CN106297925A - 一种多模块式高温气冷堆核电站的给水方案、动态模型与调控方法 - Google Patents

一种多模块式高温气冷堆核电站的给水方案、动态模型与调控方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多模块式高温气冷堆核电站的给水方案，动态模型与调控方法。属于核能科学与工程领域。用于解决多套NSSS模块因共用同一套给水加热系统，模块的动态特性通过二回路复杂流体网络耦合起来，任何一套NSSS模块的功率变换必然会影响其他模块的暂态特性的问题。它包括NSSS模块给水流量控制系统，主蒸汽压力控制系统，每套核蒸汽供应系统模块配置独立的给水泵进行补给水，以及用于仿真调控的给水网络的动态模型。实现了不同NSSS模块间的静态解耦，给水流量调节精度高，保证网络的整体稳定性。

Description

一种多模块式高温气冷堆核电站的给水方案、动态模型与调 控方法
技术领域
本发明属于核能科学与工程领域，具体来说，是一种多模块式高温气冷堆核电站的给水方案、动态模型与调控方法。
背景技术
模块式高温气冷堆(Modular High Temperature Gas-cooled Reactor,MHTGR)采用全陶瓷型包覆颗粒作为燃料元件，以石墨作为慢化剂和堆芯结构材料，使用化学惰性、热工性能良好且不会发生相变的氦气作为冷却剂，热功率一般不超过300MWth，由于功率密度低、温度负反馈效应强以及堆芯瘦长，MHTGR具有固有安全性特征，因而被美国能源协会选为第四代核能系统优选堆型之一。发展模块式高温气冷堆技术对于保障我国的能源安全以及可持续发展具有重要的意义。
我国自上世纪七十年代末开始发展MHTGR技术，由清华大学核能与新能源技术研究院(以下简称：核研院)自主设计、建造和运行的我国第一座MHTGR——10MWth球床式高温气冷实验堆HTR-10于2000年12月达到临界，并于2003年1月满功率运行。进而，利用HTR-10展开了一系列安全性试验，充分验证了高温气冷堆的固有安全性和自稳定性。
在HTR-10的基础上，清华大学核研院目前正在进行多模块式球床模块式高温气冷堆示范电站HTR-PM的设计、建造与验证工作。HTR-PM电站采用“两堆带一机”的运行方案，即两套NSSS模块并联驱动同一套汽轮发电机组，且每套NSSS模块包括一座额定热功率为250MWth的MHTGR，一台主氦风机，一座螺旋管式直流蒸汽发生器以及相应的辅助管道。HTR-PM电站的额定热功率为500MWth，额 定电功率为200MWe。两套NSSS模块采用独立的给水系统进行补给水，通过由公共的二回路设备，如：汽轮发电机组、凝汽器、给水泵、阀门以及管道等，构成的复杂流体网络紧密耦合起来。
模块式高温气冷堆由于采用非能动余热载出方式，其单堆的输出功率受到限制，最大热功率只能达到200～260MWth，其输出电功率只能达到100MWe规模容量，相比大型的压水堆核能系统，其容量规模较小。因而通过采用多套核蒸汽供应系统(Nuclear SteamSupply System,NSSS)模块并联驱动公共负荷装置(例如：汽轮发电机组)的多模块式运行方案，可以构建具有固有安全性的大型多用途核能系统，以提升模块式高温气冷堆的经济竞争力。
核蒸汽供应系统(Nuclear Steam Supply System,NSSS)是利用核燃料的裂变能转变为蒸汽热能以供给汽轮机做功的系统。泛指核电厂汽轮机进汽阀之前的部分。由反应堆本体、反应堆冷却剂系统以及整套核辅助系统和安全系统等组成。
多套NSSS模块因共用同一套给水加热系统，模块的动态特性通过二回路复杂流体网络耦合起来，任何一套NSSS模块的功率变换必然会影响其他模块的暂态特性。因而，为协调模块间的稳定运行，有必要发展适宜的给水方案和给水网络的调控方法。
