A Paksi Atomer m primérköri reaktor teljesítmény szabályozó rendszerének szimulációs vizsgálata

Pázmány Péter Katolikus Egyetem Információs Technológiai Kar mérnök informatikus szak

Önálló laboratórium beszámoló

A Paksi Atomer®m¶ primérköri reaktor teljesítmény szabályozó rendszerének szimulációs vizsgálata Sonnevend Ilona Témavezet®: Prof. Hangos Katalin

Budapest, 2011.

Tartalomjegyzék

Tartalomjegyzék

1

1 Bevezetés

3

2 Primérköri reaktor teljesítmény szabályozó rendszer implementálása szimulációs környezetbe

5

1.1 Motiváció . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2 Feladatkit¶zés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3 Irodalom kutatás . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.1 A primérköri elemek egyszer¶ leírása . . . . . . . . . 2.2 Primérköri reaktor teljesítmény szabályozó rendszer . 2.3 N módú szabályozó . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.1 A szabályozó validálása . . . . . . . . . . . . . 2.4 T módú szabályozó . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.1 A szabályozó m¶ködésének leírása . . . . . . . 2.4.2 A T szabályozó paramétereinek hangolása . . 2.4.3 A szabályozó validálása . . . . . . . . . . . . . 2.5 A reaktorteljesítményszabályozó rendszer kialakítása szimulációs környezetben . . . . . . . . . . . . . . . .

3 3 4

. . . . . . . . 5 . . . . . . . . 7 . . . . . . . . 8 . . . . . . . . 8 . . . . . . . . 9 . . . . . . . . 9 . . . . . . . . 12 . . . . . . . . 14 és tesztelése . . . . . . . . 15

3 A primérkör modelljének érzékenység vizsgálata

18

4 Nyomáskiegyenlít® tartály

22

5 Összefoglalás

25

3.1 A primérkör modellje és a vizsgált paraméterek . . . . . . . . . . . 18 3.2 Az érzékenységvizsgálat módszere és eredményei . . . . . . . . . . . 19 3.3 Érzékenységvizsgálat során kapott eredmények felhasználása a mérési adatok további közelítéséhez . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 4.1 Nyomáskiegyenlít® tartály szerepe, felépítése és m¶ködése . . . . . . 22 4.2 Nyomáskiegyenlít® tartály felhasználása az eddig kapott szimulációs eredmények validálására . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

TARTALOMJEGYZÉK

2

5.1 Köszönetnyílvánítás . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

Ábrák jegyzéke

26

Irodalomjegyzék

27

Függelék

28

1

1.1.

Bevezetés

Motiváció

A Paksi Atomer®m¶, mely Magyarország villamosenergia termelésének több mint 40%-át adja, 1973-1987 között épült. Az er®m¶vet 30 évre tervezték, így a négy nyomottvizes, kétkörös blokk közül a legkés®bb elkészült, 4-es blokk m¶ködési engedélye is már 2017 körül lejár. A Paksi Atomer®m¶ Rt. 2001-ben határozott célként fogalmazta meg az er®m¶ élettartamának meghosszabítását. Ahhoz, hogy az er®m¶ a tervezett 30 év után még 20 évig m¶ködhessen, szükséges a jelenlegi blokkok teljes átvizsgálása és korszer¶sítése. Egy er®m¶ élettartamát azoknak a berendezéseknek az élettartama határozza meg, amelyek a biztonságos m¶ködés alapjául szolgálnak, és valamilyen oknál fogva nem cserélhet®k. Az egyes részegységek élettartama a szabályozás újratervezésével, illetve egy felügyeleti szabályzó kialakításával megnövelhet®. A szabályozórendszerek korszer¶sítéséhez az MTA-SZTAKI-ban végeztek el®tanulmányokat, ehhez a munkához csatlakoztam 2011 februárjában. A szabályozó rendszerek tervezéséhez, összehangolásához ill. a dinamikai vizsgálatokhoz szükség van egy megbízható dinamikai modellre, amely pontosan leírja az er®m¶ben zajló reaktorkinetikai folyamatokat. A modellt az alapján lehet értékelni, hogy mennyire jól közelíti paksi er®m¶ blokkjainak mérési adatait. Az er®m¶ primérköri modelljének elkészítését és implementálását MATLAB Simulink környezetben Gábor Attila BME-s zikus hallgató végzi, diplomamunka keretében [6]. Önálló laboratóriumom során ezt a munkát segítettem a jelenleg az er®m¶ben m¶köd® primérköri szabályozók Simulinkben való implementálásával, a modell érzékenység vizsgálatával és a nyomáskiegyenlít® tartály modelljének integrálásával az újonnan elkészített Simulink modellbe. 1.2.

Feladatkit¶zés

Önálló laboratóriumi munkám során a MATLAB Simulink környezetben implementálandó primérköri modell elkészítésében és mérési adatokkal való ellen®rzésében segédkeztem. A következ® konkrét feladataim voltak:

FEJEZET 1.

BEVEZETÉS

4

• A jelenleg m¶ködésben lev® primérköri N és T üzemmódú szabályozók imp-

lementálása Simulink környezetben

• A szabályozók paramétereinek a hangolása • A modell érzékenység vizsgálata • A nyomáskiegyenlít® tartály régi modelljének integrálása az új modellben 1.3.

