CN106683721B - 多单元小型模块化反应堆控制系统实验装置及其实验方法 - Google Patents
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Abstract
多单元小型模块化反应堆控制系统实验装置及其实验方法，属于核反应堆控制领域，该实验装置包括由高位水箱、低位水箱、主水箱、水泵、进水阀门、出水阀门和管道组成的核蒸汽供应系统模拟装置，由主管道和多个排水单元组成的母管模拟装置，由数据采集模块、信号输出模块、主控计算机和相关线路组成的主控制台；本发明还提供了该实验装置的实验方法；本发明能够用低参数无辐射条件下的实验装置模拟并分析多单元小型模块化反应堆系统的动态特性，设计并验证相应的控制方案。
Description
技术领域
本发明属于核反应堆控制领域，具体涉及一种多单元小型模块化反应堆控制系统实验装置及其实验方法。
背景技术
小型模块化反应堆由于安全性高，经济性好，建设周期短，是核能技术的重要发展趋势之一，而这种小容量的反应堆为了达到大规模发电的目的，常采用多单元并列布置的形式，把这种堆定义为多单元小型模块化反应堆，其结构示意图参见图1。图1中，若干核蒸汽供应单元(图示为四个单元)向同一母管供应蒸汽，母管将蒸汽汇集后为多个汽轮机(图示为两个)提供动力。每一个核蒸汽供应单元主要包括堆芯、蒸汽发生器和主泵，蒸汽发生器产生的蒸汽在母管中汇集，最后经由出口到汽轮机做功，离开汽轮机的乏蒸汽经过冷凝器冷凝再由各单元的给水泵汲送到蒸汽发生器中加热，形成二回路循环。
在多单元小型模块化反应堆系统中，由于各核蒸汽供应单元独立运行，向同一母管供应蒸汽，给母管压力的控制带来困难，同时各个单元之间负荷的分配也是必须考虑的问题。因此在这样的系统中，母管压力控制和负荷分配的控制是非常重要的。但是核能系统的高参数和放射性导致在现场对其控制系统进行实验研究比较危险，且难以实现，而通过计算仿真研究得到的结果又不易验证，为了克服这些不足，采用本发明的多单元小型模块化反应堆控制系统实验装置及其实验方法是合理可行的，也是十分必要的。
发明内容
为克服现有技术中存在的上述不足，本发明的目的在于设计一种多单元小型模块化反应堆控制系统实验装置及其实验方法，利用实验的方法研究对象动态特性，设计并验证控制方案。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种多单元小型模块化反应堆控制系统实验装置，包括多个核蒸汽供应系统模拟装置1、连接在核蒸汽供应系统模拟装置1下游的母管模拟装置2、连接在核蒸汽供应系统模拟装置1上游的高位水箱6、与高位水箱6上游连通的低位水箱4以及主控制台；
核蒸汽供应系统模拟装置1包括主水箱1‐3，主水箱1‐3上游管道连接进水阀1‐2，进水阀1‐2上游管道上连接第一涡轮流量计1‐1，主水箱1‐3下游管道连接第二涡轮流量计1‐4，第二涡轮流量计1‐4下游管道连接第一出水阀1‐5，第一出水阀1‐5下游管道连接止回阀1‐6，止回阀1‐6下游管道连接第一压力变送器1‐7，主水箱1‐3上设置液位变送器1‐8，主水箱1‐3近顶端侧壁设置溢流管，主水箱1‐3采用有机玻璃制圆柱形封闭水箱，作用是利用循环水模拟核蒸汽供应系统中蒸汽的供应，利用主水箱1‐3的水位给出口水提供一定压头，模拟带压蒸汽，进水阀1‐2的作用是调节主水箱1‐3液面高度，出水阀1‐5的作用是控制出水流量，模拟蒸汽负荷，第一涡轮流量计1‐1、第二涡轮流量计1‐4、第一压力变送器1‐7和液位变送器1‐8分别用于监测主水箱1‐3进出口流量、出口压力和液位，止回阀1‐6的作用是防止主管道2‐1中的水倒流回主水箱1‐3；
