一种热管冷却反应堆电功率动态匹配方法及系统

1.本发明属于核反应堆控制技术领域，具体涉及一种热管冷却反应堆电功率动态匹配方法及系统。


背景技术：

2.热管冷却反应堆简称热管堆，是指反应堆一回路系统不采用冷却剂回路式布置方式，而采用热管将堆芯产生的热量传导至二回路系统或热电转化装置的固态反应堆。热管堆具有固有安全性高、结构简单、运行压力低和易于模块化等特点，这些特点使其在深海、空间、星表等场景具有广阔的应用前景。
3.然而，热管堆是通过热管内部工质的蒸发、冷凝过程以及自然循环流动实现热能的传导，这一传热过程较为缓慢，使得位于堆芯处热管热端的热能传导至位于热电转化装置热端需要一定的时间，导致热管堆系统具有大滞后的特点，电功率无法快速响应控制棒反应性的变化。这一特点对热管堆电功率控制系统提出了挑战，若使用传统控制器，如串级控制器，其控制效果不甚理想，在缩短调节时间的同时，增大了超调量。
4.采用一种电功率动态匹配方法，在不增大超调量的前提下，提高电功率的响应速度，确保最大的经济效益和安全性。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种热管冷却反应堆电功率动态匹配方法及系统，内环的设定值能够根据核功率实际值与目标电功率对应的核功率稳态值的偏差值在粗匹配和细匹配之间进行过渡和切换，优化电功率调节过程，减小调节时间和超调量，提高热管堆系统的运行性能和稳定性，用于解决热管堆系统大滞后造成热管堆电功率调节时间长的技术问题。
6.本发明采用以下技术方案：
7.一种热管冷却反应堆电功率动态匹配方法，包括以下步骤：
8.s1、离线构建数据库，在线更新数据库；
9.s2、根据电功率设定值从步骤s1在线更新的数据库中查询对应的核功率稳态值；
10.s3、将步骤s2得到的核功率稳态值作为粗匹配阶段的输入，根据目标电功率对应的核功率稳态值与核功率实际测量值之间的偏差值e，通过权重函数改变粗匹配信号和细匹配信号相应的权重系数，将粗匹配信号和细匹配信号的加权相加值作为核功率控制系统的设定值，随偏差值e减小，从粗匹配阶段经过渡阶段切换到细匹配阶段；
11.s4、内环核功率控制系统根据步骤s3得到的核功率控制系统设定值确定核功率误差值e’，输出控制棒反应性以调节堆芯的核功率，调节电功率达到目标电功率，完成热管冷却反应堆电功率动态匹配。
12.具体的，步骤s1中，根据不同电功率水平对应的核功率稳态值构建数据库，并根据实际核功率稳态值更新数据库中的数值。
13.具体的，步骤s3具体为：
14.在粗匹配阶段，粗匹配权重系数α＝1，细匹配权重系数β＝0，将步骤s2得到的核功率稳态值作为内环核功率控制系统的设定值，对核功率进行调节，使核功率达到对应的稳态值，带动电功率产生响应；
15.在过渡阶段，粗匹配权重系数α、细匹配权重系数β根据连续可导的权重函数f
α
(e)、f
β
(e)在0到1之间变化；
16.在细匹配阶段，粗匹配权重系数α＝0，细匹配权重系数β＝1，内环核功率调节系统的设定值由外环电功率控制系统提供，通过对电功率进行调节确保电功率达到负荷要求。
17.进一步的，当偏差值e的绝对值大于粗匹配阶段的切换阈值|a|、|c|时，粗匹配输出信号的权重系数为1，细匹配输出信号的权重系数为0，此时为粗匹配阶段，电功率调节处于快速调节阶段；
18.当偏差值e的绝对值介于粗匹配阶段的切换阈值|a|、细匹配阶段的切换阈值|b|之间，或者介于粗匹配阶段的切换阈值|c|、细匹配阶段的切换阈值|d|之间时，粗匹配输出信号的权重系数随偏差值e的减小从1减小至0，细匹配输出信号的权重系数随偏差值e的减小从0增大至1，此时为过渡阶段，电功率调节从快速调节阶段过渡到精细调节阶段；
19.当偏差值e的绝对值小于细匹配阶段的切换阈值|b|、|d|时，粗匹配输出信号的权重系数为0，细匹配输出信号的权重系数为1，此时为细匹配阶段，电功率调节处于精细调节阶段。
20.更进一步的，当增大粗匹配阶段的切换阈值a、c的绝对值，即粗匹配阶段的切换阈值a左移、c右移时，缩短控制系统在粗匹配阶段的时间；
