизации затрат номенклатура и характеристики входных и выходных сигналов, а также габаритные и установочные размеры цифровых регуляторов ВЛР-2.1 соответствуют аналогичным параметрам устройств типа «Каскад».

ПТК САР БРУ-К, предназначенный для регулирования давления пара в главном паровом коллекторе, находится в состоянии ждущего режима и автоматически включается в работу при повышении давления в ГПК до 50 кгс/см2 и при сбросе нагрузки на турбогенераторе более 20 % от максимального значения.

Для обеспечения надежной и безопасной эксплуатации энергетического блока при аварийных сбросах нагрузки или отключениях турбин САР БРУ К работает в различных эксплуатационных режимах (I, II, III) по сигналам от внешнего переключателя режимов. При действии аварийной защиты (АЗ-!) САР БРУ-К переходит из режима I или II (если были установлены эти режимы) в режим III.

САР БРУ-К формирует управляющие воздействия на электроприводы исполнительных механизмов (ИМ) регулирующих клапанов (РК) БРУ-К с учетом необходимых для безопасной работы механизмов блокировок, ограничений и защит. Регулирование осуществляется в III режиме по одноимпульсной схеме (регулируемый параметр — давление пара в ГПК). В I и II режимах схема регулирования трехимпуль-сная [3]. При этом регулируемый параметр — давление пара в ГПК, а корректирующие параметры при формировании задания регулятору — величина сброшенной нагрузки, положение клапанов БРУ-К или значение уровня в конденсаторе.

Импульсный регулятор ВЛР-2.1 управляет одновременно двумя клапанами, реализуя пропорционально-интегральный (ПИ-) закон регулирования во всех режимах работы и поддерживая во всем диапазоне нагрузок постоянное давление в ГПК — 47 кгс/см2. Для предотвращения повышения уровня в конденсаторе турбины выше допустимого в схему регулятора введен сигнал по уровню в конденсаторе, используемый для коррекции задания по давлению в ГПК: изменяющий задание САР БРУ-К в пределах (47 — 50) кгс/см2 при изменении уровня в конденсаторе турбины от 1200 мм (номинальный уровень) до 1400 мм (максимальный уровень).

В I режиме работы САР БРУ-К производится запоминание сигнала величины сброшенной нагрузки ТГ. При этом сигнал по величине сброшенной нагрузки компенсируется суммой сигналов по положению клапанов БРУ-К и сигналом по уровню в конденсаторе. Так как давление в ГПК в переходном режиме возрастает и величина сигнала по давлению

в ГПК изменяется, САР работает как регулятор соотношения: «величина сброшенной нагрузки ТГ — положение клапанов БРУ-К» с коррекцией по давлению в ГПК.

Во II режиме после окончания переходного процесса, клапаны БРУ-К устанавливаются в положение, соответствующее величине сброшенной нагрузки ТГ. При уменьшении сигнала величины сброшенной нагрузки регулятор, отслеживая этот сигнал, прикрывает клапаны БРУ-К.

В III режиме работы САР БРУ-К (используемый основной режим) сигналы по величине сброшенной нагрузки ТГ и по положению регулирующих клапанов отключены от регулятора, сигнал по уровню в конденсаторе турбины обеспечивает автоматическую коррекцию задания по давлению в ГПК.

Кроме того, ПТК САР БРУ-К выполняет информационные функции: сбор, обработку и передачу информации о параметрах процесса регулирования и значениях технологических величин для предоставления оперативному персоналу. Сервисные функции, реализуемые ПТК САР БРУ-К, следующие: контроль работоспособности технических и программных средств комплекса; конфигурирование и настройка контуров регулирования.

Программно-алгоритмическая реализация функций контроля и управления ПТК САР БРУ-К выполнена на базе описаний технологических режимов и состава оборудования, представленных в исходных материалах Кольской АЭС, в соответствии с требованиями к функционированию системы и рекомендациями эксплуатирующего персонала.

