CN111192696A - 用于核反应堆的功率控制装置及功率控制方法 - Google Patents

用于核反应堆的功率控制装置及功率控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于核反应堆的功率控制装置及功率控制方法，所述功率控制装置包括：输入模块，设置为接收用户输入的目标功率值；测量模块，设置为测量核反应堆的实际功率值；控制模块，设置为基于所述目标功率值和所述实际功率值计算相对功率偏差，并基于所述相对功率偏差获取控制棒的运行信息；以及驱动模块，设置为基于所述运行信息驱动控制棒运行。

Description

用于核反应堆的功率控制装置及功率控制方法
技术领域
本发明的实施例涉及核工程领域，特别涉及一种用于核反应堆的功率控制装置及功率控制方法。
背景技术
在核工程领域，对核反应堆进行功率控制是保证核反应堆动态性能并保证其高效稳定运行的重要技术手段，如果核反应堆的堆芯功率不能得到很好的控制，可能会导致严重事故。
核反应堆的功率控制可以通过调节控制棒的运行(例如控制棒的提升、插入、保持运动等)来实现，控制棒一般由硼和镉等易于吸收中子的材料制成，通过调节控制棒相对于反应中心的位置来改变参与裂变反应的中子数量，从而控制反应的进行程度。
核反应堆具有多种类型，不同的核反应堆在调节手段、运行模式上存在较大差异，由此对多种核反应堆的功率调节也相应地需要采取多种不同方式。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种用于核反应堆的功率控制装置及功率控制方法，以为核反应堆的功率控制提供一种不同的实现方式，从而适应不同种类的核反应堆对不同的功率调节方式的需求。
根据本发明的一个方面，提出了一种用于核反应堆的功率控制装置，包括：输入模块，设置为接收用户输入的目标功率值；测量模块，设置为测量核反应堆的实际功率值；控制模块，设置为基于所述目标功率值和所述实际功率值计算相对功率偏差，并基于所述相对功率偏差获取控制棒的运行信息；以及驱动模块，设置为基于所述运行信息驱动控制棒运行。
根据一些实施方式，所述相对功率偏差由所述目标功率值和所述实际功率值的差值除以所述目标功率值所得的比值确定。
根据一些实施方式，所述运行信息包括运行方向，所述控制模块基于所述相对功率偏差的正负号来确定控制棒的运行方向。
根据一些实施方式，所述运行信息包括运行速度，所述控制模块设置为：基于所述相对功率偏差超过第一偏差阈值，确定所述运行速度保持在第一速度阈值；和/或基于所述相对功率偏差在第一偏差阈值和第二偏差阈值之间，确定所述运行速度随所述相对功率偏差在第一速度阈值与第二速度阈值之间线性变化；和/或基于所述相对功率偏差从第二偏差阈值向第三偏差阈值变化，确定所述运行速度保持在第二速度阈值，直至所述相对功率偏差达到第三偏差阈值时，所述运行速度变为0；和/或基于所述相对功率偏差在0和第三偏差阈值之间，确定所述运行速度保持为0。
根据一些实施方式，所述测量模块设置为测量多个实际功率值，所述控制模块设置为对所述多个实际功率值进行筛选，并从筛选后的多个实际功率值中选取次大值用于计算所述相对功率偏差。
根据一些实施方式，所述功率控制装置还包括监控模块，设置为：禁止超过保护阈值的目标功率值作用于所述功率控制装置；和/或禁止使得相对功率偏差超过10％的目标功率值作用于所述功率控制装置；和/或在存在以下一种或多种情况时，禁止控制棒向上运行：核反应堆周期小于预设值、核反应堆的实际功率值大于预设值、核反应堆的实际功率值除以冷却剂流量所得的比值大于预设值、堆芯出口温度高于预设值。