21.当增大细匹配阶段的切换阈值b、d的绝对值，即细匹配阶段的切换阈值b左移、d右移时，缩短系统在过渡阶段的时间。
22.更进一步的，当减小粗匹配阶段的切换阈值a、c的绝对值，即粗匹配阶段的切换阈值a右移、c左移时，延长控制系统处于粗匹配阶段的时间；
23.当减小细匹配阶段的切换阈值b、d的绝对值，即细匹配阶段的切换阈值b右移、d左移时，延长控制系统处于过渡阶段的时间。
24.再进一步的，粗匹配阶段的切换阈值a、c和细匹配阶段的切换阈值b、d关于纵坐标对称，即|a|＝|c|、|b|＝|d|，或根据被控对象的特征设置为非对称形式，即|a|≠|c|、|b|≠|d|。
25.进一步的，当权重函数f
α
(e)、f
β
(e)的交点o、o’的绝对值增大，即交点o左移、o’右移时，在过渡阶段，粗匹配输出信号的权重系数α小于细匹配输出信号的权重系数β早于交点移动前发生；
26.当权重函数f
α
(e)、f
β
(e)的交点o、o’的绝对值减小，即交点o右移、o’左移时，在过渡阶段，粗匹配输出信号的权重系数α小于细匹配输出信号的权重系数β晚于交点移动前发生。
27.具体的，步骤s4中，将步骤s3得到的核功率控制系统设定值与核功率测量值作差得到核功率误差值e’，将核误差值e’作为内环核功率控制器的输入，核功率控制器输出经控制棒价值转换后的控制棒反应性，调节堆芯的核功率，热能传递到热电转化装置实现电功率调节。
28.第二方面，本发明实施例提供了一种热管冷却反应堆电功率动态匹配系统，包括：
29.数据库模块，离线构建数据库，在线更新数据库；
30.查询模块，根据电功率设定值从数据库模块在线更新的数据库中查询对应的核功率稳态值；
31.匹配模块，将查询模块得到的核功率稳态值作为粗匹配阶段的输入，根据目标电功率对应的核功率稳态值与核功率实际测量值之间的偏差值e，通过权重函数改变粗匹配信号和细匹配信号相应的权重系数，将粗匹配信号和细匹配信号的加权相加值作为核功率控制系统的设定值，随偏差值e减小，从粗匹配阶段经过渡阶段切换到细匹配阶段；
32.调节模块，内环核功率控制系统根据调节模块得到的核功率控制系统设定值确定误差值e’，输出控制棒反应性以调节堆芯的核功率，调节电功率达到目标电功率，完成热管冷却反应堆电功率动态匹配。
33.与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
34.一种热管冷却反应堆电功率动态匹配方法，利用核功率能够快速响应控制棒反应性变化及核功率变化会带动电功率发生变化的特点，先通过数据库得到目标电功率对应的核功率稳态值，在粗匹配阶段，对核功率进行调节，从而促使电功率快速产生响应，达到缩短调节时间的目的；在细匹配阶段，对电功率进行调节，保证电功率平稳到达目标电功率值，达到减小超调量的目的；同时，在粗匹配和细匹配之间设置了过渡阶段，达到无扰动态匹配的目的。
35.进一步的，通过离线构建数据库，在系统运行时能够快速地从数据库中得到目标电功率对应的核功率稳态值，为粗匹配提供输入值；通过在线更新数据库，保证在系统部件逐渐老化的情况下，仍使得数据库能真实反映实际热管堆中电功率与核功率之间的稳态关系，增加功率调节系统的适应性。
36.进一步的，将电功率调节过程分为粗匹配阶段、过渡阶段、细匹配阶段。通过权重函数，调节粗匹配和细匹配的比重，偏差较大时，处于粗匹配阶段，直接对核功率进行调节，带动核功率快速达到核功率稳态值，进而提高电功率的响应速度；偏差较小时，过渡切换到细匹配阶段，对电功率进行调节，保证电功率平稳达到目标电功率值。实现了既缩短了调节时间又不增大超调量的目的。
37.进一步的，核功率偏差e作为权重函数的输入值，控制着粗匹配输出信号和细匹配输出信号的比重，实现了在初期电功率快速调节，在后期电功率精细调节的无扰切换。
38.进一步的，阈值a、b、c、d将电功率调节过程分为了粗匹配阶段、过渡阶段、细匹配阶段。通过增大粗匹配阶段切换阈值a、c的绝对值以及增大细匹配阶段切换阈值b、d的绝对值，相比于未增大前，核功率偏差e将更早地达到切换阈值，将缩短控制系统处于粗匹配阶段的时间，更早地过渡切换到细匹配阶段，能够减小超调量。
