CN112366011B - 一种热管反应堆核功率的控制方法及系统 - Google Patents

一种热管反应堆核功率的控制方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种热管反应堆核功率的控制方法及系统，该方法包括：获取热管反应堆热端温度偏差；将热管反应堆热端温度偏差送入比例积分控制器，得到热管反应堆热端温度控制量；获取热管反应堆热端温度控制量和需求负荷之和，得到需求功率；根据需求功率获取功率偏差；将功率偏差送入比例积分控制器，获取核功率控制量；将核功率控制量转换为旋转鼓给定转速，并将旋转鼓给定转速送到旋转鼓驱动机构，旋转鼓驱动机构驱动旋转鼓以旋转鼓给定转速转动。本发明的目的在于提供一种热管反应堆核功率的控制方法及系统，有利于热管反应堆的稳定运行，并提供多样化控制方式以提高控制系统可靠性，也有利于容错运行，提高热管反应堆的长期可用性。

Description

一种热管反应堆核功率的控制方法及系统
技术领域
本发明涉及热管反应堆技术领域，尤其涉及一种热管反应堆核功率的控制方法及系统。
背景技术
热管反应堆(Heat Pipe Reactor)是指采用热管替代传统冷却剂回路布置，将反应堆堆芯产生的热量直接传导至能量转换装置的反应堆。热管反应堆具有无冷却剂回路系统，无需泵阀等能动部件，具有高固有安全性、系统设计高度简化、超静音性、运行操作简单等特征，在中小功率应用中具有体较小、重量轻的突出优势，是未来高隐身、高可靠和高智能化特种装备核能源供应的重要堆型选项之一。
热管反应堆产生的能量需借助能量转换装置转换成电能(如热声电发电机、温差发电机等)或转换成机械能(如采用开式布雷顿循环加热空气推动涡轮做功等)。无论哪种能量转换方式，热管反应堆产生的能量总是利用插入堆芯的热管端作为热端，与负载的冷端之间的温差实现能量的传递，如热声电发电机就利用这一温差诱发气体产生自激声振荡，然后利用振荡声能驱动直线发电机发电，温差发电机则利用热电偶不同材料之间的塞贝克效应产生温差电动势发电，开式布雷顿循环则可将空气视为冷端，利用与热管之间温差加热空气，使之膨胀后喷出以产生推力。
在上述应用场景中，用电负荷或推进所需空气流量均可作为热管反应堆的需求负荷，其能量传递都是利用热管端(热端)与负荷(冷端)之间温差实现，因此基于这一共有特性，无论采用哪种能量转换装置，均可对热管反应堆核功率采用统一的控制方式。
文献[1]《基于PI控制的空间堆电功率协同控制策略》(李华琪等.核动力工程，第38卷第5期，2017年10月)。该文献主要针对碱金属冷却、热电偶热电转换的空间堆，研究了反应堆核功率的控制方法，提出了直接令反应堆核功率跟踪电功率输出需求的控制方法，将反应堆核功率与电功率输出需求之间偏差送入比例-积分控制器，产生旋转鼓的转动控制信号，从而改变堆芯反应性，通过这一闭环控制回路使反应堆核功率跟踪需求负荷。
文献[2]《Autonomou Control of Space Reactor Systems：Final Report》(Belle R.Upadhyaya.技术报告，田纳西大学，2007年11月)。该文献同样针对碱金属冷却、热电偶热电转换的空间堆，研究了反应堆核功率的控制方法，采用预测控制方法使反应堆核功率跟踪电功率输出需求，预测控制产生的控制信号同样控制旋转鼓的转动，改变堆芯反应性，使反应堆核功率跟踪需求负荷。
文献[1][2]没有阐述直接采用反应堆核功率跟踪电功率输出需求这一控制方式的合理性，没有分析反应堆核功率控制背后的能量转换过程，仅提出一种控制方式并加以仿真验证，没有探讨其它可行的控制方式。其控制方式实际上忽略了热电转换装置热端和冷端之间的热传递过程，没有根据热传递的特点研究相应的控制方法——需求负荷作为设定值可以快速变化，直接调节反应性跟踪需求负荷会使控制系统动作过于灵敏，难以结合反应堆的热惯性及自稳自调性，共同平稳地调节反应堆核功率。并且，采用反应堆核功率作为反馈控制参量的多样性不足，在核测量系统故障后无法实施正确的控制，可靠性较低，也难以满足空间堆等场合长期无人值守、容错运行的可用性要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种热管反应堆核功率的控制方法及系统，无论采用哪种能量转换装置，均可基于热管反应堆能量传递的共有特性，更好地匹配控制对象特性，有利于热管反应堆的稳定运行，并且提供一定的多样化控制方式以提高控制系统可靠性，也有利于容错运行，提高热管反应堆的长期可用性。