Irodalom kutatás

Irodalomkutatásom f®ként a Folyamatirányítási Kutatócsoport eddigi publikációira korlátozódott, hiszen a munkámhoz szükség volt arra, hogy megismerjem azokat az eredményeket, amit az er®m¶ primérköri modellezésével kapcsolatban eddig elértek. Fazekas Csaba doktori disszertációjából [1] megismertem a régi primérköri modellt, amellyel eddig a kutatócsoport dolgozott. Itt olvashattam a pirmérkör felépítésér®l és az ott zajló folyamatokról. Gábor Attila B.S.c. szakdolgozatából [2] pedig megismertem az újonnan készített primérköri modellt, amivel az önálló laboratóriumom során dolgoztam. Munkám szempontjából az egyik legfontosabb forrás a Paksi Mérnöki Kft. által készített reaktorteljesítmény szabályozás megvalósíthatósági tanulmány [3] volt. Itt ismerkedhettem meg ugyanis a T ill. N módú primérköri reaktorteljsítmény szabályozókkal, melyek implementálását Simulink környezetbe feladatul kaptam. A nyomáskiegyenlít® tartály identikációjáról és modellezésér®l szóló cikkben [4] olvashattam a primérköri nyomáskiegyenlít® tartály modelljér®l, melynek egy régebbi implementációjat az újonnan készült primérköri modellhez kellett illesztenem. A munkámhoz pedig motiváló er®vel bírt a [5] cikk, melyben nyomottvizes er®m¶ esetén tervezett modell prediktiv szabályozó van bemutatva. A kutatócsoport távlati célja ugyanis egy új beavatkozástervezés és felügyeleti szabályozó rendszer kialakítása az er®m¶höz. Ehhez pedig egy megbízható dinamikai modellre van szükség, melynek készítésében az önálló laboratóriumom során segédkeztem.

2

Primérköri reaktor teljesítmény szabályozó rendszer implementálása szimulációs környezetbe

Munkámhoz kiindulásként adott volt az újonnan készített primérköri modell, és annak Simulink implementációja, továbbá több órás mérési adatok az er®m¶ primérköréb®l. A Simulink modell úgy m¶ködött, hogy a szabályozó rudak helyzetét mérési adatokból nyerte ki, és ennek segítségével szimulálta a többi pirmérköri mennyiséget. Feladatom az volt, hogy elkészítsem a jelenleg az er®m¶ben m¶köd® primérköri rekatorteljesítmény szabályozók Simulink modelljét, hogy ezzel is hozzájáruljak az eddig elkészített modell validálásához. A reaktor teljesítmény szabályozó a szabályozó rudak helyzetét változtatja a primérkörben mérhet® neutronuxus vagy a szekunderköri g®znyomás függvényében. A munkámhoz adottak voltak a szabályozók struktúrái, ám ezek paraméterei részint ismeretlenek voltak. Így a szabályozók implementálása után a feladatom az volt, hogy a szabályozók paramétereit úgy állítsam be, hogy ezek mellett a primérköri szimulációs mennyiségek a lehet® legjobban közelítsék meg a er®m¶b®l kapott mérési adatokat. A reaktor teljesítmény szabályozónak két üzemmódja van: az N üzemmód (RKKN szabályozókör) és a T üzemmód (RKKT szabáyozókör). Ebben a fejezetben a RKKN ill. RKKT szabályozóköröket, azok felépítését és MATLAB Simulink környezetbe való implementálását, és hangolását taglalom. 2.1.

A primérköri elemek egyszer¶ leírása

Miel®tt rátérnék a szabályozókörök konkrét bemutatására, szeretném röviden leírni a primérkör m¶ködését [1]. Ezen folyamat megértése ugyanis elengedhetetlen ahhoz, hogy a szimulációs eredményeket értelmezni tudjuk. Egy nyomottvizes atomer®m¶ egyik legfontosabb része a primérkör. Ennek feladata, hogy a reaktorban termelt h®t közvetítse a szekunder kör felé, miközben folyamatosan h¶ti a reaktort.

FEJEZET 2.

PRIMÉRKÖRI REAKTOR TELJESÍTMÉNY SZABÁLYOZÓ

RENDSZER IMPLEMENTÁLÁSA SZIMULÁCIÓS KÖRNYEZETBE

6

2.1. ábra. Primérkör felépítése. Forrás: [1] A 2.1 ábrán láthatóak a f®bb primérköri elemek (reaktor, g®zfejleszt®, f® vízszállító csövek, nyomáskiegyenlít® tartály) és ezek kapcsolatai. (Az ábrán fekete négyszögek mutatják, hogy hol történik on-line mérés, a duplafalú négyzetek pedig a szabályozókat jelölik.) A primérkör legfontosabb egysége a reaktor, melyben a szabályozott thermonukleáris folyamatok zajlanak. Az itt felmelegített vizet nagy nyomás alatt tartva szállítják a csövekben, hogy a forrást elkerüljék. A reaktorban termelt energiát

FEJEZET 2.



7

a primérkör víz formájában továbbítja a g®zfejleszt®be, ahol a termelt energiát a g®zfejleszt®ben lev® szekunder oldali víz forrálására, tehát g®z generálására fordítják. Így tev®dik át a primérköben termelt h® a szekunder oldalra. A szekunder oldalon termelt g®zt pedig a g®rmeghajtású turbinákhoz szállítják. A nyomáskiegyenlít® tartály feladata kett®s. Egyfel®l szabályozza a primérkörben lev® nyomást azáltal, hogy a benne lev® vizet melegíti, másfel®l pedig a vízszintjével indikátorként hat a primérköri vízmennyiség szabályozójára. 2.2.

