一种基于运行数据的核反应堆功率调节方法及其调节系统与流程

本发明属于核反应堆控制技术领域，具体涉及一种基于运行数据的核反应堆功率调节方法及其调节系统。

背景技术：

核反应堆功率的控制是通过改变反应性实现的，反应性调节有多种方式，最常用的是可移动控制棒，控制棒中含有强中子吸收物质，通过插入或提出控制棒，改变反应堆中中子被吸收的量，从而改变反应性和核反应堆功率。控制棒的移动依靠控制棒驱动机构完成，该机构为机械装置，如果控制棒在功率调节过程中，超调量过大，会增加控制棒的行程，致使机械装置过度使用，导致其寿命减小。特别是在核动力装置中，由于需频繁调节核反应堆功率以适用不同的工况变化，对控制棒驱动机构使用频率增加，因而在负荷变化过程中对减小控制棒超调量的需求更加突出。

现有的核反应堆功率调节系统是以传统的比例-积分-微分(pid)控制器为基础的，包括了功率失配的前馈控制通道和冷却剂平均温度的反馈控制通道，其中功率失配的前馈控制通道的输入信号为负荷设定值与核反应堆功率测量值之间的偏差，能够使核反应堆功率快速响应系统负荷的变化；冷却剂平均温度的反馈控制通道输入为冷却剂平均温度的设定值和测量值之间的偏差，能够较为精细调节反应堆功率和负荷之间的不平衡。这两个控制通道输出信号的代数和驱动控制棒驱动装置，决定控制棒提升或下插，以及移动的速率，最终消除偏差。

在进行降负荷操作时，二回路负荷变化响应快，能较快地到达目标负荷值附近，而反应堆功率虽然会跟随负荷下降而减小，但其响应慢于二回路负荷的变化，在初始一段时间内，功率值比负荷值高。同时由于冷却剂平均温度响应更慢，当冷却剂平均温度测量值高于设定值时，冷却剂平均温度偏差会一直为正。降负荷过程中，当控制棒达到目标棒位时，由于功率测量值高于设定值，冷却剂平均温度测量值高于温度设定值。此时，功率失配偏差和冷却剂平均温度偏差会驱动控制棒持续下插，这样就使得控制棒先下插到比较低的位置，再调整回到目标负荷所对应的棒位置，产生了较大超调量。所以在负荷调整过程中，控制棒存在较大的超调量和调节时间。

传统反馈的控制方法，没有充分利用核反应堆运行的系统特性和运行过程中产生的大量数据，在实际调节过程中会出现超调量过大、调节时间长等问题。

技术实现要素：

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，提供一种基于运行数据的核反应堆功率调节方法及其调节系统，在运行过程中，记录不同负荷水平下表征核反应堆状态的重要参数和控制棒的棒位，制作数据库，在负荷调节过程中，通过查询数据库提前获得目标负荷值所对应的控制棒棒位，通过优化功率调节过程，减小控制棒的超调量和调节时间，提高控制棒的使用寿命。

本发明采用以下技术方案：

一种基于运行数据的核反应堆功率调节方法，利用核反应堆运行过程中产生的核反应堆状态量与控制棒棒位之间的关系建立数据库，在负荷调节中提前查询数据库获得控制棒的目标棒位，采用粗调和细调相结合的策略，对功率调节系统中的粗调和细调输出信号进行加权相加后作为功率调节系统的输出信号，通过输出信号控制控制棒的移动方向和速率实现核反应堆功率调节。

具体的，控制棒距离目标棒位大于调节前棒位与目标棒位偏差绝对值的80％时为粗调阶段，通过前馈控制以控制棒棒位偏差为驱动信号，使控制棒向目标棒位移动；控制棒距离目标棒位小于调节前棒位与目标棒位偏差绝对值的25％时为细调阶段，通过反馈控制以冷却剂平均温度偏差和功率-负荷偏差为驱动信号，减小稳态偏差；在粗调到细调转变过程中设置为过渡阶段，通过粗调和细调权重系数实现两个阶段的平稳过渡。