39.进一步的，阈值a、b、c、d将电功率调节过程分为了粗匹配阶段、过渡阶段、细匹配阶段。通过减小粗匹配阶段切换阈值a、c的绝对值以及减小细匹配阶段切换阈值b、d的绝对值，相比于未减小前，核功率偏差e将更晚地达到切换阈值，将延长控制系统处于粗匹配阶段的时间，更晚地过渡切换到细匹配阶段，能够缩短调节时间。
40.进一步的，a、b为降功率工况下的切换阈值，c、d为升功率工况下的切换阈值。根据对象的响应特征，可以将二者设置为轴对称形式(降功率与升功率有着对称的响应曲线时)
或非对称形式(降功率与升功率有着非对称的响应曲线时)，这种设置方式能够提高控制系统的适应性，保证无论是在降功率工况还是升功率工况都有更优的控制性能。
41.进一步的，交点o、o’为过渡阶段的转折点。当交点横坐标的绝对值增大时，在过渡阶段，相比于改变前，控制系统的主导控制方案将更早地从快速调节切换到精细调节，有利于减小超调量；反之，当交点横坐标的绝对值减小时，有利于缩短调节时间。
42.进一步的，电能由热电转化装置产生，热电转化装置所需的热能由堆芯核裂变产生，通过引入控制棒反应性对核功率进行调节，实现电功率调节。
43.可以理解的是，上述第二方面的有益效果可以参见上述第一方面中的相关描述，在此不再赘述。
44.综上所述，本发明能够显著减小超调量，缩短调节时间，提供了更优的控制性能，提高了经济效益和安全性。
45.下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
46.图1为本发明系统框图；
47.图2为本发明粗匹配阶段的系统框图；
48.图3为本发明细匹配阶段的系统框图；
49.图4为本发明权重函数图；
50.图5为本发明负荷下降时电功率的响应曲线图。
具体实施方式
51.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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
52.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
53.还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
54.还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
55.应当理解，尽管在本发明实施例中可能采用术语第一、第二、第三等来描述预设范围等，但这些预设范围不应限于这些术语。这些术语仅用来将预设范围彼此区分开。例如，在不脱离本发明实施例范围的情况下，第一预设范围也可以被称为第二预设范围，类似地，第二预设范围也可以被称为第一预设范围。
56.取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在
……
时”或“当
……
时”或“响应于确定”或“响应于检测”。类似地，取决于语境，短语“如果确定”或“如果检测(陈述的条件或事件)”可以被解释成为“当确定时”或“响应于确定”或“当检测(陈述的条件或事件)时”或“响应于检测(陈述的条件或事件)”。
57.在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
58.本发明提供了一种热管冷却反应堆电功率动态匹配方法，因为核功率对控制棒反应性变化的响应是迅速的，并且电功率是随着核功率的变化而变化的，在电功率调节中提前查询数据库获得目标电功率所对应的核功率的稳态值，采用粗匹配和细匹配相结合的策略，对电功率控制系统输出的粗匹配信号和细匹配信号进行加权相加后作为内环控制系统的设定值，通过内环控制器输出控制棒反应性改变反应堆核功率，进而实现电功率调节。
59.请参阅图1，本发明一种热管冷却反应堆电功率动态匹配方法，包括以下步骤：