Primérköri reaktor teljesítmény szabályozó rendszer

A primérköri reaktorteljesítményszabályozó (a továbbiakban röviden RTSZ) sémáját a 2.2 ábra mutatja. Ezen szabályozó körök feladata, hogy a vezéreljék a reaktorban lev® szabályozórudakat, melyek állása a neutronuxus, következésképpen a reaktorteljesítmény nagyságát befolyásolja. A RKKN szabályozókör használatos konstans referenciateljesítmény követésekor, a RKKT szabályozókör pedig teljesítmény le- és felterheléseknél. Megjegyzés: a szabályozórudak esetében az 1 vezérl®jel a rudak betolását, a −1 a rudak kihúzását és a 0 pedig a rudak helybenhagyását jelenti. Továbbá a neutronuxus és a reaktorteljesítmény egymásnak megfeletethet® zikai mennyiségek.

2.2. ábra. RTSZ blokkséma. Forrás:[3]

FEJEZET 2.



2.3.

8

N módú szabályozó

A RKKN szabályozókor, más néven N módú szabályozó sémája a 2.3 ábrán látható. Ezen szabályozót konstans referenciateljesítmény követésének elérésére tervezték. M¶ködése lényegében nagyon egyszer¶: ha a tényleges teljesítmény az alapjelt®l 1%-nál nagyobb mértékben tér el, akkor a komparátor kimenetén nem 0 jel jelenik meg. Ha a mért neutronuxus kisebb a kelleténél, akkor a komparátor kimenete 1, ellenkez® esetben −1. A szabályozó egészen addig ad nem 0 vezérl®jelet, amíg a különbség a mért és a referenciateljesítmény között 0 nem lesz. Tehát a szabályozó húz a rúdon, ha a mért teljesítmény kisebb, tol ha nagyobb volt amikor a különbség átlépte a küszöbértéket, egészen addig, amíg ez a különbség 0 nem lesz. Megjegyzés: A RKKN szabályozón belül a fent leírt számításokat egymástól 3 független blokk végzi párhuzamosan. A 3/2-es doboz azt jelenti, hogy a szabályozó akkor dönt egy adott kimenet mellett, ha a három számítási mód alapján legalább 2 dönti ugyanazt. Ezt a szimulációba nem integráltam.

2.3. ábra. N módú szabályozó sémája. Forrás: [3] A RKKN szabályzó MATLAB Simulink környezetben történ® megvalósítását a 2.4 ábra mutatja. 2.3.1.

A szabályozó validálása

A szimulációban, mely során az 2.5 ábrán látható eredményeket kaptam, fontos gyelembevenni a primérkörre jellemz® h®mérsékletzavarásokat is. Az alkalmazott h®mérséklet zavarást a 2.6 ábra mutatja. A zavarás mértékét a mérési adatokból

FEJEZET 2.



9

2.4. ábra. N módú szabályozó implementációja Simulinkben határoztam meg, ezekb®l ugyanis az látszott, hogy konstans teljesítmény mellett valósak az ilyen jelleg¶, néhány tized fokos zavarások. Emellett pedig egy 0 várható érték¶, 0.001 varinaciájú Gaussi fehér zajjal terheltem a h®mérsékletet. Látható, hogy a szimuláció során az N üzemmódú szabályozó tudta tartani a konstans referencia teljesítményt, ill. látható, hogy a rúdhúzások azaz beavatkozások is ott kezd®dtek, ahol a teljesítmény átlépte a +/1%-os eltérést az alapjelt®l, és addig tartottak, amíg az eltérés értéke 0-ra nem csökkent. A szimuláció során tehát az szabályozó a leírásnak megfelel®en m¶ködött. Az N módú szabályozóval való foglalkozás f® célja az volt, hogy ezen keresztül megismerjem a modellt és a tesztkörnyezetet. Bonyolultabb, ám fontosabb feladat a T módú szabályozó m¶ködésének megértése, és modellezése, ezt készítette el¶ ez a "bemelegít®" feladat. 2.4.

T módú szabályozó

A RKKT szabályozó másnéven T módú szabályozó sémája a 2.7 ábrán látható. Ezen szabályozót akkor használják, ha a reaktorteljesítmény változó referenciajelet kell, hogy kövessen, tehát le- ill. felterheléseknél. Ekkor beavatkozás mértéke és gyorsasága gyelembe kell, hogy vegye más primérköri elemek (vízszállító csövek) késleltetését, így ebben az esetben egy különböz® m¶ködési elv¶ szabályozóra van szükség. Ezen szabályozó Simulink megvalósítása a 2.8 ábrán látható. 2.4.1.

A szabályozó m¶ködésének leírása

Kezd®állapotban a mért nyomás megegyezik a referencia nyomással, ilyenkor a P3 komparátor tiltja a P2 komparátort. Ugyanezen helyzetben az integrátor kimenete: lnN0 (ahol N0 a nominális teljesítmény). Ha leterhelik a blokkot (mondjuk 90%-ra), akkor az átlagnyomás megemelkedik. Ameddig a mért nyomás nem haladja meg a referencia nyomás értékét +0.5 barral, nem történik beavatkozás. 0.5 bar nyomás különbség esetén P3 komparátor nyit, és engedélyezi P2 komparátor m¶ködését, melynek nyitási értéke feltehet®en

FEJEZET 2.



10

2.5. ábra. Szimulált reaktorteljesítmény (%/s) és rúdpozíciók (m/s) N módú szabályozó m¶ködése esetén

2.6. ábra. Alkalmazott h®mérsékletzavarás az N szabályozó validálása során szintén +/ − 0.5 bar, mely hatására a kimeneten megjelenik a −1 vezérjel, amely a szabályozó rudak betolását jelenti. Mivel a kimeneten ekkor megjelent egy nem 0 jel, ezért az integrátor bemenetére 0 kerül (b állásba kapcsolódik). Ennek hatására az integrátor meg®rzi a beavatkozás el®tti lnN0 értéket. A rúd betolás hatására a teljesítmény gyorsan csökken, ami a logaritmátoron egyb®l jelentkezik (ez egy gyors folyamat, kb.