根据一些实施方式，所述控制模块冗余设置。
根据一些实施方式，所述功率控制装置还包括显示模块，设置为以图形化形式实时显示所述相对功率偏差的变化情况。
根据本发明的另一方面，提出了一种用于核反应堆的功率控制方法，包括：接收用户输入的目标功率值；测量核反应堆的实际功率值；基于所述目标功率值和所述实际功率值计算相对功率偏差，并基于所述相对功率偏差获取控制棒的运行信息；以及基于所述运行信息驱动控制棒运行。
在根据本发明的实施例的用于核反应堆的功率控制装置中，通过测量核反应堆的实际功率值，并将其与用户输入的目标功率值进行比较得到相对功率偏差，从而能够基于所述相对功率偏差获取控制棒的运行信息以驱动控制棒做出相应的运行动作，控制棒的运行进而使得核反应堆的实际功率值逐渐调整到用户设定的目标功率值，完成对核反应堆功率的控制。
附图说明
通过下文中参照附图对本发明所作的描述，本发明的其它目的和优点将显而易见，并可帮助对本发明有全面的理解。
图1示出了根据本发明的一个示例性实施例的用于核反应堆的功率控制装置的结构框图；
图2示出了根据本发明的另一示例性实施例的用于核反应堆的功率控制装置的结构框图；
图3示出了控制棒的运行速度与相对功率偏差的关系曲线图；
图4示出了图1的功率控制装置的显示模块的示意图；以及
图5示出了根据本发明的一个示例性实施例的用于核反应堆的功率控制方法的流程图。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。在说明书中，相同或相似的附图标号指示相同或相似的部件。
在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本披露实施例的全面理解。然而明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。在其他情况下，公知的结构和装置以图示的方式体现以简化附图。
图1示出了根据本发明的一个示例性实施例的用于核反应堆的功率控制装置的结构框图，如图1所示，所述功率控制装置包括：输入模块1，设置为接收用户输入的目标功率值；测量模块2，设置为测量核反应堆的实际功率值；控制模块3，设置为基于所述目标功率值和所述实际功率值计算相对功率偏差，并基于所述相对功率偏差获取控制棒的运行信息；以及驱动模块4，设置为基于所述运行信息驱动控制棒运行。驱动模块4能够驱动控制棒动作并指示控制棒位置。在根据本发明的实施例的用于核反应堆的功率控制装置中，通过测量核反应堆的实际功率值，并将其与用户输入的目标功率值进行比较得到相对功率偏差，从而能够基于所述相对功率偏差获取控制棒的运行信息以驱动控制棒做出相应的运行动作，控制棒的运行进而使得核反应堆的实际功率值逐渐调整到用户设定的目标功率值，完成对核反应堆功率的控制。
本发明的功率控制装置可以适用于相对功率偏差与控制棒的运行信息之间存在特定关系的核反应堆。在一个实施例中，所述核反应堆可以是快堆。输入模块1将接收到的目标功率值发送至控制模块3，测量模块2将测得的实际功率值发送至控制模块3，控制模块3将运行信息发送至驱动模块4，驱动模块4可以包括由电机驱动的移动单元，所述移动单元能够带动控制棒向上运行或者向下运行。
