论文总字数：24776字

摘 要

随着社会经济的发展，人口数量的与日俱增以及人们生活质量的提高，近年来，我国能源需求总量与日俱增。化石燃料的过渡消耗对生态环境造成严重的污染。综合分析各类新能源的应用，成本等问题，核能的优势显著，核能的发展势在必行。基于上述背景，本文先从核能的优劣势和发展现状和研究意义出发，接着对核电站控制系统进行相关介绍。进而对压水堆核电站的运行原理、系统结构、工作流程进行综合性说明，并对稳压器、蒸汽发生器热力过程进行研究，了解它们的功能和基本特性。

本文首先借鉴引用压水堆核电站稳压器和蒸汽发生器控制用模型，并对模型进行特性研究，进行建模仿真实验。通过运用常规控制策略和模糊控制策略，对稳压器和蒸汽发生器系统进行simulink控制仿真，并进行各类扰动实验，从而对常规PID和模糊PID两种方法对核电站的控制策略与作用效果进行分析和比较，以此证实采用模糊控制对非线性系统实现控制，提高核反应堆控制系统性能，对提高核电控制水平具有重要的工程意义。

关键词：核电，稳压器，蒸汽发生器，PID控制，模糊控制，simulink仿真

Abstract

Energy is an important material foundation for social and economic development, and it is an essential material guarantee for human production and life. In recent years, the sustained and rapid development of China’s economy has led to an increase in total energy demand. Fossil energy utilization is low, and it causes serious pollution to the ecological environment. Comprehensive analysis of various types of new energy applications, costs and other issues, the obvious advantages of nuclear energy, nuclear energy development is imperative. Based on the above background, this paper begins with the advantages and disadvantages of nuclear energy, development status and research significance, and then introduces the nuclear power plant control system. Further, the PWR nuclear power plant's operating principle, system structure, and work flow are comprehensively explained, and the thermodynamic processes of the regulator and steam generator are studied to understand their functions and basic characteristics.

It first establishes a model for PWR nuclear power plant control, and studies the characteristics of the model and conducts modeling simulation experiments. , For regulators and steam generator control system simulink simulation, and all kinds of disturbance experiments through the use of conventional control strategy and fuzzy control strategy to control strategies and effects of conventional PID and fuzzy PID are two ways to carry out a nuclear power plant analysis and comparison, this was confirmed by fuzzy control of nonlinear control system to improve the performance of nuclear reactor control system has important significance for improving nuclear power engineering control level.

Key words：Nuclear power, voltage regulator, steam generator, PID control, fuzzy control, simulink simulation

