基于氦气布雷顿循环的微型反应堆控制系统及其设计方法

1.本发明属于微型反应堆控制技术领域，涉及一种基于氦气布雷顿循环的微型反应堆控制系统及其设计方法。


背景技术：

2.随着目前对高效、环保、低成本发电技术的多重要求，微型反应堆技术由于其灵活性、可靠性和财务可行性受到投资者们的青睐。目前，在一些大型工业园区、孤岛、偏远、受灾等地区或者集成可再生能源的微电网等应用场景，对稳定电力的需求日益增加。微型反应堆具有部署灵活、响应迅速、固有安全性等特点，能够满足上述领域对可靠、耐用、大功率的需求，发展微型反应堆是满足市场需求的解决方案。采用氦气布雷顿循环的微型反应堆具有堆芯功率密度大、换料周期长、结构紧凑、固有安全性好、能量转换效率高等特点，是微型反应堆的理想选择。采用氦气布雷顿循环的
3.微型反应堆是一个高度集成的系统，各子系统具有强耦合、相互约束的特点，微型反应堆具有大时滞、非线性、强耦合和时变参数的动态特性，并且需要跟踪外界频繁的负荷变化，这给微型反应堆的控制系统提出了新的挑战。
4.前人的研究大多针对高温气冷堆和氦气布雷顿循环的各自的动态特性进行分析，没有考虑核高温气冷堆和氦气布雷顿循环的耦合效应，并且对氦气布雷顿循环的研究主要集中在布局和效率优化方面。目前市场未见一种方法能对高温气冷堆和布雷顿循环耦合系统进行动态特性分析以及控制系统设计，同时也未见一套控制系统能够使得微型反应堆有效跟踪外部负荷的频繁变化。因此，有必要发明一种方法对采用氦气布雷顿循环的微型反应堆进行动态特性分析和控制系统设计，设计一套控制系统保证微型反应堆的负荷跟踪能力。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于解决布雷顿循环系统中反应堆系统与能量转换系统协调控制的问题，提供一种基于氦气布雷顿循环的微型反应堆控制系统及其设计方法
6.为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
7.基于氦气布雷顿循环的微型反应堆控制系统的设计方法，包括以下步骤：
8.建立非线性动态模型，并依据非线性动态模型计算得到传递函数模型；
9.利用时域和频域分析法进行动态特性分析；
10.根据动态特性和控制目标需求设计微型反应堆控制系统。
11.上述方法进一步对改进在于：
12.所述非线性动态模型包括微型反应堆系统的非线性动态模型和能量转换系统的非线性模型。
13.所述依据非线性动态模型计算得到传递函数模型，包括：
14.在所关心的稳态工作点，进行稳态计算获取该平衡状态所需的稳态参数值，包括
对象结构参数和系统运行参数的稳态值；对非线性动态模型，在所计算的稳态工作点进行基于微扰理论的线性化处理，在稳态工作点引入小扰动，通过计算获得线性动态模型；
15.线性动态模型的状态空间形式如下：
[0016][0017]
其中，表示状态向量对时间的导数，a表示状态矩阵，x表示状态向量，b表示输入矩阵，u表示输入向量，y表示输出向量，c表示输出矩阵，d表示前馈矩阵；
[0018]
状态空间与传递函数之间的关系如下：
[0019]
g(s)＝c(si-a)-1
b+d
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0020]
其中，g(s)表示传递函数，s表示复变量，i表示单位矩阵；根据式(2)得到传递函数模型。
[0021]
所述通过计算获得线性动态模型，包括：
[0022]
六组缓发中子的点堆中子动力学方程如下：
[0023][0024]
其中j＝1,2,...6(4)
[0025]
其中，n为中子密度，t为时间，cj为第j组缓发中子先驱核密度，j为组数，表示第j组，j取1到6，βj为第j组缓发中子份额，λj为第j组缓发中子先驱核衰变常数，β为缓发中子总份额，ρ
t
为净反应性，λ为中子代时间；
[0026]
质量守恒、能量守恒和动量守恒方程如下：
[0027][0028][0029][0030]
其中，pi为控制体入口工质压力，wi为控制体入口工质流量，wo为控制体出口工质流量，a为控制体流通面积，l为控制体长度，ρ为控制体工质平均密度，h为控制体工质平均焓值，ho为控制体工质出口焓值，p为控制体工质平均压力，pi为控制体入口工质压力，hi为控制体工质入口焓值，ρo为控制体出口工质密度，g为重力加速度，θ为控制体与水平面的角度，cf为流体流动阻力系数，dh为水力直径；
[0031]
线性化中子动力学方程，得到线性化方程：
[0032][0033]
其中，δn为中子密度变化量，n0为稳态点中子密度，δcj为第j组缓发中子先驱核密度，ρ0为稳态点净反应性；