进一步的，设a为粗调区间半长度，表示调节前棒位与目标棒位偏差绝对值的80％，b为细调区间半长度，表示小于调节前棒位与目标棒位偏差绝对值的25％，粗调阶段中，棒位偏差的绝对值大于a，粗调输出信号的加权系数为1，细调输出信号的加权系数为0；细调阶段中，棒位偏差的绝对值小于b，粗调输出信号的加权系数为0，细调输出信号的加权系数为1；过渡阶段中，棒位偏差的绝对值大于b小于a，粗调和细调输出信号的加权系数之和为1；a、b和在过渡阶段粗调和细调输出信号的加权系数由升降负荷的速率决定，当负荷变化速率小于1％满负荷每秒时，a保持不变；反之，当负荷变化速率大于等于1％满负荷每秒时，增加粗调所占的比重，即a调整为调节前棒位与目标棒位偏差绝对值的75％。

具体的，当控制棒靠近目标棒位时，细调信号的比重从0逐步增加至100％；当控制棒远离目标棒位，粗调信号的比重从0逐步增加至100％，使控制棒向目标棒位移动。

具体的，当核电厂运行在稳定状态时，记录与功率调节相关的变量以及反映反应堆状态的变量，依据与功率调节相关的变量和反映反应堆状态的变量数据建立控制棒棒位跟与功率调节相关的变量和反映反应堆状态的变量数据的对应关系。

进一步的，与功率调节相关和反映反应堆状态的变量包括冷却剂平均温度、冷却剂流量、反应堆功率、汽轮机负荷、燃耗深度/当前时间以及控制棒棒位。

具体的，数据库建立后，采用渐消记忆，将超过2个月的数据去除，加大距当前运行时间一周内的数据权重。

具体的，功率调节系统模块的输入为负荷设定值和升降负荷速率、控制棒目标棒位、反应堆功率和冷却剂平均温度；输出为控制棒的移动速度和方向，当操纵员确定负荷设定值和升降负荷速率后，由数据库查询获得控制棒目标棒位，由升降负荷速率调整粗调和细调的过渡区间和权重系数。

本发明的另一个技术方案是，一种功率调节系统，功率调节系统包括负荷设定值和升降负荷速率模块、功率调节模块以及数据库模块；负荷设定值和升降负荷速率模块由操纵员输入后发送至数据库模块和功率调节模块；数据库模块用于建立冷却剂平均温度、冷却剂流量、反应堆功率、汽轮机负荷、燃耗深度/当前时间以及控制棒棒位之间的关系，并根据负荷设定值查询获得控制棒目标棒位，功率调节模块接收控制棒目标棒位信息后对核反应堆控制棒棒速和棒位进行调节。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种基于运行数据的核反应堆功率调节方法，充分利用核反应堆的运行数据，建立控制棒棒位与反应堆工况之间的联系，考虑反映反应堆状态的冷却剂平均温度、冷却剂流量等因素，为功率调节系统提供了准确的控制棒目标棒位，提高了控制性能；负荷变化时，预先知道控制棒目标棒位，为粗调和细调的设置建立了基础，有利于减小超调量和调节时间；建立粗调和细调过渡区间和权重系数与负荷改变速率之间的联系，使功率调节系统自动适应负荷变化的需求，具有自适应性。

进一步的，将功率调节的典型过程按棒位与目标棒位的偏差，分为粗调、过渡和精细三个阶段。设置的加权函数使得在三个阶段中，棒控信号的粗调与细调比重不同，使得控制棒能在棒位偏差较大时快速向目标棒位移动，距离接近后通过精细调节偏差。

进一步的，设计随棒位改变的加权函数，既能在调节的初期利用运行数据所得到的目标棒位信息，又能在调节的末期根据温度和功率进行反馈调节，同时在整个过程中控制信号不会出现突变。

进一步的，针对反应堆不同功率水平的特性，在不同的工况中，采用不同的加权系数函数大小，并设置了不同的粗调比例，使得设计的功率调节方法具有更好的适应性，并能改善多种工况中的控制性能。

进一步的，在长期运行中，反应堆的动态特性、反应性价值分布等属性会随时间改变。通过建立和更新反应堆运行数据库，能够减少反应堆的长期变化效应产生的目标棒位偏差，增加功率调节系统的适应性。

进一步的，在调节系统中，通过渐消记忆的方法，提取数据库中较有参考价值的数据进行目标棒位的计算，既能提高运算速度，也能充分利用有效数据，减小目标棒位的偏差。

本发明还公开了一种功率调节系统，利用了反应堆运行过程中产生的大量数据，建立控制棒棒位与各运行参数之间的关系。在调节过程中，根据反应堆参数和汽轮机负荷，确定控制棒的目标棒位，利用粗调与细调结合的方式，快速地将控制棒调节至目标棒位附近，并利用反馈调节消除偏差，实现了控制棒行程的缩短，以及反应堆负荷跟踪性能的改善。