母管模拟装置2包括与多个核蒸汽供应系统模拟装置1的下游管道均连接的母管主管道2‐1，母管主管道2‐1的每个出口连接一个母管出水模块2‐2，母管出水模块2‐2包括与母管出口下游管道连接的第二压力变送器2‐21、第二压力变送器2‐21下游管道连接的第二出水阀2‐22，第二出水阀2‐22下游管道连接的第三涡轮流量计2‐23，第二出水阀2‐22用于控制母管出水模块2‐2的出口流量，模拟汽轮机进气阀门的控制，第三涡轮流量计2‐23用于监测母管出水模块2‐2的出口压力，主管道2‐1设置多个入口和多个出口，入口数量与核蒸汽供应系统模拟装置1的数量一致，出口数量与母管出水模块2‐2的数量一致；
核蒸汽供应系统模拟装置1的上游管道连接到共用的高位水箱6，高位水箱6近顶端侧壁设置溢流管，高位水箱6的上游管道连接水泵5，水泵5的上游连接到低位水箱4，高位水箱6的溢流管、主水箱1‐3的溢流管和母管模拟装置2的出水都连接到低位水箱4，手动阀门7上游通过管道与低位水箱4相连，下游通过管道接入排水口，用于系统排放，高位水箱6采用有机玻璃制长方体封闭式水箱，用于为核蒸汽供应系统模拟装置1提供稳定水源，水泵5采用离心泵，用于将低位水箱4的水汲送到高位水箱6，为整个循环提供动力，低位水箱4采用有机玻璃制长方体敞开式水箱，容量能够容纳整个水循环系统里的水，用于整个循环的供水并接收高位水箱6的溢流、主水箱1‐3溢流和母管模拟装置的出水；
主控制台包括主控计算机3‐1，与主控计算机3‐1采用PCI‐E方式连接的数据采集模块3‐2，与主控计算机3‐1采用PCI‐E方式连接的信号输出模块3‐3，主控计算机3‐1安装MATLAB/Simulink软件，用于设计控制方案并进行数值计算，数据采集模块3‐2的作用是监测信号的采集和模数转换，信号输出模块3‐3的作用是控制信号的数模转换和输出；
第一涡轮流量计1‐1、第二涡轮流量计1‐4、第三涡轮流量计2‐23、第一压力变送器1‐7、第二压力变送器2‐21、液位变送器1‐8与数据采集模块3‐2采用标准二线制传输的方式连接，使用24V直流电源供电，输出4～20mA模拟信号传输到数据采集模块3‐2，进水阀1‐2、第一出水阀1‐5、第二出水阀2‐22与信号输出模块3‐3采用标准二线制传输的方式连接，使用24V直流电源供电，接收来自信号输出模块3‐3的4～20mA模拟信号；
实验开始前对实验装置进行充水检漏、抗破坏试验，确保实验装置在大流量下无泄漏、无破坏，上述实验装置对应的实验方法包括以下步骤：
S1、在主控计算机3‐1的Simulink平台设计多单元小型模块化反应堆控制系统的控制方案，控制输入为母管压力设定值与第二压力变送器2‐22测量值的偏差，控制输出为进水阀1‐2和第一出水阀1‐5的开度调节信号；
S2、设置实验装置的初始稳态，设定进水阀1‐2、第一出水阀1‐5和第二出水阀2‐22的初始开度，开启水泵5，系统循环运行，直至第一涡轮流量计1‐1、第二涡轮流量计1‐4、第三涡轮流量计2‐23、第一压力变送器1‐7、第二压力变送器2‐21、液位变送器1‐8提供的主水箱1‐3进口流量、主水箱1‐3出口流量、母管出水模块2‐2出口流量、主水箱1‐3出口压力、母管出水模块2‐2出口压力、主水箱1‐3液位达到稳定；