本发明通过下述技术方案实现：
一种热管反应堆核功率的控制方法，包括以下步骤：
S1：获取热管反应堆热端温度偏差；
S2：将所述热管反应堆热端温度偏差送入比例积分控制器，得到热管反应堆热端温度控制量；
S3：获取所述热管反应堆热端温度控制量和需求负荷之和，得到需求功率；
S4：根据所述需求功率获取所述功率偏差；
S5：将所述功率偏差送入比例积分控制器，获取核功率控制量；
S6：将所述核功率控制量转换为对应的旋转鼓给定转速，并将所述旋转鼓给定转速送到旋转鼓驱动机构，所述旋转鼓驱动机构驱动旋转鼓以所述旋转鼓给定转速转动。
优选地，所述热管反应堆热端温度偏差为热管反应堆热端温度与热管反应堆热端参考温度的差值。
优选地，所述S4包括以下子步骤：
当核功率信号有效时，所述功率偏差为所述需求功率与核功率的差值；
当核功率信号失效时，所述功率偏差为所述需求功率与电功率的差值，或所述需求功率与排气流量的差值。
优选地，还包括第一反馈步骤，所述第一反馈步骤包括以下处理过程：
获取所述旋转鼓转动后的所述热管反应堆热端温度；
将所述热管反应堆热端温度反馈至S1。
优选地，还包括第二反馈步骤，所述第二反馈步骤包括以下处理过程：
获取所述旋转鼓转动后的所述核功率；
将所述核功率反馈至S4。
一种热管反应堆核功率的控制系统，包括获取模块、计算模块、转换模块以及输出模块；
所述获取模块，用于获取热管反应堆热端温度与热管反应堆热端参考温度；
所述计算模块，用于根据所述热管反应堆热端温度与所述热管反应堆热端参考温度获取核功率控制量；
所述转换模块，用于将所述核功率控制量转换为对应的旋转鼓给定转速；
所述输出模块，用于将所述旋转鼓给定转速输出至旋转鼓
优选地，所述计算模块包括第一加法器、第一比例积分控制器、第二加法器以及第二比例积分控制器；
所述第一加法器，用于获取所述热管反应堆热端温度与所述热管反应堆热端参考温度的差值；所述差值为热管反应堆热端温度偏差；
所述第一比例积分控制器，用于根据所述热管反应堆热端温度偏差获取所述热管反应堆热端温度控制量；
所述第二加法器，用于获取所述热管反应堆热端温度控制量和需求负荷之和，得到需求功率；
所述第二比例积分控制器，用于根据所述需求功率获取所述核功率控制量。
优选地，所述第二加法器获取所述功率偏差时，包括以下步骤：
当核功率信号有效时，所述第二加法器用于获取所述需求功率与核功率的差值；
当核功率信号失效时，所述第二加法器用于获取所述需求功率与电功率的差值，或所述需求功率与排气流量的差值。
优选地，还包括第一反馈模块，所述第一反馈模块用于获取所述旋转鼓转动后的所述热管反应堆热端温度，并将所述热管反应堆热端温度反馈至所述第一加法器。
优选地，还包括第二反馈模块，所述第二反馈模块用于获取所述旋转鼓转动后的所述核功率，并将所述核功率反馈至所述第二加法器。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
(1)可用于热管反应堆核功率的控制，可使热管反应堆核功率跟踪需求负荷，并使热管反应堆热管端温度跟踪反应堆热管端温度参考温度值；
(2)在核功率信号失效时，仍可通过选取电功率(热声电发电机、温差发电机)或排气流量(涡轮)，及通过热管反应堆热端温度控制回路，以多样化的方式实现容错控制。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明热管反应堆核功率控制原理图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例
一种热管反应堆核功率的控制方法，包括以下步骤：
S1：获取热管反应堆热端温度偏差；
在本实施例中，热管反应堆热端温度偏差为热管反应堆热端温度与热管反应堆热端参考温度的差值。其中，热端温度由测温仪表采集，参考温度值由专业人员设置。
S2：将热管反应堆热端温度偏差送入比例积分控制器，计算得到热管反应堆热端温度控制量；
本实施例中，热管反应堆热端温度控制量的获取方式为：比例积分控制器的比例增益与温度偏差的乘积加上温度偏差的时间积分值与积分时间常数的倒数的乘积。