综上所述，本发明提高了控制性能，减小超调量和调节时间，具有自适应性，有效提高控制棒的使用寿命。

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

图1为典型压水堆核电厂示意图；

图2为核反应堆功率调节数据库构成原理；

图3为核反应堆功率调节新方法示意图；

图4为核反应堆功率调节中细调原理示意图；

图5为核反应堆功率调节中粗调原理示意图；

图6为核反应堆功率调节中粗调和细调加权系数示意图；

图7为1％满负荷每秒线性降负荷新方法效果图，其中，(a)为控制棒棒位响应，(b)为反应堆功率响应；

图8为2％满负荷每秒线性降负荷新方法效果图，其中，(a)为控制棒棒位响应，(b)为反应堆功率响应。

具体实施方式

请参阅图1，压水堆核电厂有两个回路，蒸汽发生器1为两个回路之间的热传输装置，一回路中流动的是冷却剂，带走反应堆2堆芯中产生的热量，由控制棒3控制核反应堆的功率，通过稳压器4进行稳压；二回路中的给水吸收冷却剂的热量，经主蒸汽管道5产生蒸汽并送到汽轮机，最终产生电能。在压水堆在运行过程中，会有反映反应堆状态的测量量，通过核电厂的仪控系统会将反映反应堆状态的测量量记录下来。

本发明提供了一种基于运行数据的核反应堆功率调节方法，基于核反应堆运行过程中产生的反映核反应堆状态的量与控制棒棒位之间的关系，建立数据库，在负荷调节中提前查询数据库获得目标棒位，功率调节系统采用粗调和细调相结合的策略，在控制棒距离目标棒位大于调节前棒位与目标棒位偏差绝对值的80％时，为粗调阶段，通过前馈控制使控制棒以一定速度向目标棒位移动；在控制棒距离目标棒位小于调节前棒位与目标棒位偏差绝对值的25％时，为细调阶段，通过反馈控制减小稳态偏差；在粗调到细调转变过程中设置过渡阶段，通过合适的粗调和细调权重系数实现两个阶段之间的平稳过渡，过渡阶段和权重系统的设置与负荷升降速率相关，使功率调节系统自动适应负荷变化速率的要求；若控制棒靠近目标棒位，细调比重增加，提高控制精度，减小超调量；若控制棒远离目标棒位，粗调比重增加，使控制棒尽快向目标棒位移动，提高响应速度，解决了传统核反应堆功率调节系统存在的超调量大和调节时间长的问题。

本发明一种基于运行数据的核反应堆功率调节方法，包括以下步骤：

s1、采用与功率调节相关的变量以及反映反应堆状态的变量构建数据库，准确查询并获得不同负荷水平中控制棒的目标棒位；

与功率调节相关和反映反应堆状态的变量具体如下：

冷却剂平均温度、冷却剂流量、反应堆功率、汽轮机负荷、燃耗深度/当前时间以及控制棒棒位。

请参阅图2，当核电厂运行在稳定状态时，记录与功率调节相关和反映反应堆状态的变量，并依据这些数据建立控制棒棒位跟这些变量的对应关系。

s2、利用权重系数对步骤s1建立的数据库中不同运行时间的数据进行处理，越靠近当前运行时间的数据权重越大，减小核反应堆运行过程中燃耗深度、控制棒价值等变化带来的影响；

随着核反应堆的运行，数据库会不断更新，将反应堆功率、汽轮机负荷、回路冷却剂温度、回路冷却剂流量、蒸汽发生器给水流量和运行时间作为自变量，控制棒的最终棒位作为因变量，加大接近目前运行时间数据的权重，提高查询速度，保证能较快利用数据库查询到某一目标工况下的准确控制棒棒位，为功率调节建立基础。

s3、利用步骤s2处理后的数据库对功率调节系统进行粗调和细调，将粗调和细调的输出信号经过加权相加后为功率调节系统的输出信号，通过输出信号控制控制棒的移动方向和速率以实现基于运行数据的核反应堆功率调节系统。

请参阅图3，功率调节系统包括负荷设定值和升降负荷速率模块6、功率调节系统模块7以及数据库模块8。负荷设定值和升降负荷速率模块6由操纵员输入；数据库模块8建立控制棒棒位与负荷等变量之间的关系，根据负荷设定值查询获得控制棒目标棒位；功率调节系统模块7的输入为负荷设定值和升降负荷速率、控制棒目标棒位、反应堆功率和冷却剂平均温度等；输出为控制棒的移动速度和方向。