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1. 引言 1

1.2. 压水堆核电站控制系统的原理流程及主要功能 2

1.2.1. 一回路工作流程 3

1.2.2. 二回路工作流程 3

1.2.3. 核电站主要控制系统的介绍 4

1.3. 本文的内容与目的综述 5

第二章 稳压器和蒸汽发生器 6

2.1. 稳压器 6

2.1.1. 工作原理 6

2.1.2. 对象特性 6

2.2. 蒸汽发生器 8

2.2.1. 设备组成 8

2.2.2. 对象特性 8

第三章 控制方法策略及基本算法介绍 11

3.1. 引言 11

3.2. 常规PID控制 11

3.2.1. 比例（P）调节 11

3.2.2. 积分（I）调节 12

3.2.3. 比例-积分（）调节 13

3.2.4. 微分（）调节 13

3.2.5. 比例-微分（）调节 14

3.2.6. 比例-积分-微分（PID）调节 14

3.3. Mamdani模糊控制 15

3.4. 模糊PID控制 16

3.5. 比较与小结 18

第四章 蒸汽发生器水位控制 19

4.1. 概述 19

4.2. 发生器水位的常规PID控制 19

4.2.1. 控制方法 19

4.2.2. 水位设定值扰动的仿真结果与分析 21

4.2.3. 给水流量扰动的仿真结果与分析 22

4.2.4. 蒸汽流量扰动的仿真结果与分析 23

4.3. 蒸汽发生器的模糊PID控制 24

4.3.1. 控制方法 24

4.3.2. 模糊规则设置 25

4.3.3. 给定值扰动的仿真结果与分析 33

4.3.4. 给水流量扰动的仿真结果与分析 34

4.3.5. 蒸汽流量扰动的仿真结果与分析 35

4.4. 比较与小结 36

4.5. 变工况调节效果比较 37

4.5.1. 常规PID变工况 37

4.5.2. 模糊PID变工况 38

第五章 稳压器压力控制 39

5.1. 概述 39

5.2. 稳压器压力的常规PID控制 39

5.2.1. 控制方法 39

5.2.2. 压差设定值扰动的仿真结果与分析 41

5.2.3. 上冲阀开度扰动的仿真结果与分析 41

5.2.4. 加热器功率扰动的仿真结果与分析 42

5.3. 稳压器的模糊PID控制 42

5.3.1. 控制方法 42

5.3.2. 压差设定值扰动的仿真结果与分析 43

5.3.3. 上冲阀开度扰动的仿真结果与分析 44

5.3.4. 加热器功率扰动的仿真结果与分析 44

5.4. 比较与小结 45

工作总结与致谢 46

绪论

引言

随着社会的发展，人们的日常生活和生产对能源的需求与日俱增，能源的消耗量越来越大，化石能源的无节制使用给环境带来了极大的污染，也带来了能源危机。根据我国目前发展现状来看，火力发电厂仍是主流发电模式。这就导致了我国化石能源的日益匮乏以及环境的污染问题。如果电力结构得不到优化，我们将面临很多的问题与挑战，可持续发展的计划也会受到阻碍。为了缓解这些矛盾，风能、太阳能、潮汐能以及生物质能等可再生能源逐渐得到了广泛关注。然而这些发电方法都存在一定的缺陷。水力发电有可能会给电站周围的生态系统带来负面的影响，从而引发许多环境问题。风电的发展受到地理因素的限制较大，需要建设在风流量较多的地带，其受天气因素的影响也不可避免。此外，风能发电不是很稳定，发电效率比较低，现在的风能发电常用于电网的调峰，难以成为电网电能的主要来源。太阳能发电的效率也比较低，而且成本较高，因此使其无法进行大规模的应用和供电。因此核能是目前唯一得到公认的可实现可大规模替代常规能源的清洁经济型现代能源。

核能发电具有很多优势。首先，可作为核燃料发电的资源比较多，能够用作核燃料的资源绝大多数都储存在海洋和地壳中。就目前情况而言，这些资源储量很大，分布十分广，易于开采，不会轻易枯竭。其次，核能发电对环境的影响很小，基本上不排放或仅仅排放少量的二氧化碳等温室气体。这使得核能发电对环境很友好。最后，核能发电具有和火力发电相当的经济效益。发电的成本主要是来自于发电厂的基本建设费用，燃料费以及运行和维护的费用，而核电站的初始基建费用要大于一般的火电站，但是其燃料费用要远远小于火电站的燃料费。即从长远看来，核电站的运行经济效益要高于一般的火电站。

随着国家对核电产业的大力扶持，我国势必会迎来一个核电高速发展的时期。然而，核能发电也存在着一些问题和缺点。

首先是安全问题，反应堆事故和核电安全仍然是核能发展所面临的最重要课题。核电站含有大量的放射性物质，如果泄露到外界环境中去，会对周围环境，生态系统以及人民的身体健康造成极大的危害。而且人民对核电站的普及度较少，对其的运行和发展仍持有疑虑。在经历了美国三哩岛的核电站事故、前苏联的切尔诺贝利核电站事故、日本的福岛核电站爆炸事故后，人们更加清楚得认识到核电站事故的严重性和核电站安全的重要性。三哩岛和切尔诺贝利核电站事故的发生主要是因为在出现异常工况时，运行人员判断失误，操作不当，而且核电站在设计初始时不够完善，维护运行的工作没有做到位。

其次，对于核电站而言，其投资成本是一个不小的数目，因此对电力公司也造成了很大的影响，提高了财务风险。如果投资建设核电站的计划失败，造成的损失不可小觑。而且一些中小型国家，或者是发展中国家，受到经济，环境等各种因素的制约，导致发展核电的计划受阻，会造成国际社会能源分布的不平均。

最后，核电站较不适宜做尖峰、离峰之随载运转。虽没有化石燃料场污染物多，但核电站热效率较低，因而比一般化石燃料电厂排放更多的废热到环境里，故热污染较严重。

介绍完了核电的发展现状及其优劣势，下面简单叙述一下核反应的基本概念。

核能发电的能量来自可裂变材料进行裂变反应所释放的裂变能。裂变反应是指原子核在中子的打击下分裂为两部分，同时释放出中子和大量能量的过程^[1]。

核反应堆是核电站的核心和能量产生装置。核反应堆有很多种分类方法。按照能谱分类，分为热堆和快堆。两者的区别在于反应堆链式反应所利用的中子不同，前者为热能中子，后者为快速中子。按照冷却剂分类是最常见的分类方法之一，有轻水堆，重水堆，气冷堆和钠冷堆。顾名思义，此分类方法的依据便是冷却剂的不同，依次是水，重水，气体和金属钠。按照用途分类有试验堆，生产堆和动力堆。依次是，用于进行研究试验，用于生产自然界不存在的核燃料，以及用于生产发电或军事动力源。