FEJEZET 2.



11

2.7. ábra. RKKT szabályozó blokksémája. Forrás: [3]

2.8. ábra. RKKT szabályozó implementálása Simulinkben 1 − 2 s, ezalatt a reaktorteljesítmény kb. 2%-ot fog csökkenni), ám a szekunder oldalra a teljesítmény csökkenés csak 10 − 20 s elteltével jelenik meg.

A teljesítmény csökkenés miatt az A6 különbségképz® kimenetén negatív érték jelenik meg (lnN − lnN0 ), tehát ez csökkenteni fogja a P2 komparátorba az A5 összegz® fel®l érkez® értéket. A beavatkozás addig tart, amíg el nem érjük a P2 komparátor záró értékét (ez valószín¶leg 0). Fontos megjegyezni, hogy a m¶ködés leírása a [3] dokumentumból származik, de itt némely paraméter értékét nem adják

FEJEZET 2.



12

meg számszer¶en, igy ezek esetében feltevésekre vagyunk utalva (erre utalunk a "feltehet®en" vagy "valószín¶leg" jelz®vel). Amikor a P2 komparátor zár, akkor a kimeneten megjelen® 0 jel hatására az integrátor bemenetére az A6 különbségképz® kimenete kerül ( a állásba kapcsol). Az integrálási id® függvényében az A6 kimenete 0-ra fog visszaállni, hiszen az integrátor felveszi az új állandósult teljesítmény értéket. Az integrálási id®t úgy kell megválasztani, hogy ennyi id® alatt a reaktorteljesítmény csökkenésének hatása megjelenjen a szekunder köri nyomásban (kb 10 − 20 s). Ha ezen beavatkozás kevésnek bizonyult, akkor a referencia nyomás és a mért nyomás különbsége még mindig meghaladja a 0.5bar értéket. Mivel akkor P3 komparátor továbbra is engedélyezi a P2 komparátor m¶ködését, azért egy ismételt beavatkozás történik. 2.4.2.

A T szabályozó paramétereinek hangolása

A szabályozó implementálásánál fontos cél, hogy a megvalósított szabályozó tudja követni ugyanazt a m¶ködést, amit a mérési adatok tükröznek. Így a szabályozó paramétereit úgy kell megválasztani, hogy a szabályozó m¶ködésének eredményeként kapott mennyiségek (ezek között fontos a rúdpozíció, rekatorteljesítmény, meleg- és hidegági h®mérséklet, g®zfejleszt® nyomás) ráilleszthet®ek legyenek a mért mennyiségekre. A fenti feladat egy optimalizációs feladat, melyet egy két dimenziós keresési térben kell megoldani. A nem ismert paraméterek az A6 er®sít® értéke és az integrátor id®állandója. A feladat megoldásához egy jó célfüggvényt kell deniálni, mellyel megadjuk, hogy mit®l lesz jó a szabályozó m¶ködése. A szimulált szabályozó m¶ködését akkor mondhatjuk jónak, ha a szimulált beavatkozások ideje egybeesik a mért beavatkozások idejével, továbbá ha a beavatkozások hossza, azaz a kapott rúdpozíciók értéke ráilleszthet® a mérési adatokra. Végeredményben az a fontos, hogy a szabályozó m¶ködésének következtében el®álló reaktorteljesítmény minél jobban megközelítse a mérési adatokat. Mindezenközben vizsgálni kell még más primérköri mennyiségek alakulását: a meleg és hidegági h®mérsékletet és a g®zfejleszt®ben keletkez® nyomás értékét, hiszen a szimuláció során ezekkel sem szabad eltávolodni a mérési adatoktól. Jelen esetben egy nem-lineáris optimalizációs feladattal van dolgunk, mely analitikus megoldása nagyon bonyolult lenne. Éppen ezért heurisztikus optimalizációt alkalmaztam a mért és a szimulált adatok közötti különbség minimalizálására. A követett módszer lényege a következ®: • Keressünk egy kiindulási paraméter-párost, mellyel kapott szimulációs ered-

mények szemre jónak mondhatóak.

• Növeljük, majd csökkentsük a paraméterek értékét egyesével, és vizsgáljuk a

kapott szimulációs eredményeket. Ez alapján ki tudjuk következtetni, hogy melyik paraméternek milyen hatása van a szabályozó m¶ködésére.

FEJEZET 2.



13

• A fenntiek alapján becsüljük meg, hogy a két paraméter mely irányú és mér-

ték¶ együttes változtatásával jutunk jobb eredményre.

Kiindulásképpen a szabályozó m¶ködését a következ® paraméterekkel szimuláltam: A6 = 6 és az integrálási id® 1000. Az így kapott szimulációs eredmények láthatóak a 2.9 ábrán. Itt látható, hogy a szabályozó m¶ködése még elég távol áll a mérési adatokból kiolvasható m¶ködést®l, továbbá a többi, szimulált primérköri mennyiség esetén is lényeges eltérés tapasztalható a mérési adatoktól. Ezen szeretnék a továbiakban kvalitatívan javítani.