Представленная на рис. 1 обобщенная схема программно-алгоритмической реализации канала регулирования БРУ-К на средствах ВЛР-2.1 содержит, кроме того, структуру организации информационного обмена ВЛР-2.1 с источниками и потребителями сигналов: датчиками технологических параметров, инженерной станцией (ИС), схемами управления регулирующими клапанами.

Для обеспечения унификации и независимости отладки при разработке ПО выполнена декомпозиция алгоритма работы САР БРУ-К разбиением на функциональные специализированные алгоблоки.

Алгоблок ЛЬС_ОБЯ реализует алгоритм обработки входных сигналов, которые подвергаются диагностическому контролю дополнительно к контролю, осуществляемому в регуляторе аппаратными средствами. Контролируются диапазон изменения технологических параметров (сравнением с заданными граничными значениями) и скорость их изменения с формированием соответствующих признаков недостоверности информации. Входные сигналы от аналоговых датчиков демпфируются и масштабируются с учетом диапазонов изменения.

Алгоблок ЛЬС_ЯЕТ формирует задание САР по давлению в ГПК на основе хранимого в памяти ВЛР-2.1 базового значения с возможностью его плавной перестройки по командам оператора с инженерной станции. Кроме того алгоблок ЛЬС_ЯЕТ поизводит коррекцию задания по сигналам величины сброшенной нагрузки ТГ, уровня в конденсаторе турбины и положения регулирующих клапанов.

Алгоблок ЛЬС_ЯЕС осуществляет импульсное регулирование по ПИ-закону. В состав алгоблока ЛЬС_ЯЕС входит импульсный пропорциональнодифференциальный (ПД-) преобразователь, формирующий последовательность импульсов на открытие или закрытие РК в зависимости от величины поступающего на его вход отклонения давления в ГПК

Контроль и управление

2*\

Инженерная станция

ТУ

Сервисное

обслуживание

ВЛР-2.1

Р8-485

Р8-232

Микроконтроллер РТУ 188-МХ

ДЬО РІДСШ

Диагностика I4

самохода РК

ДЬО_й!ДОМ2

Диагностика отсутствия перемещения РК

Блок ввода аналоговых сигналов

а а

ДЬО_й!ДОМ3

Диагностика

неисправности

регулятора

БРУ-К

Блок ввода дискретных сигналов

Блок формирования дискретных сигналов

ДЬО_й!ДОМ4

Диагностика

технологических

нарушений

Модули ^аншлогового вывода

Плата

коммутации

Плата ГР

1Г 1Г

Схема Схема

управления РК1 управления РК2

н уге

1ПГ

К внешним потребителям

Рис. 1. Структурная схема программно-алгоритмической реализации канала регулирования на средствах ВЛР-2.1

от заданного значения, обеспечивая закон ПИ-регулирования совместно с исполнительным механизмом постоянной скорости.

Алгоблок ЛЬС_КЛ7Я формирует команду включения в работу БРУ-К при повышении давления в ГПК до 50 кгс/см2 и одновременном сбросе нагрузки на ТГ более 20% от максимального значения.

Алгоблок ALG_NA.GR вычисляет величину сброшенной нагрузки.

Алгоблоки диагностики ALG_DIAGN1 —ЛЬС_ формируют сигналы неисправности регулятора при недостоверных значениях входных сигналов ВЛР-2.1 и при технологических нарушениях в системе.

Программная реализация алгоритмов регулирования выполнена в автоматизированном режиме с помощью разработанного в ЗАО «Автоматика Э» языка технологического проектирования Терго1, который представляет собой интегрированную среду создания программного обеспечения контроллеров и содержит все средства для редактирования, компиляции, компоновки и отладки программ [4].

При использовании языка Терго1 технологический алгоритм представляется в виде набора графически соединенных между собой программно-

алгоритмических блоков из библиотечного набора. Схемный редактор позволяет набрать схему технологического алгоритма, а графический редактор создать новые блоки. Автоматизированы также компиляция набранной схемы в программу на языке С и создание загрузочного модуля. Инструментальный комплекс, использующий средства языка Терго1, позволяет автоматизировать отладку ПО и исследование характеристик контроллеров, в которых оно используется, с помощью встроенных средств моделирования.