[0034]
线性化质量守恒、能量守恒和动量守恒方程，得到线性化方程：
[0035][0036][0037][0038]
其中，δpi为控制体入口工质压力变化量，δwi为控制体入口工质流量变化量，δwo为控制体出口工质流量变化量，δho为控制体出口工质焓值变化量。
[0039]
所述利用时域和频域分析法进行动态特性分析，包括：
[0040]
通过引入输入的典型扰动，计算系统输出的响应，开展时域分析，研究输出响应的调节时间、超调量以及响应幅度，确定输出对输入变化的响应快慢和敏感性；利用频率法分析不同频率段系统的响应，掌握工作频率区，研究系统中影响系统稳定性的因素。
[0041]
所述根据动态特性和控制目标需求设计微型反应堆控制系统，包括：
[0042]
确定控制系统的输入和输出关系；
[0043]
根据控制目标和要求进行分析，结合闭环系统与控制目标和要求之间的差距，确定控制需求；
[0044]
所述控制需求包括：确定补偿要求和针对不同扰动的抗扰动分析。
[0045]
所述扰动包括不可测扰动和可测扰动；
[0046]
对不可测扰动：
[0047]
通过提高反馈控制系统的鲁棒性，使系统在扰动的作用下，控制系统仍能够维持关键参数在设定值或在运行瞬态下保证系统的稳定和瞬态性能；
[0048]
可测扰动：
[0049]
通过前馈进行扰动补偿，或者调整控制器的参数，使其能够根据可测扰动变化而跟随变化，保证控制系统的性能。
[0050]
一种基于氦气布雷顿循环的微型反应堆控制系统，包括：
[0051]
功率控制器，所述功率控制器的输入端输入反应堆出口氦气温度设定值和测量值的偏差，输出端输出控制棒棒速信号，用于调节控制棒位置，进而改变反应堆功率来跟踪外部负荷的变化；
[0052]
充/排控制器，所述充/排控制器的输入端输入转子转速设定值与测量值的偏差，输出端输出充/排调节阀开度，用于改变充/排气流量，使转子转速维持在设定值；
[0053]
旁通控制器，所述旁通控制器的输入端输入电功率测量值与电功率设定值的偏差，输出端输出旁通调节阀开度，用于改变旁通流量，使电功率维持在设定值；
[0054]
预冷器过冷水流量控制器，所述预冷器过冷水流量控制器的输入端输入预冷器出口氦气温度测量值与设定值的偏差，输出端输出预冷器过冷水调节阀开度，用于调节变预冷器过冷水流量，使预冷器出口氦气温度维持在设定值；
[0055]
间冷器过冷水流量控制器，所述间冷器过冷水流量控制器的输入端输入间冷器出口氦气温度测量值与设定值的偏差，输出端输出间冷器过冷水调节阀开度，用于调节间冷器过冷水流量，使间冷器出口氦气温度维持在设定值。
[0056]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0057]
本发明能够准确地模拟采用布雷顿循环的微型反应堆系统的稳态和瞬态特性；本发明是高度模块化和参数化的，通过修改，可对不同热源、不同设备参数、不同布置结构的布雷顿循环系统进行计算和模拟；本发明实现了反应堆系统和能量转换系统的协调稳定控制，可以有效应对外部复杂的负荷环境，保证了微型反应堆的负荷跟踪能力；最后，本发明的微型反应堆控制方法及系统，可为采用氦气布雷顿循环的微型反应堆的运行特性分析提供依据，为辅助和安全设施设计提供指导，完成运行控制策略和控制系统设计，保证微型反应堆的负荷跟踪能力。
附图说明
[0058]
为了更清楚的说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
[0059]
图1为本发明控制方法的流程图。
[0060]
图2为本发明的系统示意图。
[0061]
图3为本发明微型反应堆稳态运行方案示意图；其中，(a)为反应堆出口氦气温度设定值和转子转速设定值分别随核反应堆功率的变化，(b)为高压压气机出口压力设定值和电功率设定值分别随核反应堆功率的变化。
[0062]
图4为本发明微型反应堆控制系统示意图。
[0063]
图5为本发明模拟了反应堆功率变化时系统的动态响应，包括各子装置的瞬态响应以及它们之间的耦合效应。外部反应性由控制棒引入，在稳定运行500秒后降低反应堆功率到满功率的80％，然后在2000秒后增加反应堆功率到满功率；其中，(a)为系统各个设备的功率变化，(b)为系统各个设备的压力变化，(c)为系统各个设备的温度变化，(d)为反应堆出口氦气流量、转子转速和效率的变化。
[0064]