压水堆核电站是最为普及且应用广泛的反应堆，我国投入运行并将建造的绝大多数核电站都是压水堆型的^[2]。因此，接下来要介绍压水堆核电站的基本流程及原理。

压水堆核电站控制系统的原理流程及主要功能

典型的压水堆通常含有两大回路，分别为一、二回路系统，它们之间的结构互相分离^[3]。图1.2.1画出了压水堆系统的工作流程：

图1.2.1 压水堆核电站的工作流程图

压水堆在目前应用最多、安全性能最高，一般用普通水来做冷却剂，且不会被汽化。

一回路工作流程

反应堆是压水堆核电站的核心，也是压水堆核电站一回路的起点。核裂变反应在反应堆中进行，将核能转化为热能用于后续的利用。水作为冷却剂（慢化剂），流动方向是从下方至上方流动，通过冷却剂的高压主泵送入反应堆中，在反应堆中吸收由核裂变反应产生的热能，成为高温高压水（通常保持在12-16MPa，温度300℃）从反应堆流出，然后沿着管道流入蒸汽发生器的U型管内，通过数量庞大的传热管，将热量传递给U型管外侧的二回路主给水，使主给水从沸腾状态变成饱和蒸汽。而与此同时，在蒸汽发生器内进行完放热的冷却水，再通过冷却剂的高压主泵重新打回到反应堆内再吸收核裂变反应产生的热能，经历吸热——放热——吸热的流程，从而形成一个完全封闭的吸热放热的循环流程，这个循环回路就被称作是压水堆核电站一回路系统，也称作是核蒸汽供应系统，它在功能和性质上就相当于是火力发电厂的锅炉系统。

二回路工作流程

蒸汽发生器在下文用替代。将水加热，蒸发，然后将其引入高压阀组中，确保高压缸的蒸汽量得到调节。蒸汽膨胀做功，因此热量转化为机械能，并且涡轮转子和发电机转子的两个转子刚性连接。因此，汽轮机直接驱动发电机发电，进而发动机运转，从而将机械能转化为电能。这个过程不断实现两种能量转换（热能 - 机械能 - 电能）。应该指出的是，一些蒸汽在充气时会被抽出，其中一些将被送往高压加热，而另一些则会进入辅助蒸汽系统。大部分蒸汽与水分离，通过继续加热产生蒸汽，一小部分送至4号低压加热器加热冷凝水。

过热会导致蒸汽转移到低压缸，在那里蒸汽的一部分分散到整个过程中，以传递消化过程中所含的热能。蒸汽完成后，它被称为乏气。冷却水通过循环冷却和冷凝蒸汽，蒸汽在液化时变成凝结物。蒸汽压力在主冷凝泵和次级冷凝泵的作用下进一步变大，并通过四个低压加热器的温度，最后进入除氧器。脱氧后，冷凝水通过泵的作用增加压力，流过高压加热器，最后到达的二次侧（以蒸汽发生器为界，人们产生蒸汽的一侧称为次要方面）。同时，水吸收热量后，蒸发至饱和。这种闭环回路也被称为核电站的第二回路系统。它可以被看作是火力发电厂中的蒸汽动力回路。第二回路中的“热能 - 机械能 - 电能”的能量转换过程在常规热力中也存在，这就是电路通常被称为“常规岛”的原因。

在正常情况下，通过增加二次回路系统的温度和压力，整个系统的热效率将会增加。这必须允许给水尽可能多地加热，而适当的增压可以增加给水的沸点。如果压力升高太高（超过15.5MPa），不但温升不会增加，而且会大大增加系统成本，因此应将压力提高到合适的范围。

核电站主要控制系统的介绍

电厂控制系统是确保电厂安全运行的关键。设计目标是在操作期间主要和次要回路保持功率平衡^[4]。控制单元通过调整其自身的操作状态或控制参数范围来实现所需的功能。控制系统可以执行自动控制，以尽可能接近指定值来调整和维护参数，从而使输出达到最佳效果。同时，单元系统可以安全正常运行。同时，执行警报，当参数超过极限时，可以执行保护措施，例如紧急停止，安全阀开启，涡轮跳闸和其他保护活动。