S3、对于给定的负荷变化工况，由主控制台3调节一个或两个第二出水阀2‐22开度的变化，使第三涡轮流量计2‐23的流量发生变化，模拟负荷变化，引起第二压力变送器2‐22压力测量值的变化；
S4、由主控计算机3‐1将第二压力变送器2‐22压力测量值与母管压力设定值的偏差作为控制输入，通过步骤S1预先设定的控制方案对偏差信号进行计算得到核蒸汽供应系统模拟装置1出水流量和进水流量的变化规律，通过信号输出模块3‐3生成控制信号改变进水阀1‐2和第一出水阀1‐5的开度；
S5、主控制台的主控计算机3‐1监测并记录整个动态调节过程中各参数的变化，包括母管出水模块2‐2的出口压力、母管出水模块2‐2的出口流量、主水箱1‐3的进口流量、主水箱1‐3出口流量、主水箱1‐3的出口压力、主水箱1‐3的液位，分析所用控制方案情况下上述参数的调整时间、超调量和稳态误差，并作为依据转步骤S1调整预设控制方案，直至上述所有参数的调整时间小于200秒，超调量小于5％，稳态误差小于2％。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明用循环水试验装置模拟多单元小型模块化反应堆，实现了多单元小型模块化反应堆控制系统的堆外实验，实验环境参数低、无辐射，极大地降低了实验风险。
2、实验装置中包含了流量、压力和液位的监测装置和执行装置阀门，能够产生真实的实验数据，与仿真计算的数据相比更具有可靠性和可信性。
3、实验装置采用离心泵和高位水箱的溢流管实现在实验过程中循环水流量的平衡，避免了复杂的水泵速度调速装置和水泵故障。
4、高位水箱和主水箱采用带溢流管的封闭设计，低位水箱采用敞口设计，避免了实验过程中可能发生的超流量泄露。
5、实验装置中的母管主管道进口数量和出口数量可以根据实验需求灵活调整，使得实验装置具有可扩展性。
附图说明
图1为背景技术中多单元小型模块化反应堆结构示意图。
图2为本发明实施例中多单元小型模块化反应堆控制系统实验装置结构示意图。
图3为采用多单元小型模块化反应堆控制系统实验装置的实验方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明：
如图2所示，本发明涉及一种多单元小型模块化反应堆控制系统实验装置，包括四个核蒸汽供应系统模拟装置1，连接在核蒸汽供应系统模拟装置1下游的母管模拟装置2、连接在核蒸汽供应系统模拟装置1上游的高位水箱6、与高位水箱6上游连通的低位水箱4以及主控制台；
每个核蒸汽供应系统模拟装置1包括主水箱1‐3，主水箱1‐3上游管道连接进水阀1‐2，进水阀1‐2上游管道上连接第一涡轮流量计1‐1，主水箱1‐3下游管道连接第二涡轮流量计1‐4，第二涡轮流量计1‐4下游管道连接第一出水阀1‐5，第一出水阀1‐5下游管道连接止回阀1‐6，止回阀1‐6下游管道连接第一压力变送器1‐7，主水箱1‐3上设置液位变送器1‐8，主水箱1‐3近顶端侧壁设置溢流管，主水箱1‐3采用有机玻璃制圆柱形封闭水箱，作用是利用循环水模拟核蒸汽供应系统中蒸汽的供应，利用主水箱1‐3的水位给出口水提供一定压头，模拟带压蒸汽，进水阀1‐2的作用是调节主水箱1‐3液面高度，出水阀1‐5的作用是控制出水流量，模拟蒸汽负荷，第一涡轮流量计1‐1、第二涡轮流量计1‐4、第一压力变送器1‐7和液位变送器1‐8分别用于监测主水箱1‐3进出口流量、出口压力和液位，止回阀1‐6的作用是防止主管道2‐1中的水倒流回主水箱1‐3；