发明内容
本发明目的是旨在提供了一种多模块式高温气冷堆核电站系统的给水方案、给水网络动态模型与调控方法，实现了不同NSSS模块间的静态解耦，给水流量调节精度高，保证网络的整体稳定性。
为实现上述技术目的，本发明采用的技术方案如下：
一种多模块式高温气冷堆核电站的给水方案，包括NSSS模块给水流量控制 系统，主蒸汽压力控制系统，每套核蒸汽供应系统模块配置独立的给水泵进行补给水；
所述NSSS模块给水流量控制系统根据给水质量流量的测量值与其给定值的偏差经过预定的给水流量控制器通过调节给水泵的转速，保证二回路给水质量维持在或跟踪上给定值；
所述主蒸汽压力控制系统根据由主蒸汽压力的测量值与其给定值的偏差经过预定的主蒸汽压力控制器通过调节主汽调节阀的阀门开度，保证主蒸汽压力的稳定。
进一步限定，所述NSSS模块至少为2个。
本发明还提供了一种多模块式高温气冷堆核电站的动态模型，给水网络的主要动态特性
由常微分方程：
Q · i = - K i ( R f i Q i + R i Q i 2 ) + K i ( H d i - H n + 1 )
和代数方程：
来描述，其中：
n：NSSS模块的数量；
Qi：第i套NSSS模块给水质量流量；
Ri：第i套NSSS模块二次侧所在的给水网络支路的管路流阻；
Ki：第i套NSSS模块二次侧所在的给水网络支路的惯性系数；
Qn+1：主蒸汽质量流量；
Hn+1：主蒸汽压力；
Rn+1：汽机所在给水网络支路的流阻；
Hdi：i#给水泵的压头；
Rfi：i#给水泵所在的给水网络支路的管路流阻。
本发明还提供了一种多模块式高温气冷堆核电站的调控方法，包括以下步骤，
步骤一，建立给水网络的动态模型；
步骤二，设计给水流量控制器和主蒸汽压力控制器；
步骤三，整定控制器参数；
步骤四，进行仿真试验验证控制器性能。
优选的，包含NSSS模块给水流量控制器和主蒸汽压力控制器；对于含有n套NSSS模块的高温气冷堆核电站，共有n+1个控制器，包括n个NSSS模块给水流量控制器和1个主蒸汽压力控制器。
优选的，所述给水流量控制器位于NSSS模块给水流量控制系统的闭环回路结构；
具体工作的时候，NSSS模块给水流量控制系统根据给水质量流量的测量值与其给定值的偏差经过预定的给水流量控制器通过调节给水泵的转速，保证二回路给水质量维持在或跟踪上给定值。
优选的，所述主蒸汽压力控制器位于主蒸汽压力控制系统的闭环回路结构；
具体工作的时候，主蒸汽压力控制系统根据由主蒸汽压力的测量值与其给定值的偏差经过预定的主蒸汽压力控制器通过调节主汽调节阀的阀门开度，保证主蒸汽压力的稳定。
优选的，所述给水流量控制器和所述主蒸汽压力控制器的控制算法都采用比例积分控制算法。
优选的，所述控制回路中加入滤波环节。
本发明相比现有技术，第一，实现不同NSSS模块间的静态解耦，多套NSSS模块因共用同一套给水加热系统，模块的动态特性通过二回路复杂流体网络耦合起来，任何一套NSSS模块的功率变换必然会影响其他模块的暂态特性，具体 耦合关系表现为：多台蒸汽发生器的二次侧以及多台给水泵是并联的，这使得多套NSSS模块间存在压力-流量通道的耦合，任何一台蒸发器给水流量改变所造成的压力波动都会传递到其他台蒸发器的二次侧，即任何一台蒸发器给水流量的变化都会造成多台蒸发器给水压力的变化。本发明设计了给水流量控制系统，通过给水流量控制器修订给水泵的压头的给定值，调节给水泵的转速实现给水流量维持或跟踪上给定值，同时保证给水压力避免因其他台蒸发器给水流量变化而受压力波动的影响，即实现了不同NSSS模块间的静态解耦。
第二，NSSS模块给水泵独立配置，模块间影响小，给水流量调节精度高，每套NSSS模块配置独立的给水泵进行补给水，可独立调节每套NSSS模块的给水流量，与传统的阀门调节相比，具有线性程度好，调节精度高，控制较为简便等优点。