60.s1、离线构建数据库，在线更新数据库；
61.各电功率水平下，都会有其相应的核功率稳态值，可以通过热管冷却反应堆仿真平台获取不同电功率水平对应的核功率稳态值，将这些相关数据存储起来，构建成初始数据库。在热管堆运行过程中，随着投运时间的增加，各系统部件会逐渐老化，导致在相同电功率水平下，实际核功率稳态值与数据库中对应的核功率稳态值存在偏差，因此需要根据实际核功率稳态值定期更新数据库中的数值，从而使得数据库能真实反映实际热管堆中电功率与核功率之间的稳态关系。
62.s2、根据外部负荷所需的目标电功率，即电功率设定值，从步骤s1构建的数据库中查询相应的核功率稳态值，作为步骤s3中粗匹配阶段的输入；
63.s3、根据核功率的偏差值e，通过权重函数不断改变粗匹配信号和细匹配信号相应的权重系数，将粗匹配信号和细匹配信号的加权相加值作为内环核功率控制系统的设定值，实现粗匹配到细匹配的过渡和切换；
64.请参阅图2，在粗匹配阶段，权重系数α＝1，β＝0，此时由步骤s2得到的核功率稳态值直接作为内环核功率控制系统的设定值，整个控制系统转化为核功率控制系统，该阶段对核功率进行调节，使核功率尽快达到目标电功率对应的稳态值，从而带动电功率产生响应，加快调节速度。
65.请参阅图3，在细匹配阶段，权重系数α＝0，β＝1，此时内环核功率调节系统的设定值由外环电功率控制系统提供，整个控制系统转化为电功率串级控制系统。该阶段对电功率进行精细调节，确保电功率平稳地达到目标电功率要求，减小超调量。
66.请参阅图4，在过渡阶段，为保证控制系统从粗匹配阶段平稳过渡到细匹配阶段而不影响控制性能，权重系数α、β根据连续可导的权重函数f
α
(e)、f
β
(e)在0到1之间进行变化。
67.函数的自变量e＝(目标电功率对应的核功率稳态值-核功率实际测量值)，是核功率的偏差值，因变量分别为粗匹配权重系数α和细匹配权重系数β。a、c为粗匹配阶段的切换阈值，b、d为细匹配阶段的切换阈值，其中左半部分为降功率工况下权重系数的变化趋势，
右半部分为升功率工况下权重系数的变化趋势，二者可以关于纵坐标对称，即|a|＝|c|、|b|＝|d|，亦可根据被控对象的特征(如降功率与升功率有着非对称的响应曲线)设置为非对称形式，即|a|≠|c|、|b|≠|d|。
68.具体的，以降功率工况为例，具体如下：
69.当核功率的偏差值e的绝对值大于|a|时，粗匹配输出信号的权重系数为1，细匹配输出信号的权重系数为0，此时为粗匹配阶段，电功率调节处于快速调节阶段；
70.当核功率的偏差值e的绝对值介于|a|、|b|之间时，粗匹配输出信号的权重系数随着e的减小而从1减小至0，细匹配输出信号的权重系数随着e的减小而从0增大至1，此时为过渡阶段，电功率调节逐渐从快速调节阶段过渡到精细调节阶段；
71.当核功率的偏差值e的绝对值小于|b|时，粗匹配输出信号的权重系数为0，细匹配输出信号的权重系数为1，此时为细匹配阶段，电功率调节处于精细调节阶段。
72.总的来说，从调节初期到调节末期，随着偏差值e的绝对值减小，粗匹配信号的占比逐渐减小，细匹配信号的占比逐渐增大，电功率调节从快速调节逐渐切换为精细调节，即缩短了调节时间又避免了较大的超调量。
73.进一步的，通过调整切换阈值a、b、c、d的数值或权重函数f
α
(e)、f
β
(e)的交点o、o’的位置可以调节系统的控制性能。仍以降功率工况为例，具体如下：
74.1、当增大阈值a的绝对值，即阈值a左移时，控制系统将更早地结束粗匹配阶段，进入过渡阶段；
75.2、当增大阈值b的绝对值，即阈值b左移时，控制系统将更早地结束过渡阶段，进入细匹配阶段；
76.3、当减小阈值a的绝对值，即阈值a右移时，将延长控制系统处于粗匹配阶段的时间，更晚地进入过渡阶段；
77.4、当减小阈值b的绝对值，即阈值b右移时，将延长控制系统处于过渡阶段的时间，更晚地进入细匹配阶段。