2.9. ábra. T szabályozó m¶ködése A6 = 6 és 1000 integrálási id® esetén (kiindulás) A fent leírt módszerrel dolgozva, az els® lépésben a következ® következtetéseket tudtam levonni, a reaktorteljesítmény alakulására nézve: 1. A6 er®sít® hatása a szabályozó m¶ködésére: Az A6 er®sít® értékének növelésének hatására az egyes rúdhúzások ideje csökken, ám cserébe n® a beavatkozások lépésszáma. Ez azzal magyarázható, hogy a nyomáskülönbség az A5 -ös összegz®ben így hamar kompenzálódik, így a P 2-es komparátor hamar zár. Ám ha az íly módon rövidített beavatkozás nem csökkentette le eléggé a g®zfejleszt®ben lev® nyomást, akkor újabb beavatkozásra lesz szükség, tehát a P 2-es komparátor egy id® után újra nyitni fog (mégpedig akkor, ha az integrátorban lev® összeg már nem elég a nyomáskülönbség kiegyenlítéséhez). Ugyanígy igaz az is, hogy ha az A6 értékét csökkentjük, akkor a szabályozó kevesebb, de hosszabb ideig tartó rúdhúzásokkal fogja elérni a kívánt eredményt. Ez a hatás látható a 2.10 ábrán. Az els® esetben A6 értéke 6, a második esetben 7 volt.

FEJEZET 2.



14

2.10. ábra. A6 er®sít® hatása a T szabályozó m¶ködésére (s/W) 2. Integrátor id®állandójának hatása a szabályozó m¶ködésére: Az integrátor id®állandójának növelésével lényegében a rúdhúzások, vagyis a beavatkozások között eltelt id® hossza növelhet®. Ez azzal magyarázható, hogy ha az id®állandó nagyobb, akkor az integrátor, miután a állásba kapcsolt, hosszabb id® alatt fogja csak tudni az A6 kimenetére kerül® összeget csökkenteni, azaz ez esetben az A5 összegz®ben több ideig tudjuk kompenzálni a nyomáskülönbség nagyságát, így késleltetjük a P 2 komparátor újabb nyitását. Ugyanígy az is elmondható, hogy az integrálási id® csökkentésével az egyes beavatkozó lépések között eltelt id® csökkenthet®. Ez látható a 2.11 ábrán, ahol is az els® esetben 1000, a második esetben 5000 volt az integrálási id®. Láthatjuk ebb®l tehát, hogy a kiindulási paraméterek értékét együtt növelve juthatunk kvalitatívan jobb eredményre, hiszen a kiindulásként kapott szimulációs eredményhez képest kevesebb számú (egészen pontosan három), ám hosszabb ideig tartó beavatkozásokra van szükség. 2.4.3.

A szabályozó validálása

A fent leírt heurisztika alapján mozogva a keresési térben, a következ® kongrációra jutottam: A6 értéke legyen 6.5, az integráláis id® pedig 2000. Így a 2.12 ábrán látható megoldásra jutottam. Ez a m¶ködés tulajdonképpen megfelel a mé-

FEJEZET 2.



15

2.11. ábra. Integrálási id® hatása a T szabályozó m¶ködésére (s/W) rési adatoknak, hiszen a primérköri modellben nincs gyelembe véve h®veszteség, amivel magyarázható a mérési adatok és a szimulált eredmények eltérése. Látható, hogy a szimulált beavatkozások ideje és hossza közel egybeesik a mérési adatok által tükrözött beavatkozásokéval. Itt szeretném megjegyezni, hogy a kb. 357700 s után tapasztalható eltérés a szimulált és a mért adatok között azzal magyarázható, hogy ekkor az operátorok a szabályozót kézi üzemmódba kapcsolják, és kézzel állítják be a szabályozó rudak pozícióját. Erre azért van szükség, mert a T szabályozó felterhelésnél er®s túllövéseket produkál, az er®m¶ pedig nomrál m¶ködés esetén nem érheti el 103%-os reaktorteljesítményt. Éppen ezért ezen a szakaszon nem lehet reprodukálni a mért adatokat. 2.5.

A reaktorteljesítményszabályozó rendszer kialakítása és tesztelése szimulációs környezetben

A paksi er®m¶ben implementált reaktroteljesítményrendszer képes az üzemmódok között (T, N ill. kézi) kapcsolgatni. Ezt a kapcsoló mechanizmust én is integráltam a Simulink modellbe, a 2.13 ábrán látható módon. 1-es vezérl®jel esetén az N, 0-s esetén a T szabályozó fog m¶ködni. Ha T üzem-

FEJEZET 2.



16

2.12. ábra. T szabályozó m¶ködésére A6 = 6.5 és 2000 integrálási id®vel módból N üzemmódba kapcsolunk, akkor az N szabályozó által tartott referenciajel az átkapcsolás pillanatában mért reaktorteljesítmény lesz. A 2.14 ábrán láthatóak egy olyan szimuláció során kapott eredmények, ahol a leterhelés és a felterhelés közötti konstans teljesítmény értéket N szabályozóv tartja, míg a fel és a leterhelések T szabályozóval m¶ködése által valósulnak meg.

FEJEZET 2.