Для иллюстрации приведена программная реализация средствами языка Терго1 алгоритма формирования задания регулятору — алгоблока ALG_SET (рис. 2). Алгоблок на языке Терго1 — укрупнённый, функционально законченный модуль, в развёрнутом виде представляющий собой схему программной реализации выполняемого им алгоритма. Входными параметрами в алгоблок ALG_SET являются обработанные в алгоблоке ALG_OBR сигналы от указателей положения клапанов БРУ-К и датчика уровня в конденсаторе, вычисленная в алгоблоке ALG_NAGR величина сброшенной нагрузки, а также команды по переключению режима работы САР БРУ-К и изме-

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (93) 2010 ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (93) 2010

%

Рис. 2. Структура алгоблока ALG_SET формирования задания регулятору

нению задания. На выходе алгоблока ALG_SET формируется задание давления в ГПК, поступающее в алгоблок ALG_REG. Используемые в алгоблоках параметры настройки хранятся в электрически стираемом программируемом постоянном запоминающем устройстве (ЭСППЗУ) ВЛР-2.1.

На рис. 3 показана реализация на языке Teprol входящего в состав алгоблока ALG_REG импульсного ПД-преобразователя, осуществляющего собственно функцию импульсного регулирования, выполненного так же, как на традиционных средствах, на основе трехпозиционного релейного звена с гистерезисом, охваченного обратной связью в виде апериодического звена первого порядка.

На испытательном стенде ЗАО «Автоматика-Э» проведены динамические испытания по оценке качества регулирования САР БРУ-К и соответствия техническим требованиям. В результате проведенных исследований выработаны рекомендации по оптимизации настройки САР БРУ-К. При этом учитывалось следующее.

С одной стороны, при резком снижении потребления пара турбогенератором должно производиться быстрое открытие РК БРУ-К, обеспечивая немедленный сброс пара в конденсатор турбины. С другой стороны, быстрое перемещение РК может привести к недопустимому падению давления в ГПК (перерегулированию) и срабатыванию блокировки на отключение САР БРУ-К. Кроме того, необходимо по технологическим соображениям по возможности уменьшить количество срабатываний исполнительных механизмов РК БРУ-К при стабилизации давления.

Поэтому для выбора оптимальных настроек принят интегральный показатель качества, позволяющий учесть все названные факторы

т

J3 = |(е2 + (5и)2М ,

0

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

где е—величина отклонения давления в ГПК от заданного значения; и—выходной сигнала регулятора на ИМ; {—текущее время; Т—верхний предел интегрирования, выбираемый не меньше времени переходного процесса.

Как видно из рис. 4а, критерий J3, представляет собой сумму следующих показателей: JI (оценивающего величину е), и рассматриваемого в установившемся режиме J2 (учитывающего с весовым коэффициентом выход регулятора и). Минимизация принятого показателя качества J3 позволяет обеспечить быстродействие системы, отсутствие перерегулирования, а также уменьшение количества срабатываний ИМ.

Кроме вышеизложенного, необходимо также принять во внимание, что основным рабочим режимом САР БРУ-К является так называемый пульсирующий режим, в котором выходная величина контура обратной связи следует за входной величиной регулятора, отличаясь от нее при движении ИМ в одном направлении на небольшую приблизительно постоянную величину. При этом ИМ включается несколько раз подряд в одном направлении, пока рассогласование не уменьшится до величины зоны нечувствительности.

В пульсирующем режиме при некоторых настройках САР БРУ-К в контуре регулирования могут возникнуть автоколебания, недопустимые в условиях нормальной эксплуатации как по технологическим соображениям, так и из-за опасности перегрева электродвигателя от частых реверсивных включений

Рис. 3. Структура импульсного ПД-преобразователя

50

100

Т ,с

и

Рис. 4. Графики для выбора параметров настройки САР БРУ-К:

0

К

Р

а — показатели качества работы, б — область рекомендуемых настроек кр и Ти

и усиленной амортизации подвижных элементов исполнительного механизма.