图6为本发明在所设计的控制系统下外部负荷变化后系统的动态响应。在500s内引入外部负载阶跃-33％扰动和电功率设定值阶跃-0.51mw。在2000s内引入了外部负荷阶跃+33％扰动和电功率设定值阶跃+0.51mw；其中，(a)为系统各个设备功率和压力变化，(b)为系统各个设备流量变化，(c)为反应堆出口氦气温度和转子转速变化，(d)为充气流量和排气流量变化。
具体实施方式
[0065]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
[0066]
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0067]
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
[0068]
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“水平”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0069]
此外，若出现术语“水平”，并不表示要求部件绝对水平，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
[0070]
在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0071]
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
[0072]
参见图1，本发明实施例公开了一种基于氦气布雷顿循环的微型反应堆控制系统的设计方法，包括以下步骤：
[0073]
s1，基于微型反应堆系统运行原理建立非线性动态模型，并通过机理推导得到系统传递函数模型；具体如下：
[0074]
采用六组缓发中子的点堆中子动力学方程：
[0075]
[0076]
其中j＝1,2,...6
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0077]
其中，n为中子密度/m-3
，t为时间/s，cj为第j组缓发中子先驱核密度/m-3
，其中的j取1到6，βj为第j组缓发中子份额，λj为第j组缓发中子先驱核衰变常数/s-1
，β为缓发中子总份额，ρ为净反应性，λ为中子代时间。
[0078]
采用质量守恒、能量守恒和动量守恒方程：
[0079][0080][0081][0082]
其中，pi为控制体入口工质压力/pa，wi为控制体入口工质流量/kg
·
s-1
，wo为控制体出口工质流量/kg
·
s-1
，a为控制体流通面积/m2，l为控制体长度/m，ρ为控制体工质平均密度/kg
·
m-3
，h为控制体工质平均焓值/j
·
kg-1
，ho为控制体工质出口焓值/j
·
kg-1
，p为控制体工质平均压力/pa，pi为控制体入口工质压力/pa，hi为控制体工质入口焓值/j
·
kg-1
，ρo为控制体出口工质密度/kg
·
m-3
，g为重力加速度/m
·
s-2
，θ为控制体与水平面的角度/rad，cf为流体流动阻力系数/-。
[0083]
对中子动力学方程线性化，得到线性化方程：
[0084][0085]
对质量守恒、能量守恒和动量守恒方程线性化得到，线性化方程：
[0086][0087]
[0088][0089]
将式(6)-式(9)整理成如下状态空间形式：
[0090][0091]
状态空间与传递函数之间的关系由下式描述：
[0092]
g(s)＝c(si-a)-1
b+d
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(11)
[0093]
s2，利用时域和频域分析法进行系统动态特性分析，具体方法如下：
[0094]
通过引入输入的典型扰动，计算系统输出的响应，开展时域分析，研究输出响应的调节时间、超调量以及响应幅度等，主要确定输出对输入变化的响应快慢和敏感性；利用频率法分析不同频率段系统的响应，主要掌握系统的工作频率区，研究系统中影响系统稳定性的因素。
[0095]
s3，根据系统动态特性和控制目标需求设计微型反应堆控制系统，具体方法如下：
[0096]
在开环系统动态特性分析和控制知识的基础上，确定控制系统的输入和输出关系；根据提供的各个不同控制系统的控制目标和要求，进行分析，研究闭环系统与控制目标和要求之间的差距，确定控制需求；控制需求主要分两个方面，在保证一定稳定裕度的基础上确定补偿要求和针对不同扰动的抗扰动分析；控制系统设计过程中不仅仅要考虑控制输入与控制输出之间的性能要求，还需考虑各系统的扰动情况，扰动分两种，一种是不可测扰动，另外一种是可测扰动，处理的方法不同；对不可测扰动，主要通过提高反馈控制系统的鲁棒性实现，保证即使在这些扰动的作用下，控制系统仍能够维持关键参数在设定值或在运行瞬态下保证系统的稳定和瞬态性能；对可测扰动，可考虑通过前馈进行扰动补偿，以减小可测扰动对系统的影响，或者调整控制器的参数，使其能够根据可测扰动变化而跟随变化，保证控制系统的性能。