在反应器中的功率控制中，通过使用控制棒组和硼酸溶液可以压水堆核电厂以达到完全反应的控制，主反应器和第二循环期间控制电源通过以下两项更改完成对齐。第一种方法是改变由于中子吸收棒功率引起的反应堆的临界偏差。第二种方法是使用温度棒组来略微改变临界和功率分布变化的偏差（根据轴向条件）。

上述两种控制器之间的相互作用不仅可以改变反应堆冷却剂系统的硼酸浓度，还可以通过控制棒调节堆芯功率输出的轴向分布。通过提升和插入控制棒组来增加和减少硼酸浓度导致朝向芯的顶部和底部的力分布。功率控制棒的位置是蒸汽轮机负载设置的函数。

调节器控制系统由两部分组成：压力控制和水位控制。反应堆压力通过水域中的电加热器和蒸汽区域中的喷雾单元进行调节。水位控制是用于控制所保持的冷却水总量的化学和容积控制系统。液位的设计应尽可能地设计成与冷却液温度变化引起的变化接近。

水平控制的目标之一是在正常运行期间设定的最终值处尽可能地稳定水位，另一个在紧急停止期间将水位稳定在设定的最终值它是返回。中，控制两个阀打开供水管（平行发生器到入口）与主给水泵的操作速度（为了达到控制水母管和蒸汽母管之间的压力差的目的）通过这样做达到液位控制。

平均主温度控制系统（反应器温度通常不直接测量）用来调整温控棒组的位置。系统在获得的温度信道信号和功率失配信道信号的基础上，调整棒的速度和方向，从而确保平均温度以及主循环的设定值是在一个小范围内。同时，该系统还与功率调节棒一起工作，以补偿功率损耗并参与系统反应性的调整。应该注意的是，反应堆功率水平和次级回路的负载变化对主回路的平均温度都有恒定的影响。

核电站独特的控制系统是一个蒸汽旁路控制系统，可解决核岛和常规岛的电力不匹配问题。

制冷剂压力和液位控制系统通过在不改变压力的情况下吻合调节器中的液位和所需的值，可以保证干扰功能下主电路的正常运行。

主给水流量控制系统控制蒸汽发生器的二次水流量，使二次回路在各种干扰下正常运行。

本文的内容与目的综述

第一章阐述了核电的现状以及越来越重要发展地位，并对核电站的优劣势加以阐述和分析，对压水堆核电站的控制系统进行了初步介绍。在某些情况下，传统方法难以满足一些复杂的系统。这些系统也将随着时间而改变，不仅具有大的延迟，而且具有非线性。因此，不应局限于常规控制，而应该寻找其他更好的控制策略。

第二章重点介绍了稳压器和蒸汽发生器的组成和基本原理，并进一步分析并得出了稳压器和蒸汽发生器的对象特性，参考引用并建立了基本的控制模型，给出了传递函数，绘制阶跃响应曲线等方法。

第三章介绍了传统PID控制（传统调节方式），模糊控制（属于智能类）和模糊PID控制（前两者组合）的简单算法介绍和初步比较。他们各自的调整原则和参数设置对调控效果的影响。同时，本章还着重介绍了PID中三个模块的作用以及模糊PID中三个参数的选择规则。

第四章对核电厂蒸汽发生器水位控制进行方案设计，模拟试验和结果分析，采用常规和模糊PID两种不同的方法，研究给定值，内部以及外部扰动的控制效果。重点是对蒸汽发生器控制的simulink仿真，获得实验曲线并进行一定的分析。

第五章对稳压器压力控制进行方案设计，模拟试验和结果分析，采用常规和模糊PID两种不同的方法，研究给定值，内部以及外部扰动的控制效果。重点是对稳压器压力控制的Simulink仿真，获得实验曲线并进行一定的分析。

稳压器和蒸汽发生器

稳压器

工作原理

压水堆核电厂的稳压器是控制主回路压力和水位的重要设施，具有超压保护功能。根据对压力和水位的影响，主要功能大致可以分为两种^[5]。

关于压力控制，稳压器在稳态运行期间控制主回路系统的绝对压力接近设定值15.5MPa，以防止反应器冷却器汽化。在功率正常变化的情况下，在中小事故情况下都能保证其稳定性。稳压器可将反应堆冷却剂系统（RCP）系统的压力变化控制在允许的范围内，以确保安全并避免紧急停机。

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