17

2.13. ábra. Reaktorteljesítmény szabályozó rendszer megvalósítása Simulink környezetben

2.14. ábra. Reaktorteljesítmény szabályozó rendszer megvalósítása Simulink környezetben

3

A primérkör modelljének érzékenység vizsgálata

A primérkör modelljét, melyhez az el®z® fejezetben bemutatott szabályozókat implementáltam, Gábor Attila készítette és valósította meg Simulink környezetben, M.S.c. diplomamunkájának keretében [6]. A modell struktúrája zikai meggondolásokból ismert, ami viszont bizonytalan, az az egyes paraméterek értéke. Paramétert becsülni a mérési adatok alapján lehet, hiszen a cél egy olyan modell létrehozása, amely a mérési adatokat reprodukálja. Nem-lineáris, visszacsatolt rendszer esetében azonban a paraméterbecslés egy igen nehéz feladat. A modell készít®jének az egy fontos visszajelzés, hogy a modell mely paraméterekre érzékeny, hiszen könnyen elképzelhet®, hogy egy paraméter értékének kis változása a modell m¶ködésében nagy változást eredményez. Fontos tehát tudni, hogy mely paraméterek milyen mérték¶ változása van hatással a modellre. Ezért végeztem érzékenységvizsgálatot a meglév® primérköri modellen. 3.1.

A primérkör modellje és a vizsgált paraméterek

A modell egyenletek az alábbiak [2] (jelölések jegyzéke a függelékben található): dN N =β αf (Tf − Tf 0 ) + αm (Tm − Tm0 )+ dt Λ ! β σ X (X − X0 ) − 1 + C +p2 z 2 + p1 z + p0 + β Λ dC = λC (N − C) dt dTf Tf 0 − Tm0 = −A1 (Tf − Tm ) + A1 N dt N0 dTm Tf 0 − Tm0 = A3 (Tf − Tm ) − A3 (Tm − Tin ) dt Tm0 − Tin0

FEJEZET 3.

A PRIMÉRKÖR MODELLJÉNEK ÉRZÉKENYSÉG VIZSGÁLATA

19

dI N = YI φ0 − λI I dt 100 dX N N = YX φ0 + λI I − λX X − σX X φ0 dt 100 100

A paraméterek, melyekre a modell érzékenységét vizsgáltam: • αm : Üzemanyagh®mérsékletre vonatkozó reaktivitástényez® • αf : Moderátorh®mérsékletre vonatkozó reaktivitástényez® • p1 , p2 : Rúdparaméterek • Λ: Generációs id® • φ0 : Neutronuxus teljes leterhelésnél • Primérköri tömegáram 3.2.

Az érzékenységvizsgálat módszere és eredményei

Érzékenységvizsgálatot analitikus módon végezni egy ilyen rendszer esetén nehéz lenne. Éppen ezért a vizsgálatot úgy végeztem, hogy a paraméterek értékét 10% -kal növeltem ill. csökkentettem, és gyeltem, hogy ez a változás milyen hatással van a szimulációs eredményekre. Az alábbiakban szeretném összefoglalni, amit az érzékenységvizsgálat során tapasztaltam. A modell er®sen érzékeny az alábbi paraméterekre: • φ0 : Neutronuxus teljes leterhelésnél • Primérköri tömegáram

Vegyük például azt az esetet, amikor φ0 értékét növeltük 10%-kal. Látható a 3.1 ábrán, hogy ennek hatására igen sokat változnak a szimulációs eredmények. A modell kevésbé érzékeny az alábbi paraméterekre: • αm : Üzemanyagh®mérsékletre vonatkozó reaktivitástényez® • αf : Moderátorh®mérsékletre vonatkozó reaktivitástényez® • p1 , p2 : Rúdparaméterek

Vegyük például azt az esetet, amikor αm értékét csökkentettük 10%-kal. Látható a 3.2 ábrán, hogy ennek hatására valamelyest változnak a szimulációs eredmények. A modell nem érzékeny a Λ (Generációs id®) paraméterre, ez esetben ugyanis szinte semmit sem változtak a szimulációs eredmények.

FEJEZET 3.


20

3.1. ábra. φ0 paraméter változtatásának hatása a szimulációs eredményekre

3.2. ábra. αm paraméter változtatásának hatása a szimulációs eredményekre 3.3.

Érzékenységvizsgálat során kapott eredmények felhasználása a mérési adatok további közelítéséhez

Az érzékenységvizsgálatot úgy végeztem, hogy a szimulált modellb®l kikötöttem a már implementált T szabályozót és a rúdpozíciókat mérési adatokból nyertem

FEJEZET 3.


21

ki. Ugyanakkor fontos lenne megvizsgálni azt, hogy azon paraméterek további változtatása, melyekre a modell érzékeny, vezethet-e jobb szimulációs eredményre a szabályozóval összekötött rendszerben. Az el®z® fejezetben kapott szabályozó struktúra már jól közelíti a mérési adatokat, de sok helyen azért még jelent®sen eltér azoktól. Viszonlag nagyobbnak mondható eltéréseket tapasztaltunk a g®zfejleszt®ben lev® nyomás, a hidegági h®mérséklet, de még a reaktorteljesítmény esetében is, ez látható a 2.12 ábrán. Heurisztikus optimalizálással (az el®z® fejezetben leírthoz hasonló módon) jutottunk arra a megoldásra, hogy ha a a primérköri tömegáram értékét annak 1/60ad részével növeljük, a T szabályozó A6 er®sítését (ld 2.7) 6.25-re, integrálási idejét 0.0003-ra, a P 2-es komparátor nyitási értékét 0.4-re tesszük, akkor egy az eddigieknél lényegesen jobb szimulációs eredményre jutunk. Ezeket láthatjuk a 3.3 ábrán. Itt megjegyezném azt, hogy az el®z® fejezetben, a T szabályozó paramétereinek a hangolásánál feltettük, hogy a P 2-es komparátor nyitási küszöbe +/ − 0.5 bar. Ugyanakkor azt tapasztlajuk, hogy jobb szimulációs eredményeket tudtunk kihozni, amikor a komparátor nyitási értékét +/ − 0.4 bar-ra változtattuk.