当操纵员确定负荷设定值和升降负荷速率后，由数据库查询获得控制棒目标棒位，由升降负荷速率调整粗调和细调的过渡区间和权重系数，通过功率调节系统模块调整控制棒的棒速和棒位，最终实现功率调节。

请参阅图4，细调部分保留传统功率调节系统，即在发生功率负荷失配时快速响应，通过冷却剂平均温度的偏差精细调节反应堆功率，输出为细调部分所需的控制棒棒速。

请参阅图5，采用前馈控制，棒位偏差作为控制器的输入，输出信号为粗调部分所需的控制棒棒速，控制器为一个非线性环节，在棒位偏差的绝对值低于死区时，输出信号为0；当偏差绝对值大于死区值时，输出信号为最高棒速，方向与偏差的正负一致。

在针对具体对象的实际设计中，可以根据具体情况改变粗调和细调部分的控制器，粗调可以根据实际堆的特性改变死区，细调根据稳态误差和抗干扰能力等依据调节参数。

请参阅图6，粗调和细调输出信号的加权系数的确定方法具体为：设a为粗调区间半长度，表示调节前棒位与目标棒位偏差绝对值的80％，b为细调区间半长度，表示小于调节前棒位与目标棒位偏差绝对值的25％。

当棒位偏差的绝对值大于a时，粗调输出信号的加权系数为1，细调输出信号的加权系数为0，该阶段为粗调阶段，控制棒以一定速度向目标棒位移动；

当棒位偏差的绝对值小于b时，粗调输出信号的加权系数为0，细调输出信号的加权系数为1，该阶段为细调阶段；

当棒位偏差的绝对值大于b小于a时，为过渡阶段，粗调和细调输出信号的加权系数之和为1。

其中，a、b和在过渡阶段粗调和细调输出信号的加权系数由升降负荷的速率决定，当负荷变化速率小于1％满负荷每秒时，a保持不变；反之，当负荷变化速率大于等于1％满负荷每秒时，增加粗调所占的比重，即a调整为调节前棒位与目标棒位偏差绝对值的75％。

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。

请参阅图7，给出了压水堆核电厂采用新方法和传统方法的功率调节系统作用下，降负荷调节的系统响应曲线。图7中，负荷设定值是为以1％满负荷每秒的速率从100％满负荷下降到10％满负荷，a和b分别取值为8cm和5cm。从图7(a)中可见，采用本发明对控制棒的超调量为10.4％，而传统方法中控制棒的超调量为55.1％。从图7(b)中可以看出，采用本发明对反应堆功率的调节时间为263秒，采用传统方法的调节时间为313秒。因此，采用本发明对控制棒的超调量显著减小，反应堆功率的调节时间也明显缩短。

请参阅图8，负荷设定值是为以2％满负荷每秒的速率从100％满负荷下降到10％满负荷，a和b分别取值为20cm和5cm。从图8(a)中可见，采用本发明对控制棒的超调量为27.7％，而传统方法中控制棒的超调量为70.2％。从图8(b)中可以看出，采用本发明对反应堆功率的调节时间为254秒，采用传统方法的调节时间为327秒。

本发明利用核反应堆的运行数据，建立一个控制棒棒位与反映核反应堆运行状态相关变量之间关系的数据库，反映核反应堆运行状态的变量包括反应堆功率、负荷、冷却剂平均温度、冷却剂流量、燃耗深度等，其中燃耗深度是核反应堆燃料消耗的一种度量，这里也可以用核反应堆的运行时间表征。利用该数据库，可获得负荷调节过程中，负荷设定值所对应的控制棒棒位，作为核反应堆功率调节的控制棒目标棒位。

核反应堆功率调节系统中设置粗调和细调相结合的控制方法，其中粗调采用前馈控制，提高响应速度。在负荷变化的初始阶段，控制棒棒位离目标棒位较远，采用粗调的方法，使控制棒快速向目标棒位移动。在离目标棒位较近时，采用细调的方法，减小控制棒的移动距离和超调量。从粗调到细调的过渡区间，设置粗调和细调的权重系数，使从粗调能够平稳过渡到细调。

过渡区间和权重系数的选择依据升降负荷的速率而定。如果负荷变化的速率较快，则需减小过渡区间，加大粗调的权重，使控制棒的移动尽可能由粗调主导，快速移动适应负荷快速变化的要求。若负荷变化速率较慢，则需加大细调的作用，减小超调量和稳态误差。

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。