图2示出了根据本发明的另一示例性实施例的用于核反应堆的功率控制装置的结构框图，如图2所示，所述功率控制装置可以包括两个控制模块3，用于控制两个控制棒的运行，每个控制模块3单独控制一个控制棒，由此两个控制模块3中任何一个控制模块3丧失工作能力后，另一个控制模块3的功能完整性不会受到影响。即，控制模块3冗余设置，这样能够增强所述功率控制装置的稳定性。针对每个控制模块3，可以进一步设置两个互为冗余的控制器31，任一控制器31为主控制器，另一控制器31为从控制器。由此当任一控制器31损坏时，也不影响该控制模块31对相应的控制棒的控制。类似地，本发明的功率控制装置的供电模块也可以冗余设置并互相独立，例如，两个控制模块3分别由来自两个不同序列的安全级供电母线供电，且每个控制模块3的供电线路设置两路冗余，这样因供电故障造成功率控制装置功能丧失的概率非常低，有利于提升功率控制装置的可用性。
控制模块3可以采用数字化技术来实现控制功能，控制模块3可以通过网络接收输入模块1的信号，通过硬接线接收来自测量模块2的信号，并可以通过硬接线输出控制棒的运行信息。输入模块1可以包括计算机的输入设备，例如键盘、鼠标、手写输入板、语音输入设备等。所述功率控制装置还可以包括显示控制参数的显示模块5，显示模块5可以是计算机的显示屏。输入模块1和显示模块5可以集合在终端，便于用户输入信息及读取信息，终端还可以包括主机。终端可以包括第一终端10和第二终端20，第一终端10可以由操作员对核反应堆的功率控制过程进行操作，第二终端20可以由工程师操作，以对所述功率控制装置的控制算法、监控功能、系统诊断功能、数据库和显示界面进行开发、修改。
在本发明的实施例中，所述相对功率偏差由所述目标功率值和所述实际功率值的差值除以所述目标功率值所得的比值确定。相对功率偏差Pδn的计算关系式如下：
(1)Pδn＝(Pn－PAS)/PAS，或者(2)Pδn＝(PAS－Pn)/PAS
其中，Pn表示实际功率值，PAS表示目标功率值。
控制棒的运行信息包括运行方向，控制模块3可以基于所述相对功率偏差的正负号来确定控制棒的运行方向。控制棒的运行方向与相对功率偏差的正负号的具体对应关系可以进行选择。需要说明的是，当控制棒向下运行靠近反应中心时，中子吸收程度增大，由此参与反应的中子数量减少，核反应堆功率相应减小；当控制棒向上运行远离反应中心时，中子吸收程度减小，由此参与反应的中子数量增多，核反应堆功率相应增大。
对于相对功率偏差采用式(1)计算的情况，当相对功率偏差为正时，表明目标功率值小于实际功率值，此时控制棒需要向下运行以减小功率从而达到目标功率值；当相对功率偏差为负时，表明目标功率值大于实际功率值，此时控制棒需要向上运行以增大功率从而达到目标功率值。即，对于相对功率偏差采用式(1)计算的情况，控制模块3基于相对功率偏差为正来确定控制棒向下运行，基于相对功率偏差为负来确定控制棒向上运行。反之，对于相对功率偏差采用式(2)计算的情况，控制模块3基于相对功率偏差为正来确定控制棒向上运行，基于相对功率偏差为负来确定控制棒向下运行。
控制棒的运行信息包括运行速度，控制模块3可以设置为：
基于所述相对功率偏差超过第一偏差阈值，确定所述运行速度保持在第一速度阈值；和/或
基于所述相对功率偏差在第一偏差阈值和第二偏差阈值之间，确定所述运行速度随所述相对功率偏差在第一速度阈值与第二速度阈值之间线性变化；和/或
基于所述相对功率偏差从第二偏差阈值向第三偏差阈值变化，确定所述运行速度保持在第二速度阈值，直至所述相对功率偏差达到第三偏差阈值时，所述运行速度变为0；和/或
基于所述相对功率偏差在0和第三偏差阈值之间，确定所述运行速度保持为0。
第一速度阈值可以为70mm/s，第二速度阈值可以为4mm/s。
图3示出了控制棒的运行速度V与相对功率偏差Pδn的关系曲线图，其中运行速度V的正负表示运行速度的方向，在图3所示的实施例中，速度为正可以表示控制棒向上运行，速度为负可以表示控制棒向下运行。