第三，采用分布式调控方法，只需要局部测量信息可以保证网络的整体稳定性，本发明针对核电站的给水网络建立了具有严格耗散结构特性的集总参数模型，采用分布式的调控方法，设计了给水流量控制器和主蒸汽压力控制器，通过获取每套NSSS模块的给水质量流量和汽机的蒸汽压力的测量值信息，便可进行网络的给水流量和压力的调控，以保证给水网络的整体稳定性。
第四，控制算法形式简洁，易于实现和调试，给水流量控制器和主蒸汽压力控制器中的控制算法可采用经典控制理论中的PI控制算法，控制器中可加入滤波环节以避免噪声对控制性能的影响，控制器形式简洁，易于工程实现和调试。
附图说明
本发明可以通过附图给出的非限定性实施例进一步说明；
图1为含有n套NSSS模块的高温气冷堆电站结构示意图；
图2为控制系统的闭环回路结构示意图；
图3为给水流量控制器的结构示意图；
图4为主蒸汽压力控制器的结构示意图；
图5-a为试验工况下1#NSSS模块给水质量流量响应仿真结果曲线图；
图5-b为试验工况下2#NSSS模块给水质量流量响应仿真结果曲线图；
图5-c为试验工况下主蒸汽压力响应仿真结果曲线图；
图5-d为试验工况下1#给水泵压头响应仿真结果曲线图；
图5-e为试验工况下2#给水泵压头响应仿真结果曲线图；
图5-f为试验工况下汽机所在给水网络支路的流阻响应仿真结果曲线图；
图6为模块式高温气冷堆核电站系统调控方法流程图。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员可以更好地理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明技术方案进一步说明。
如图1，图2，图3，图4所示，一种多模块式高温气冷堆核电站的给水方案，包括NSSS模块给水流量控制系统，主蒸汽压力控制系统，每套核蒸汽供应系统模块配置独立的给水泵进行补给水；
NSSS模块给水流量控制系统根据给水质量流量的测量值与其给定值的偏差经过预定的给水流量控制器通过调节给水泵的转速，保证二回路给水质量维持在或跟踪上给定值；
主蒸汽压力控制系统根据由主蒸汽压力的测量值与其给定值的偏差经过预定的主蒸汽压力控制器通过调节主汽调节阀的阀门开度，保证主蒸汽压力的稳定。
每套核蒸汽供应系统模块还配置主汽调节阀和旁路阀用于调节进入汽机的蒸汽流量。
需要说明的是，图1中给出的NSSS模块为n个，实际制定给水方案的时候，NSSS模块大于等于2个。
一种多模块式高温气冷堆核电站的动态模型，给水网络的主要动态特性
由常微分方程：
Q · i = - K i ( R f i Q i + R i Q i 2 ) + K i ( H d i - H n + 1 )
和代数方程：
来描述，其中：
n：NSSS模块的数量；
Qi：第i套NSSS模块给水质量流量；
Ri：第i套NSSS模块二次侧所在的给水网络支路的管路流阻；
Ki：第i套NSSS模块二次侧所在的给水网络支路的惯性系数；
Qn+1：主蒸汽质量流量；
Hn+1：主蒸汽压力；
Rn+1：汽机所在给水网络支路的流阻；
Hdi：i#给水泵的压头；
Rfi：i#给水泵所在的给水网络支路的管路流阻。
如图6所示，一种多模块式高温气冷堆核电站的调控方法，包括以下步骤，
步骤一，建立给水网络的动态模型；
步骤二，设计给水流量控制器和主蒸汽压力控制器；
步骤三，整定控制器参数；
步骤四，进行仿真试验验证控制器性能。
包含NSSS模块给水流量控制器和主蒸汽压力控制器；对于含有n套NSSS 模块的高温气冷堆核电站，共有n+1个控制器，包括n个NSSS模块给水流量控制器和1个主蒸汽压力控制器。
给水流量控制器位于NSSS模块给水流量控制系统的闭环回路结构；