3.3. ábra. A kapott legjobb szimulációs eredmények a primérköri mennyiségekre

4

Nyomáskiegyenlít® tartály

Önálló laboratóriumom során feladatul kaptam a nyomáskiegyenlít® tartály modelljének integrálását az újonnan készült Simulink modellbe. A nyomáskiegyenlít® tartály modellje már Simulinkben implementálva volt, ám a régi primérköri modellhez volt hozzáillesztve. A nyomáskiegynelít® tartály felfogható úgy, mint a primérkör második h®mér®je. Ez egy olyan rendszer, ami nem hat vissza a primérkör m¶ködésére, ám a benne szimulált mennyiségek értéke egy másik lehet®séget ad az eddig elkészített modell és szabályozók validálására. 4.1.

Nyomáskiegyenlít® tartály szerepe, felépítése és m¶ködése

A térfogatkompenzátor feladata kett®s. Egyfel®l a primerköri nyomást tartja állandó értéken (123 bar), hogy a reaktor zónában ne jelenjen meg forrás. végett. Másik feladata a primerköri h¶t®közeg mennyiségének állandó értéken tartása. Felépítése a 4.1 ábrán látható. A térfogatkompenzátorban a telített g®zös nyomástartás elvét alkalmazzák. A víztér felett telített g®z van. Ha a nyomás megváltozik, a g®z-víz termodinamikai egyensúlya megbomlik és a nyomásváltozás irányától függ®en intenzív kondenzáció vagy forrás jön létre, mely a nyomásváltozást kompenzálja. Nagyobb tranziens esetén a szabályzórendszereknek is be kell avatkozniuk. Ennek részét képezik a tartály alján elhelyezett f¶t®patronok és a hidegághoz csatlakozó befecskendez® rendszer.

FEJEZET 4.

NYOMÁSKIEGYENLÍT TARTÁLY

23

4.1. ábra. Nyomáskiegyenlít® tartály sematikus ábrája. Forrás: [4] 4.2.

Nyomáskiegyenlít® tartály felhasználása az eddig kapott szimulációs eredmények validálására

Miután integráltam a nyomáskiegynelít® tartály modelljétt az új modellbe, lehet®ség nyít arra, hogy az eddig kapott szabályozó és modell paramétereket validáljuk a nyomáskiegyenlít® tartályban mért mennyiségek segítségével. A 3.3 ábrán látható szimulációs eredmények mellett a nyomáskiegyenlít® tartályban a nyomások alakulása a 4.2 ábrán látható.

4.2. ábra. Nyomáskiegyenlít® tartályban mért és szimulált nyomás (bar/s)

FEJEZET 4.

NYOMÁSKIEGYENLÍT TARTÁLY

24

Látható, hogy ezzel egy újabb meger®sítést kaptunk arra nézve, hogy az eddigi modell és szabályozó igen jól közelíti a ténylegesen mért folyamatokat. Itt újra szeretném hangsúlyozni, hogy a 35770 s után tapasztalható, jelent®sebb eltérés a szimulált és a mért adatok között nem meglep®, hiszen ekkor szabályozót kézi üzemmódba kapcsolták, így az ebben az id®közben kapott mérési eredmények nem is reprodukálhatóak.

5

Összefoglalás

Önálló laboratórium során végzett munkámban a paksi atomer®m¶ reaktorteljesítményszabályozó rendszerét vizsgáltam szimulációs eszközökkel, továbbá hozzájárultam a primérkör dinamikai modelljének továbbfejlesztéséhez. A szimuláció során kapott eredményekkel az eddigi eredményekhez képest nagyon pontos egyezéseket sikerült kihoznunk. Sikerült szimulációs környezetben implementálni a reaktorteljesítmény szabályozókat és reprodukálni velük a mérési adatokból leolvasható funkcionalitást. A T szabályozó szimulálásánál el® is jöttek azok a problémák, melyek miatt felterhelésnél az operátorok a 100%-hoz közeli állapotban kézi üzemmódban illesztik be a rudakat. A szimulációból is kiderül, hogy a T szabályozó mellett a felterhelésnél olyan túllövések jönnének létre, melyek helyenként a reaktor teljesítményt 103% értékig növelik. Ennek elérte pedig vészhelyzeti üzemmód beálltát eredményezik. Konklúzióként megfogalmazható, hogy a T szabályozó konstrukciója nem igazán el®nyös, éppen ezért a felügyeleti szabályozó rendszer tervezésekor ajánlatosabb lenne egy új kostrukciót bevezetni a le és felterhelések követésére. Ezen felül pedig elmondható még az is, hogy a megalkotott modell ill. szabályozók struktúrája megfelel a valóságnak, hiszen a kapott szimulációs redményeket a mérési adatok által validálni tudtuk. 5.1.

Köszönetnyílvánítás

Ezennel szeretnék küöszönetet mondani témavezet®mnek, Prof. Hangos Katalinnak, hogy a rendszeres konzultációk során kapot ötletekkel és iránymutatásokkal segítette munkámat, továbbá Gábor Attilának, aki segített a feladattal elindulnom, és akivel együtt dolgozva sikerült a kit¶zött feladatokat megvalósítanom.

Ábrák jegyzéke

2.1. 2.2. 2.3. 2.4. 2.5.