如图3所示，对于相对功率偏差Pδn为正的情况，运行速度V与相对功率偏差Pδn的关系曲线在四个不同阶段内变化：
第一阶段：0≤相对功率偏差Pδn＜第三偏差阈值a％，此时运行速度V保持为0，即控制棒保持静止；
第二阶段：第三偏差阈值a％≤相对功率偏差Pδn≤第二偏差阈值b％，此时运行速度V与相对功率偏差Pδn的关系和变化方向有关，当相对功率偏差Pδn从第三偏差阈值a％向第二偏差阈值b％变化时(即增大方向)，运行速度V保持为0，直至相对功率偏差Pδn达到第二偏差阈值b％时，运行速度V变化为第二速度阈值(例如4mm/s)；反之，当相对功率偏差Pδn从第二偏差阈值b％向第三偏差阈值a％变化时(即减小方向)，运行速度V保持在第二速度阈值(例如4mm/s)，直至相对功率偏差Pδn达到第三偏差阈值a％时，运行速度V变化为0；
第三阶段：第二偏差阈值b％＜相对功率偏差Pδn≤第一偏差阈值c％，此时运行速度V随相对功率偏差Pδn在第二速度阈值(例如4mm/s)与第一速度阈值(例如70mm/s)之间线性变化，所述关系曲线具有特定斜率；
第四阶段：相对功率偏差Pδn＞第一偏差阈值c％，此时运行速度V保持在第一速度阈值(例如70mm/s)。
对于第一阶段，第三偏差阈值a％相当于限定了所述功率控制装置的调节精度，能够将实际功率值调节到与目标功率值之间形成第三偏差阈值a％的差异的程度。
对于第二阶段，运行速度V随相对功率偏差Pδn的变化相当于存在回差，由于功率调节是实际功率值不断接近目标功率值的过程，即相对功率偏差逐渐减小，因此运行速度V与相对功率偏差Pδn的关系对应于减小方向的关系，当相对功率偏差Pδn在第二偏差阈值b％与第三偏差阈值a％之间时，运行速度保持在第二速度阈值，直至对功率偏差Pδn达到第三偏差阈值时，运行速度V才变为0，由此能够防止运行速度V频繁变化，并过滤掉实际功率值的测量误差，增强功率控制装置的稳定性和耐久性。
对于相对功率偏差Pδn为负的情况，除正负差异外，运行速度V与相对功率偏差Pδn的变化关系和相对功率偏差Pδn为正的情况一致。即，差别仅在于控制棒的运行方向不同，运行速度大小与相对功率偏差Pδn的绝对值的对应关系是一致的。
例如，对于用户需要将功率调节到与当前实际功率具有较大差别的目标功率的情况，一开始相对功率偏差的绝对值大于第一偏差阈值c％，此时控制棒以第一速度阈值运行(例如，相对功率偏差为正，向上运行；相对功率偏差为负，向下运行)，相对功率偏差的绝对值随控制棒的运行相应减小，当减小到绝对值小于第一偏差阈值c％时，运行速度随相对功率偏差的绝对值的减小而减小；直至绝对值减小到小于第二偏差阈值b％，此时控制棒以第二速度阈值运行；直至相对功率偏差的绝对值达到第三偏差阈值a％，控制棒停止运行，完成功率调节。类似地，对于其他情况，根据相对功率偏差一开始落入的阶段来确定控制棒的运行情况。
测量模块2可以设置为测量多个实际功率值，控制模块3可以设置为对所述多个实际功率值进行筛选，并从筛选后的多个实际功率值中选取次大值用于计算所述相对功率偏差。
对所述多个实际功率值进行筛选可以包括对明显错误的测量值进行剔除，对损坏的测量仪表所测的测量值进行剔除，对工作状态不正常的测量仪表所测的测量值进行剔除。对于筛选后的多个实际功率值可以按从小到大或从大到小的顺序进行排序，从中选取次大值发送至控制模块3以计算相对功率偏差。例如，测量模块2可以设置为测量四个实际功率值，其中一个测量值明显错误，将其剔除，然后可以从剩下三个测量值中选取次大值用于计算相对功率偏差。需要说明的是，申请人在实验中发现次大值能够较为准确地反映实际功率情况，减小测量误差。