具体工作的时候，NSSS模块给水流量控制系统根据给水质量流量的测量值与其给定值的偏差经过预定的给水流量控制器通过调节给水泵的转速，保证二回路给水质量维持在或跟踪上给定值。
主蒸汽压力控制器位于主蒸汽压力控制系统的闭环回路结构；
具体工作的时候，主蒸汽压力控制系统根据由主蒸汽压力的测量值与其给定值的偏差经过预定的主蒸汽压力控制器通过调节主汽调节阀的阀门开度，保证主蒸汽压力的稳定。
给水流量控制器和所述主蒸汽压力控制器的控制算法都采用比例积分控制算法；
控制回路中加入滤波环节。
本发明给出了一种多模块式高温气冷堆核电站的给水方案，如附图1所示，每套NSSS模块配置独立的给水泵用于调节给水流量，并配置主汽调节阀和旁路阀用于调节进入汽机的蒸汽流量。
表1.给水网络系统
表2.NSSS给水流量控制系统
表3.主蒸汽压力控制系统
下面分别给出给水流量和主蒸汽压力控制器的功能：
给水流量控制器的功能
(a)如附图3示，NSSS模块给水流量控制系统根据给水质量流量的测量值与其给定值的偏差经过预定的给水流量控制器通过调节给水泵的转速，保证二回路给水质量维持在或跟踪上给定值。
主蒸汽压力控制器的功能
(b)如附图4所示，主蒸汽压力控制系统根据由主蒸汽压力的测量值与其给定值的偏差经过预定的主蒸汽压力控制器通过调节主汽调节阀的阀门开度，保证主蒸汽压力的稳定。
上述给水流量和主蒸汽压力控制器中的控制算法可以采用形式简洁且易于工程实现的比例积分(Proportional Integral，PI)控制算法，理论分析表明PI控制算法即可保证闭环全局稳定性。此外，控制回路中应适当加入滤波环节，以降低噪声对控制性能的影响。
以HTR-PM为例。
(1)建立给水网络动态模型
Q · 1 = - K 1 ( R 1 Q 1 2 + R f 1 Q f 1 - H d 1 + H 3 )
Q · 2 = - K 2 ( R 2 Q 2 2 + R f 2 Q f 2 - H d 2 + H 3 )
H 3 = - K 1 ( R 1 Q 1 2 + R f 1 Q 1 - H d 1 ) - K 2 ( R 2 Q 2 2 + R f 2 Q 2 - H d 2 ) + K 3 R 3 Q 3 2 K 1 + K 2 + K 3
(2)选择合适的控制算法和滤波环节，设计给水流量控制器和主蒸汽
压力控制器参照技术方案中调控方法，控制器算法采用PI控制算法，滤波
环节采用一阶惯性环节。
表4.控制器参数
(3)进行仿真试验，验证控制器性能。
(a)维持1(2)#NSSS运行在100％RFP，对1#NSSS施加由100％RFP至90％RFP的正向设定功率水平阶跃。
(b)做出NSSS模块给水质量流量、主蒸汽压力、给水泵压头和汽机所在给水网络支路的流阻等参数的动态响应曲线。
如图5-a，图5-b，图5-c，图5-d，图5-e，图5-f所示，由仿真结果曲线可知，1000s时对1#NSSS施加由100％RFP至90％RFP的正向设定功率水平阶跃，1#NSSS的给水质量流量由96kg/s阶跃响应至86.2kg/s(图5-a)，1#NSSS给水质量流量由1#NSSS给水泵控制，给水泵转子转速是由给水泵压头决定，故1#给水泵压头发生阶跃变换，迅速减小至响应值(图5-d)，1#NSSS功率的变化会造成1#NSSS出口蒸汽压力的波动，主蒸汽为两个模块产生的蒸汽之和，因而主蒸汽压力会发生波动，由于添加了主蒸汽压力控制器，通过调节主蒸汽调节阀的阀门开度，改变主蒸汽所在支路的流阻(图5-f),因而主蒸汽压力会迅速响应至稳态值(图5-c)；由于1#NSSS和2#NSSS分别采用单独的给水泵进行给水质量流量的控制，因而互不影响，因而2#NSSS的给水质量流量保持不变(图 5-b)；1#给水流量的变化会造成1#给水压力的波动，继而会影响2#给水压力，依据网孔KVL定律，因而会造成2#NSSS给水泵压头的波动后恢复至稳态值(图5-e)。因而调控方案保证了给水网络的全局渐近稳态，实现了1#NSSS、2#NSSS模块间的静态解耦。