По результатам динамических испытаний были определены области без автоколебаний для настроек основных параметров контура регулирования: коэффициента передачи регулятора кр, постоянной времени Ти (рис. 4б) и коэффициента длительности импульса кимп (рис. 5).

На основе полученных результатов была выполнена оптимизация настройки контура регулирования САР БРУ-К и выработаны рекомендации для ее осуществления. Рекомендуется осуществлять оптимизацию настройки системы с помощью следующих последовательно выполняемых этапов.

Сначала устанавливается постоянная времени Ти в соответствии с постоянной времени объекта управления Тоб, являющегося по динамическим характеристикам апериодическим звеном для технологического параметра — давления в ГПК. Определяется Ти = (0,6 — 0,8) Тоб, как принято в практике наладочных

работ для ПИ-регуляторов. Затем выбирается коэффициент передачи регулятора кр, минимизирующий принятый интегральный показатель качества регулирования и находящийся в области отсутствия автоколебаний в системе (рис. 4). Далее из условия отсутствия автоколебаний выбирается желаемая длительность импульса по зависимости ^мп = f(kр ,Ти) (рис. 5а) и, наконец, по графику на рис. 5б устанавливается соответствующий коэффициент

кимп = ^(кр )'

На рис. 6 представлены полученные при проведении испытаний на моделирующем стенде динамические процессы в САР БРУ-К с установленными оптимальными параметрами. Возмущающее воздействие отрабатывается системой в соответствии с требованиями к протеканию проверяемого технологического режима III.

Динамические испытания ПТК САР БРУ-К, построенного на базе цифровых регуляторов ВЛР 2.1,

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (93) 2010 ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (93) 2010

г

К а)

Р ’

Рис. 5. Графики для выбора длительности импульса - зависимости:

а - (ими = 1(кр Ти) , б - кимп = 1(кр )

Рис. 6. Переходные процессы в САР БРУ-К при проведении испытаний

подтвердили выполнение требований к функционированию системы в различных эксплуатационных режимах.

Следует отметить, что высокий уровень диагностики состояния технических средств ПТК, технологического оборудования и параметров объекта управления, реализованный при построении ПТК САР БРУ-К, а также возможность регистрации и архивирования событий, возникающих в системе, позволяют повысить показатели надежности и улучшить качество протекания динамических режимов на энергоблоке.

Библиографический список

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

2. НП-026-04 Требования к управляющим системам, важным для безопасности атомных станций.—М.: Технорматив, 2007. — 6 с.

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

4. Раскин, Е.М. Инструментальный комплекс проектирования систем управления ЯЭУ на базе средств СПА-ПС. / Е.М. Раскин,

Л.А. Денисова, М.И. Федосеев // Математические модели для исследования и обоснования характеристик оборудования и ЯЭУ в целом при их создании и эксплуатации: тез. докл. семинара НТС Минатома России «Динамика, теплогидравлика и безопасность реакторов и АЭС». — Гатчина: НИТИ, 2000. — С. 175 — 177.

РАСКИН Евгений Михайлович, кандидат технических наук, директор ЗАО «Автоматика-Э», доцент кафедры «Автоматизированные системы обработки информации и управления» Омского государственного технического университета.

ДЕНИСОВА Людмила Альбертовна, кандидат технических наук, доцент кафедры «Автоматизированные системы обработки информации и управления» Омского государственного технического университета, старший научный сотрудник ЗАО «Авто-матика-Э».

ШИПИЛОВА Жанна Владимировна, инженер системотехнического отдела ЗАО «Автоматика-Э». Адрес для переписки: 644050, г. Омск, пр. Мира, 11.

Статья поступила в редакцию 04.06.2010 г.

© Е. М. Раскин, Л. А. Денисова, Ж. В. Шипилова

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.