参照图1，所述功率控制装置还可以包括监控模块6，设置为：
禁止超过保护阈值的目标功率值作用于所述功率控制装置；和/或
禁止使得相对功率偏差超过10％的目标功率值作用于所述功率控制装置；和/或
在存在以下一种或多种情况时，禁止控制棒向上运行：核反应堆周期小于预设值、核反应堆的实际功率值大于预设值、核反应堆的实际功率值除以冷却剂流量所得的比值大于预设值、堆芯出口温度高于预设值。
监控模块6通过监控并阻止过大的(超过保护阈值或者使得相对功率偏差超过10％)目标功率值的输入信号作用于所述功率控制装置，能够保证所述功率控制装置在安全范围内操作。监控模块6可以对输入模块1进行监控，当输入模块1接收到不符合条件的目标功率值时，监控模块6可以清除输入信号避免其生效，并可提示用户重新输入。监控模块6可以对控制模块3进行监控，当控制模块3接收到不符合条件的目标功率值时，监控模块6可以阻止控制模块3对接收到的信号进行处理。
监控模块6通过禁止控制棒在以上一种或多种情况下向上运行，能够降低控制棒意外到达行程终端而退出自动控制模式的概率。监控模块6可以在监测到以上一种或多种情况时通过控制模块3阻止驱动模块4带动控制棒向上运行，也可以直接作用于驱动模块4，阻止其带动控制棒向上运行。
图4示出了图1的功率控制装置的显示模块5的示意图，如图4所示，显示模块5可以设置为以图形化形式实时显示所述相对功率偏差的变化情况。具体地，可以以半圆圆周的不同位置表示不同的相对功率偏差数值，其中半圆圆周两端表示相对功率偏差的最大预设值(例如10％)和最小预设值(例如-10％)，半圆圆周的中间位置表示相对功率偏差为0。并且可以利用带箭头的直线以半圆圆心为转动支点在半圆圆周上转动来指示实时的相对功率偏差值。以图4为例，箭头指示出实时的相对功率偏差为-0.08％。图形化形式能够更加直观地表示出相对功率偏差的实时变化情况，便于用户了解到功率调节情况。
图5示出了根据本发明的一个示例性实施例的用于核反应堆的功率控制方法的流程图，如图5所示，所述功率控制方法可以包括以下步骤：
S1，接收用户输入的目标功率值；
S2，测量核反应堆的实际功率值；
S3，基于所述目标功率值和所述实际功率值计算相对功率偏差，并基于所述相对功率偏差获取控制棒的运行信息；以及
S4，基于所述运行信息驱动控制棒运行。
在步骤S2中，可以测量多个实际功率值，并对所述多个实际功率值进行筛选，然后从筛选后的多个实际功率值中选取次大值用于步骤S3计算所述相对功率偏差。
在步骤S3中，可以利用所述目标功率值和所述实际功率值的差值除以所述目标功率值而得到所述相对功率偏差。
本发明的功率控制装置和功率控制方法至少具有如下技术效果：
(1)能够基于用户输入的目标功率值实时调节控制棒的运行方向和运行速度，以将实际功率值调节到所述目标功率值附近；
(2)通过筛选和选取次大值的方式获取实际功率值，能够保证测量结果的准确性，从而使得功率调节更为准确；
(3)通过设置监控模块能够保证所述功率控制装置在安全范围内调节功率，保证功率调节的稳定性和安全性，并且能够监测和调控控制棒在行程终端附近的运行，尽可能地降低核反应堆偏离正常运行状态的概率；
(4)通过冗余设置能够保证功率控制装置的鲁棒性；
(5)各模块能够实现数字化操控，能够实现复杂的控制算法，同时维护修改更为简易、操作显示更加便捷，与其他控制系统的兼容性更强；