78.其中，1和2两种调整方法将缩短电功率快速调节的时间，更早地开始精细调节，能够减小超调量，但同时会增加调节时间；3和4两种调整方法将延长电功率快速调节的时间，更晚地开始精细调节，能够提高电功率的响应速度，缩短调节时间，但同时会增大超调量。
79.另一类调整方法是保持阈值不变，通过改变权重函数在过渡阶段的曲率，调整交点o、o’的位置，该类方法相较于第一类方法对控制性能影响较小，适用于微调。具体如下：
80.当交点o的绝对值增大，即交点o左移时，在过渡阶段，控制系统的主导控制方案将更早地从快速调节切换到精细调节，即粗匹配输出信号的权重系数α小于细匹配输出信号的权重系数β将更早发生，有利于减小超调量，但同时会增加调节时间；
81.当交点o的绝对值减小，即交点o右移时，在过渡阶段，控制系统的主导控制方案将更晚地从快速调节切换到精细调节，即粗匹配输出信号的权重系数α小于细匹配输出信号的权重系数β将更晚发生，有利于缩短调节时间，但同时会增大超调量。
82.以上调整方法同样适用于升功率工况，其中a与c对应、b与d对应、o与o’对应。
83.s4、根据步骤s3外环粗匹配和细匹配得到的内环核功率控制系统设定值，内环核功率控制系统输出控制棒反应性，改变堆芯的核功率，改变热电转化装置热端的温度，实现对电功率的调节。
84.内环为核功率控制系统，从步骤s3得到的内环核功率控制系统的设定值，与核功率测量值作差得到误差值e’，作为内环核功率控制器的输入，核功率控制器输出经控制棒价值转换后的控制棒反应性，调节堆芯的核功率，即调节堆芯释放热能的多少，热能经热管传递到热电转化装置，进而实现较好的电功率调节性能。
85.本发明再一个实施例中，提供一种热管冷却反应堆电功率动态匹配系统，该系统能够用于实现上述热管冷却反应堆电功率动态匹配方法，具体的，该热管冷却反应堆电功率动态匹配系统包括数据库模块、查询模块、调节模块以及匹配模块。
86.其中，数据库模块，离线构建数据库，在线更新数据库；
87.查询模块，根据电功率设定值从数据库模块在线更新的数据库中查询对应的核功率稳态值；
88.匹配模块，将查询模块得到的核功率稳态值作为粗匹配阶段的输入，根据目标电功率对应的核功率稳态值与核功率实际测量值之间的偏差值e，通过权重函数改变粗匹配信号和细匹配信号相应的权重系数，将粗匹配信号和细匹配信号的加权相加值作为核功率控制系统的设定值，随偏差值e减小，从粗匹配阶段经过渡阶段切换到细匹配阶段；
89.调节模块，内环核功率控制系统根据调节模块得到的核功率控制系统设定值确定核功率误差值e’，输出控制棒反应性以调节堆芯的核功率，调节电功率达到目标电功率，完成热管冷却反应堆电功率动态匹配。
90.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。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。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。
91.请参阅图5，给出了热管冷却反应堆分别在采用传统串级控制方法和动态匹配方法的控制系统作用下，匹配降负荷时系统电功率的响应曲线。
92.其中，a、b、c、d的取值分别为-3％、-1％、1％、3％，o、o’的坐标分别为(-2，0.5)、(2，0.5)。从图5中可见，采用本发明提及的动态匹配方法，电功率响应曲线没有超调量，调节时间为406s，而采用传统串级控制方法，电功率响应曲线的超调量为4.73％，调节时间为541s。
93.因此，相比于传统串级控制，对热管冷却反应堆电功率的调节，本发明能够显著减小超调量，缩短调节时间，提供了更优的控制性能，提高了经济效益和安全性。
94.综上所述，本发明一种热管冷却反应堆电功率动态匹配方法及系统，克服了热管堆系统大滞后特点对电功率控制系统设计的困难，不仅缩短了电功率的调节时间，还未造成超调量的增大甚至减小了超调量，相比于传统控制，提供了更优的控制性能，提高了经济效益和安全性。
95.以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。