母管模拟装置2包括与四个核蒸汽供应系统模拟装置1的下游管道均连接的母管主管道2‐1，母管主管道2‐1设有两个出口，每个出口连接一个母管出水模块2‐2，母管出水模块2‐2包括与母管出口下游管道连接的第二压力变送器2‐21，第二压力变送器2‐21下游管道连接的第二出水阀2‐22，第二出水阀2‐22下游管道连接的第三涡轮流量计2‐23，第二出水阀2‐22用于控制母管出水模块2‐2的出口流量，模拟汽轮机进气阀门的控制，第三涡轮流量计2‐23用于监测母管出水模块2‐2的出口压力；
四个核蒸汽供应系统模拟装置1的上游管道连接到共用的高位水箱6，高位水箱6近顶端侧壁设置溢流管，高位水箱6的上游管道连接水泵5，水泵5的上游连接到低位水箱4，高位水箱6的溢流管、四个主水箱1‐3的溢流管和母管模拟装置2的出水都连接到低位水箱4，手动阀门7上游通过管道与低位水箱4相连，下游通过管道接入排水口，用于系统排放，高位水箱6采用有机玻璃制长方体封闭式水箱，水泵5采用离心泵，用于将低位水箱4的水汲送到高位水箱6，为整个循环提供动力，低位水箱4采用有机玻璃制长方体敞开式水箱，用于容纳整个循环需要的水并接收各处溢流和排水；
主控制台包括主控计算机3‐1，与主控计算机3‐1采用PCI‐E方式连接的数据采集模块3‐2，与主控计算机3‐1采用PCI‐E方式连接的信号输出模块3‐3，主控计算机3‐1安装MATLAB/Simulink软件，用于设计控制方案并进行数值计算，数据采集模块3‐2的作用是监测信号的采集和模数转换，信号输出模块3‐3的作用是控制信号的数模转换和输出；
第一涡轮流量计1‐1、第二涡轮流量计1‐4、第三涡轮流量计2‐23、第一压力变送器1‐7、第二压力变送器2‐21、液位变送器1‐8与数据采集模块3‐2采用标准二线制传输的方式连接，使用24V直流电源供电，输出4～20mA模拟信号传输到数据采集模块3‐2，进水阀1‐2、第一出水阀1‐5、第二出水阀2‐22与信号输出模块3‐3采用标准二线制传输的方式连接，使用24V直流电源供电，接收来自信号输出模块3‐3的4～20mA模拟信号；
实验开始前对实验装置进行充水检漏、抗破坏试验，确保实验装置在大流量下无泄漏、无破坏，上述实验装置对应的实验方法包括以下步骤，如图3所示：
S1、在主控计算机3‐1的Simulink平台设计多单元小型模块化反应堆控制系统的控制方案，控制输入为母管压力设定值与第二压力变送器2‐22测量值的偏差，控制输出为进水阀1‐2和第一出水阀1‐5的开度调节信号；
S2、设置实验装置的初始稳态，设定进水阀1‐2、第一出水阀1‐5和第二出水阀2‐22的初始开度，开启水泵5，系统循环运行，直至第一涡轮流量计1‐1、第二涡轮流量计1‐4、第三涡轮流量计2‐23、第一压力变送器1‐7、第二压力变送器2‐21、液位变送器1‐8提供的主水箱1‐3进口流量、主水箱1‐3出口流量、母管出水模块2‐2出口流量、主水箱1‐3出口压力、母管出水模块2‐2出口压力、主水箱1‐3液位达到稳定；
S3、对于给定的负荷变化工况，由主控制台3调节一个或两个第二出水阀2‐22开度的变化，使第三涡轮流量计2‐23的流量发生变化，模拟负荷变化，引起第二压力变送器2‐22压力测量值的变化；
S4、由主控计算机3‐1将第二压力变送器2‐22压力测量值与母管压力设定值的偏差作为控制输入，通过步骤S1预先设定的控制方案对偏差信号进行计算得到核蒸汽供应系统模拟装置1出水流量和进水流量的变化规律，通过信号输出模块3‐3生成控制信号改变进水阀1‐2和第一出水阀1‐5的开度；