(6)除用于核反应堆功率调节之外，还能在汽轮机甩负荷运行、冷凝器半侧运行等特殊的运行工况实现针对性的控制功能；
(7)能够输出核反应堆的状态信号和动作信号用于协调一二回路的流量控制。
针对本发明的功率控制装置，利用仿真技术模拟各种工况来测试验证其控制效果，测试结果显示所述功率控制装置能够满足控制稳定性要求以及各项控制指标要求。
虽然结合附图对本发明进行了说明，但是附图中公开的实施例旨在对本发明的实施方式进行示例性说明，而不能理解为对本发明的一种限制。为了清楚地示出各个部件的细节，附图中的各个部件并不是按比例绘制的，所以附图中的各个部件的比例也不应作为一种限制。
虽然本发明总体构思的一些实施例已被显示和说明，本领域普通技术人员将理解，在不背离本发明总体构思的原则和精神的情况下，可对这些实施例做出改变，本发明的范围以权利要求和它们的等同物限定。

Claims (9)

1.一种用于核反应堆的功率控制装置，包括：
输入模块，设置为接收用户输入的目标功率值；
测量模块，设置为测量核反应堆的实际功率值；
控制模块，设置为基于所述目标功率值和所述实际功率值计算相对功率偏差，并基于所述相对功率偏差获取控制棒的运行信息；以及
驱动模块，设置为基于所述运行信息驱动控制棒运行。
2.根据权利要求1所述的功率控制装置，其特征在于，所述相对功率偏差由所述目标功率值和所述实际功率值的差值除以所述目标功率值所得的比值确定。
3.根据权利要求2所述的功率控制装置，其特征在于，所述运行信息包括运行方向，所述控制模块基于所述相对功率偏差的正负号来确定控制棒的运行方向。
4.根据权利要求2所述的功率控制装置，其特征在于，所述运行信息包括运行速度，所述控制模块设置为：
基于所述相对功率偏差超过第一偏差阈值，确定所述运行速度保持在第一速度阈值；和/或
基于所述相对功率偏差在第一偏差阈值和第二偏差阈值之间，确定所述运行速度随所述相对功率偏差在第一速度阈值与第二速度阈值之间线性变化；和/或
基于所述相对功率偏差从第二偏差阈值向第三偏差阈值变化，确定所述运行速度保持在第二速度阈值，直至所述相对功率偏差达到第三偏差阈值时，所述运行速度变为0；和/或
基于所述相对功率偏差在0和第三偏差阈值之间，确定所述运行速度保持为0。
5.根据权利要求1所述的功率控制装置，其特征在于，所述测量模块设置为测量多个实际功率值，所述控制模块设置为对所述多个实际功率值进行筛选，并从筛选后的多个实际功率值中选取次大值用于计算所述相对功率偏差。
6.根据权利要求1所述的功率控制装置，其特征在于，所述功率控制装置还包括监控模块，设置为：
禁止超过保护阈值的目标功率值作用于所述功率控制装置；和/或
禁止使得相对功率偏差超过10％的目标功率值作用于所述功率控制装置；和/或
在存在以下一种或多种情况时，禁止控制棒向上运行：核反应堆周期小于预设值、核反应堆的实际功率值大于预设值、核反应堆的实际功率值除以冷却剂流量所得的比值大于预设值、堆芯出口温度高于预设值。
7.根据权利要求1所述的功率控制装置，其特征在于，所述控制模块冗余设置。
8.根据权利要求1所述的功率控制装置，其特征在于，所述功率控制装置还包括显示模块，设置为以图形化形式实时显示所述相对功率偏差的变化情况。
9.一种用于核反应堆的功率控制方法，包括：
接收用户输入的目标功率值；
测量核反应堆的实际功率值；
基于所述目标功率值和所述实际功率值计算相对功率偏差，并基于所述相对功率偏差获取控制棒的运行信息；以及
基于所述运行信息驱动控制棒运行。
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