Primérkör felépítése. Forrás: [1] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . RTSZ blokkséma. Forrás:[3] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . N módú szabályozó sémája. Forrás: [3] . . . . . . . . . . . . . . . . . . N módú szabályozó implementációja Simulinkben . . . . . . . . . . . . Szimulált reaktorteljesítmény (%/s) és rúdpozíciók (m/s) N módú szabályozó m¶ködése esetén . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.6. Alkalmazott h®mérsékletzavarás az N szabályozó validálása során . . . 2.7. RKKT szabályozó blokksémája. Forrás: [3] . . . . . . . . . . . . . . . . 2.8. RKKT szabályozó implementálása Simulinkben . . . . . . . . . . . . . 2.9. T szabályozó m¶ködése A6 = 6 és 1000 integrálási id® esetén (kiindulás) 2.10. A6 er®sít® hatása a T szabályozó m¶ködésére (s/W) . . . . . . . . . . . 2.11. Integrálási id® hatása a T szabályozó m¶ködésére (s/W) . . . . . . . . 2.12. T szabályozó m¶ködésére A6 = 6.5 és 2000 integrálási id®vel . . . . . . 2.13. Reaktorteljesítmény szabályozó rendszer megvalósítása Simulink környezetben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.14. Reaktorteljesítmény szabályozó rendszer megvalósítása Simulink környezetben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6 7 8 9 10 10 11 11 13 14 15 16 17 17

3.1. φ0 paraméter változtatásának hatása a szimulációs eredményekre . . . . 20 3.2. αm paraméter változtatásának hatása a szimulációs eredményekre . . . 20 3.3. A kapott legjobb szimulációs eredmények a primérköri mennyiségekre . 21 4.1. Nyomáskiegyenlít® tartály sematikus ábrája. Forrás: [4] . . . . . . . . . 23 4.2. Nyomáskiegyenlít® tartályban mért és szimulált nyomás (bar/s) . . . . 23

Irodalomjegyzék

[1]

Modelling and model calibration of complex dynamical systems applied to the primary circuit of a nuclear power plant PANNON EGYETEM Phd thesis, 2008. [idézve o. 4,

Fazekas Csaba,

5, 6, 26]

[2]

Gábor Attila, DAPESTI

Nyomottvizes reaktor dinamikus modellezése szabályozástervezési célból

MUSZAKI

ÉS

GAZDASÁGTUDOMÁNYI

EGYETEM

B.S.c.

BU-

szakdolgozat,

2009. [idézve o. 4, 18, 28] [3]

Perspektivikus blokk teljesítmény szabályozási stratégia koncepcióterv reaktorteljesítmény szabályozás (RTSZ) megvalósíthatósági tanulmány PAKSI MÉRNÖKI KFT.

Kapocs György,

2009. [idézve o. 4, 7, 8, 11, 26] [4]

Modeling and Identication of the Pressurizer of a VVER Nuclear Reactor for Controller Design Purposes MTA-SZTAKI. 2009. [idézve o. 4,

A. Gábor, K. M. Hangos, G. Szederkényi,

23, 26]

[5]

Man Gyun Na, Dong Won Jung, Sun Ho Shin

Following Opeartion of PWR Reactors

IEEE

A Model Predictive Controller for LoadTransactions

on

Nuclear

Science

2005.

[idézve o. 4]

[6]

Gábor

Attila,

Nyomottvizes atomer®m¶ modellezése szabályozástervezési célra

BUDA-

PESTI MUSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM M.S.c. szakdolgozat, 2011. [idézve o. 3, 18]

Függelék

1. táblázat. A dolgozatban alkalmazott jelölések. Forrás: [2]

Azonosító M.e.

Deníció

z(t)

m

n(t)

n/cm3

c(t)

atom/cm3

nI (t)

atom/cm3

nX (t)

atom/cm3

ρ(t)

$

Tf (t)

◦

C

Tm (t)

◦

C

Tout (t)

◦

C

Tin (t)

◦

C

v

m/s

φ0

n/cm3 s

Λ

s

Σf

cm−1

β

-

λC

s−1

λI

s−1

λX

s−1

σX

cm2

Rúd helyzete Neutrons¶r¶ség Kés®neutron-anyamagok koncentrációja Jód-koncentráció Xenon-koncentráció Reaktivitás Üzemanyag h®mérséklete Átlagos moderátorh®mérséklet Reaktorból kiáramló moderátor h®mérséklete Reaktorba beáramló moderátor h®mérséklete Termikus neutronsebesség vn0 , neutronuxus teljes leterhelésnél Generációs id® Üzemanyag makroszkópikus hasadási hkm. Kés®neutronhányad Kés®neutron-anyamagok bomlásállandója Jód bomlásállandója Xenon bomlásállandója Xenon mikroszkópikus hkm. folytatás a következ® oldalon

FÜGGELÉK

A dolgozatban alkalmazott jelölések (folytatás). YI Jód-hozam Xenon-hozam YX αf $/◦ C Üzemanyagh®mérsékletre vonatkozó reaktivitástényez® ◦ αm $/ C Moderátorh®mérsékletre vonatkozó reaktivitástényez® A m2 Üzemanyagpálcák teljes felülete −2 −1 U Jm K Üzemanyagpálcák és a moderátor közötti h®vezetési tényez® J/K Üzemanyag h®kapacitása Mf cpf Mm cpm J/K Moderátor h®kapacitása mp kg/s Moderátor tömegárama F J/% 1%-os neutronuxusra vonatkozó h®teljesítmény $ $ p0 , p1 , p2 $, m , m2 Rúdparaméterek A1 , A3 s−1 Termohidraulikai paraméterek

29

A Paksi Atomer m primérköri reaktor teljesítmény szabályozó rendszerének szimulációs vizsgálata

Recommend Documents