S5、主控制台的主控计算机3‐1监测并记录整个动态调节过程中各参数的变化，包括母管出水模块2‐2的出口压力、母管出水模块2‐2的出口流量、主水箱1‐3的进口流量、主水箱1‐3出口流量、主水箱1‐3的出口压力、主水箱1‐3的液位，分析所用控制方案情况下上述参数的调整时间、超调量和稳态误差，并作为依据转步骤S1调整预设控制方案，直至上述所有参数的调整时间小于200秒，超调量小于5％，稳态误差小于2％。
本发明不局限于上述实施方式，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，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (6)
1.一种多单元小型模块化反应堆控制系统实验装置，其特征在于：包括多个核蒸汽供应系统模拟装置(1)、连接在核蒸汽供应系统模拟装置(1)下游的母管模拟装置(2)、连接在核蒸汽供应系统模拟装置(1)上游的高位水箱(6)、与高位水箱(6)上游连通的低位水箱(4)以及主控制台；
每个所述核蒸汽供应系统模拟装置(1)包括主水箱(1-3)，主水箱(1-3)上游管道连接进水阀(1-2)，进水阀(1-2)上游管道上连接第一涡轮流量计(1-1)，主水箱(1-3)下游管道连接第二涡轮流量计(1-4)，第二涡轮流量计(1-4)下游管道连接第一出水阀(1-5)，第一出水阀(1-5)下游管道连接止回阀(1-6)，止回阀(1-6)下游管道连接第一压力变送器(1-7)，主水箱(1-3)上设置液位变送器(1-8)，主水箱(1-3)近顶端侧壁设置溢流管；
所述母管模拟装置(2)包括与多个所述核蒸汽供应系统模拟装置(1)的下游管道均连接的母管主管道(2-1)，母管主管道(2-1)的每个出口连接一个母管出水模块(2-2)，所述母管出水模块(2-2)包括与母管出口下游管道上连接的第二压力变送器(2-21)，第二压力变送器(2-21)下游管道连接的第二出水阀(2-22)，第二出水阀(2-22)下游管道连接的第三涡轮流量计(2-23)；
所述高位水箱(6)近顶端侧壁设置溢流管，高位水箱(6)的上游管道连接水泵(5)，水泵(5)的上游管道连接到低位水箱(4)，高位水箱(6)的溢流管、主水箱(1-3)的溢流管和母管模拟装置(2)的出水均连接到低位水箱(4)，手动阀门(7)上游通过管道与低位水箱(4)相连，下游通过管道接入排水口；
所述主控制台包括主控计算机(3-1)、与主控计算机(3-1)采用PCI-E方式连接的数据采集模块(3-2)以及与主控计算机(3-1)采用PCI-E方式连接的信号输出模块(3-3)；
所述第一涡轮流量计(1-1)、第二涡轮流量计(1-4)、第三涡轮流量计(2-23)、第一压力变送器(1-7)、第二压力变送器(2-21)和液位变送器(1-8)通过数据线与数据采集模块(3-2)连接，所述进水阀(1-2)、第一出水阀(1-5)和第二出水阀(2-22)通过数据线与信号输出模块(3-3)连接。
2.根据权利要求1所述的多单元小型模块化反应堆控制系统实验装置，其特征在于：所述高位水箱(6)采用长方体封闭式水箱，主水箱(1-3)采用圆柱体封闭式水箱，低位水箱(4)采用长方体敞口式水箱；低位水箱(4)能够容纳整个水循环系统里的水，为方便实验观察，高位水箱(6)、主水箱(1-3)和低位水箱(4)的材质均为有机玻璃。