上述过程是一个多模式核电站给水方案、给水网络模型和调控方法的完整试验过程。控制器算法可采用PI控制算法，也可以采用其他算法以保证给水网络的稳态，试验步骤和上述过程一致。
以上对本发明提供的一种多模块式高温气冷堆核电站的给水方案、动态模型与调控方法进行了详细介绍。具体实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种多模块式高温气冷堆核电站的给水方案，其特征在于：包括NSSS模块给水流量控制系统，主蒸汽压力控制系统，每套核蒸汽供应系统模块配置独立的给水泵进行补给水；
所述NSSS模块给水流量控制系统根据给水质量流量的测量值与其给定值的偏差经过预定的给水流量控制器通过调节给水泵的转速，保证二回路给水质量维持在或跟踪上给定值；
所述主蒸汽压力控制系统根据由主蒸汽压力的测量值与其给定值的偏差经过预定的主蒸汽压力控制器通过调节主汽调节阀的阀门开度，保证主蒸汽压力的稳定。
2.根据权利要求1所述的一种多模块式高温气冷堆核电站的给水方案，其特征在于：所述NSSS模块至少为2个。
3.一种多模块式高温气冷堆核电站的动态模型，其特征在于：给水网络的主要动态特性
由常微分方程：
Q · i = - K i ( R f i Q i + R i Q i 2 ) + K i ( H d i - H n + 1 )
和代数方程：
来描述，其中：
n：NSSS模块的数量；
Qi：第i套NSSS模块给水质量流量；
Ri：第i套NSSS模块二次侧所在的给水网络支路的管路流阻；
Ki：第i套NSSS模块二次侧所在的给水网络支路的惯性系数；
Qn+1：主蒸汽质量流量；
Hn+1：主蒸汽压力；
Rn+1：汽机所在给水网络支路的流阻；
Hdi：i#给水泵的压头；
Rfi：i#给水泵所在的给水网络支路的管路流阻。
4.一种多模块式高温气冷堆核电站的调控方法，其特征在于：包括以下步骤，
步骤一，建立给水网络的动态模型；
步骤二，设计给水流量控制器和主蒸汽压力控制器；
步骤三，整定控制器参数；
步骤四，进行仿真试验验证控制器性能。
5.根据权利要求4所述的一种多模块式高温气冷堆核电站的调控方法，其特征在于：包含NSSS模块给水流量控制器和主蒸汽压力控制器；对于含有n套NSSS模块的高温气冷堆核电站，共有n+1个控制器，包括n个NSSS模块给水流量控制器和1个主蒸汽压力控制器。
6.根据权利要求5所述的一种多模块式高温气冷堆核电站的调控方法，其特征在于：所述给水流量控制器位于NSSS模块给水流量控制系统的闭环回路结构；
具体工作的时候，NSSS模块给水流量控制系统根据给水质量流量的测量值与其给定值的偏差经过预定的给水流量控制器通过调节给水泵的转速，保证二回路给水质量维持在或跟踪上给定值。
7.根据权利要求5或6所述的一种多模块式高温气冷堆核电站的调控方法，其特征在于：所述主蒸汽压力控制器位于主蒸汽压力控制系统的闭环回路结构；
具体工作的时候，主蒸汽压力控制系统根据由主蒸汽压力的测量值与其给定值的偏差经过预定的主蒸汽压力控制器通过调节主汽调节阀的阀门开度，保证主蒸汽压力的稳定。
8.根据权利要求7所述的一种多模块式高温气冷堆核电站的调控方法，其特征在于：所述给水流量控制器和所述主蒸汽压力控制器的控制算法都可以采用比例积分控制算法。
9.根据权利要求8所述的一种多模块式高温气冷堆核电站的调控方法，其特征在于：所述控制回路中加入滤波环节。
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