[0097]
如图2所示，图2为本发明涉及的氦气布雷顿循环的微型反应堆系统，包括：微型反应堆系统和能量转换系统；微型反应堆系统为核反应堆；能量转换系统包括：氦气透平，低压压气机，高压压气机，回热器，预冷器，间冷器，发电机，负载，氦气流动通道，旁通调节阀，充/排调节阀，预冷器过冷水调节阀和间冷器过冷水调节阀。
[0098]
如图3所示，图3为本发明微型反应堆稳态运行方案示意图，微型反应堆稳态运行方案为：如图(a)所示，不同反应堆功率水平下核反应堆出口氦气温度设定值和转子转速设定值保持不变；如图(b)所示，高压压气机出口压力设定值和电功率设定值随着反应堆功率的增大而增大。
[0099]
如图4所示，图4为本发明微型反应堆控制系统示意图，所述微型反应堆控制系统被控量有反应堆出口氦气温度、转子转速、电功率、预冷器出口氦气温度以及间冷器出口氦气温度。反应堆出口氦气温度设定值和测量值的偏差作为功率控制器的输入，输出为控制棒棒速信号，调节控制棒位置从而改变反应性，进而改变反应堆功率来跟踪外部负荷的变
化；转子转速设定值与测量值的偏差作为充/排控制器的输入，输出为充/排调节阀开度，与零值比较，取较小的数值作为排气调节阀的信号，调节排气调节阀从而改变排气流量，取较大的数值作为充气调节阀的信号，调节充气调节阀从而改变充气流量，通过改变充、排气流量使转子转速维持在设定值；电功率测量值与电功率设定值的偏差作为旁通控制器的输入，输出为旁通调节阀开度，与零值比较，取较大的数值作为旁通调节阀的信号，调节旁通阀从而改变旁通流量，使电功率维持在设定值；预冷器出口氦气温度测量值与设定值的偏差作为预冷器过冷水流量控制器的输入，输出为预冷器过冷水调节阀开度，调节预冷器过冷水调节阀改变预冷器过冷水流量，使得预冷器出口氦气温度维持在设定值；间冷器出口氦气温度测量值与设定值的偏差作为间冷器过冷水流量控制器的输入，输出为间冷器过冷水调节阀开度，调节间冷器过冷水调节阀改变间冷器过冷水流量，使得间冷器出口氦气温度维持在设定值。
[0100]
实施例1
[0101]
由控制棒引入反应性，系统在满功率稳定运行500秒后降低反应堆功率到满功率的80％，然后在2000秒后增加反应堆功率到满功率。如图5(a)所示，随着反应堆功率的降低，氦气透平功率降低到3.37mw。低压压气机和高压压气机的功率分别下降到1.05mw和1.02mw。如图5(b)所示，氦气透平功率的降低导致氦气透平出口氦气压力升高至0.74mpa。随着低压压气机和高压压气机功率的降低，低压压气机出口氦气压力上升到1.07mpa，高压压气机出口氦气压力下降到1.04mpa。如图5(c)所示，通过引入外部反应性来降低反应堆功率，降低了各设备的入口和出口温度。如图5(d)所示氦气透平功率的降低幅度大于压气机功率的降低幅度，系统循环动力增大，反应器出口氦气流量增加到3.32kg/s，转子转速下降到22199rpm。外部负载保持不变，转子转速的下降导致电功率减少到1.3mw。本发明的微型反应堆控制方法、系统可以准确地模拟采用布雷顿循环的微型反应堆系统的稳态和瞬态特性。
[0102]
实施例2
[0103]
在500s对微型反应堆系统引入外部负载阶跃-1/3扰动，并且调整电功率设定值阶跃-0.51mw。在2000s对微型反应堆引入了外负荷阶跃+1/3扰动，并调整电功率设定值阶跃+0.51mw。如图6(a)所示，引入外负荷阶跃减小扰动后，微型反应堆控制系统的堆功率由5mw降低到4.53mw，调节时间为748.8s。电功率从1.72mw减少到1.21mw。引入外负荷阶跃增加扰动后，微型反应堆控制系统的堆功率由4.53mw提高到5mw，调节时间为761s。如图6(b)所示，反应堆出口氦气流量最小值大于2.97kg/s，低压压气机入口氦气流量最小值大于3kg/s，旁通流量最大值为0.65kg/s。如图6(c)所示，在控制过程汇中反应堆出口氦气温度最大波动小于4.5k，转子转速最大值小于24049rpm。如图6(d)所示，系统最大充气流量为0.02kg/s，系统最大排气流量为0.003kg/s。本发明的微型反应堆控制方法、系统可以应对外部负荷的大幅度变化。
[0104]
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。