3.根据权利要求1所述的多单元小型模块化反应堆控制系统实验装置，其特征在于：所述母管主管道(2-1)设置多个入口和多个出口，入口数量与核蒸汽供应系统模拟装置(1)的数量一致，出口数量与母管出水模块(2-2)的数量一致；所述母管出水模块(2-2)的数量少于核蒸汽供应系统模拟装置(1)的数量。
4.根据权利要求1所述的多单元小型模块化反应堆控制系统实验装置，其特征在于：整个所述实验装置为循环供水，循环介质采用清水，水泵(5)采用离心泵，为整个循环提供动力。
5.根据权利要求1所述的多单元小型模块化反应堆控制系统实验装置，其特征在于：所述第一涡轮流量计(1-1)、第二涡轮流量计(1-4)、第三涡轮流量计(2-23)、第一压力变送器(1-7)、第二压力变送器(2-21)和液位变送器(1-8)采用标准二线制传输方式，24V直流电源供电，输出4～20mA模拟信号传输到数据采集模块(3-2)，数据采集模块(3-2)将数据进行模数转换处理后传输到主控计算机(3-1)，所述进水阀(1-2)、第一出水阀(1-5)和第二出水阀(2-22) 采用标准二线制传输方式，24V直流电源供电，控制信号为4～20mA模拟信号，模拟量控制信号来自信号输出模块(3-3)，信号输出模块(3-3)将来自主控计算机(3-1)的数字控制信号进行数模转换处理。
6.权利要求1至5任一项所述实验装置对应的实验方法，其特征在于：试验开始前对实验装置进行充水检漏和抗破坏试验，确保实验装置在大流量下无泄漏和无破坏；实验方法包括以下步骤：
S1、在主控计算机(3-1)的Simulink平台设计多单元小型模块化反应堆控制系统的控制方案，控制输入为母管压力设定值与第二压力变送器(2-21 )测量值的偏差，控制输出为进水阀(1-2)和第一出水阀(1-5)的开度调节信号；
S2、设置实验装置的初始稳态，设定进水阀(1-2)、第一出水阀(1-5)和第二出水阀(2-22)的初始开度，开启水泵(5)，系统循环运行，直至第一涡轮流量计(1-1)、第二涡轮流量计(1-4)、第三涡轮流量计(2-23)、第一压力变送器(1-7)、第二压力变送器(2-21)和液位变送器(1-8)提供的主水箱(1-3)进口流量、主水箱(1-3)出口流量、母管出水模块(2-2)出口流量、主水箱(1-3)出口压力、母管出水模块(2-2)出口压力和主水箱(1-3)液位达到稳定；
S3、对于给定的负荷变化工况，由主控制台(3)的主控计算机(3-1)调节一个或多个第二出水阀(2-22)开度的变化，使对应的第三涡轮流量计(2-23)的流量发生变化，模拟负荷变化，引起第二压力变送器(2-21)压力测量值的变化；
S4、由主控计算机(3-1)将第二压力变送器(2-21 )压力测量值与母管压力设定值的偏差作为控制输入，通过步骤S1预先设定的控制方案对偏差信号进行计算得到核蒸汽供应系统模拟装置(1)进水流量和出水流量的变化规律，通过信号输出模块(3-3)生成控制信号改变进水阀(1-2)和第一出水阀(1-5) 的开度；
S5、主控制台的主控计算机(3-1)监测并记录整个动态调节过程中各参数的变化，包括母管出水模块(2-2)的出口压力、母管出水模块(2-2)的出口流量、主水箱(1-3)的进口流量、主水箱(1-3)的出口流量、主水箱(1-3)的出口压力和主水箱(1-3)的液位，分析所用控制方案情况下上述参数的调整时间、超调量和稳态误差，并作为依据转步骤S1调整预设控制方案，直至上述所有参数的调整时间小于200秒，超调量小于5％，稳态误差小于2％。
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