S3：获取热管反应堆热端温度控制量和需求负荷之和，得到需求功率；
S4：根据需求功率和实际的核功率获取功率偏差；
由于热管反应堆堆芯与能量转换装置直接耦合，两者之间没有控制回路，因此在核测量系统故障时，会导致核功率信号失效。此时，反应堆核功率的控制也可选取能量转换装置发出的实际能量作为反馈控制参量，即使用电功率(热声电发电机、温差发电机)或排气流量(涡轮)作为反馈控制参量去跟踪需求负荷。
因此，在本实施例中，根据核功率信号是否有效，获取功率偏差的方式有两种。
第一种为核功率信号有效时，功率偏差为需求功率与实际的核功率的差值。
第二种为核功率信号无效时，功率偏差为需求功率与实际的电功率(热声电发电机、温差发电机)的差值，或需求功率与实际的排气流量(涡轮)的差值。
S5：将功率偏差送入比例积分控制器，计算得到核功率控制量；
本实施例中，核功率控制量的计算方法为：比例积分控制器的比例增益与功率偏差的乘积加上功率偏差的时间积分值与积分时间常数的倒数的乘积。
S6：核功率控制量为对应的旋转鼓给定转速，并将旋转鼓给定转速送到旋转鼓驱动机构，旋转鼓驱动机构驱动旋转鼓以旋转鼓给定转速转动。
在实际工作中，核功率控制量与旋转鼓给定转速呈线性关系，根据实际需求设置一个核功率控制量的上限值和下限值，在上限值和下限值的范围内，依据该线性关系将核功率控制量转换为旋转鼓给定转速。
由于旋转鼓的转动，导致热管反应堆的核功率及热管反应堆热端温度均发生相应的改变，为了使热管反应堆核功率跟踪需求负荷，并使热管反应堆热管端温度跟踪静态特性曲线确定的参考温度值，因此，在本方案中，还设置有反馈步骤，其中，反馈步骤包括第一反馈步骤和第二反馈步骤，第一反馈步骤用于将旋转鼓转动后获取的热管反应堆热端温度反馈至S1。第二反馈步骤用于将旋转鼓转动后获取的核功率反馈至S4。
热管反应堆热管端与能量转换装置冷端之间温差反映了传递的能量，基于能量守恒原理，热管反应堆产生的能量与需求负荷平衡，故热管反应堆热管端与能量转换装置冷端之间温差与需求负荷呈正相关关系。又由于能量转换装置冷端的温度由最终热阱保证，即海水、空气或辐射(空间堆)，因此能量转换装置冷端温度可视为恒定，热管反应堆热管端温度就与需求负荷呈正相关关系。因此，在稳态运行情况下，即可通过热管反应堆热管端的温度来表征需求负荷，即两者之间满足一定的静态特性关系，可通过静态特性曲线来描述一定负荷水平下热管反应堆热管端应达到的参考温度，控制系统应使热管反应堆热管端温度跟踪该参考温度值。
另一方面，热管反应堆核功率的控制仍然将需求负荷作为另一设定值，使热管反应堆核功率直接反映能量平衡的需求关系。由于热管反应堆堆芯与能量转换装置直接耦合，两者之间没有控制回路，因此在核测量系统故障导致核功率信号失效后，反应堆核功率的控制也可选取能量转换装置发出的实际能量作为反馈控制参量，即使用电功率(热声电发电机、温差发电机)或排气流量(涡轮)作为反馈控制参量去跟踪需求负荷。
一种热管反应堆核功率的控制系统，包括获取模块、计算模块、转换模块以及输出模块；
获取模块，用于获取热管反应堆热端温度与热管反应堆热端参考温度；
计算模块，用于根据热管反应堆热端温度与热管反应堆热端参考温度获取核功率控制量；
转换模块，用于将核功率控制量转换为对应的旋转鼓给定转速；
输出模块，用于将旋转鼓给定转速输出至旋转鼓。
具体地，在本实施例中，如图1所示，采用串级-前馈控制回路，主环控制回路(由第一加法器、第一比例积分控制器、第二加法器、第二比例积分控制器以及控制对象(旋转鼓)依次首尾连接构成)将热管反应堆热管端温度与热管反应堆热管端参考温度之间的偏差送入控制器1(第一比例积分控制器)，控制器1(第一比例积分控制器)的输出与需求负荷相加后作为需求功率，需求功率与核功率之间的偏差送入控制器2(第二比例积分控制器)，将副环控制器2(由第二加法器、第二比例积分控制器以及控制对象(旋转鼓)依次首尾连接构成)的输出作为旋转鼓的控制信号，改变旋转鼓角度来引入所需反应性，改变热管反应堆的核功率及热管端温度，使热管反应堆核功率跟踪需求负荷，并使热管反应堆热管端温度跟踪静态特性曲线确定的参考温度值。
由于热管反应堆堆芯与能量转换装置直接耦合，两者之间没有控制回路，因此在核测量系统故障时，会导致核功率信号失效。此时，反应堆核功率的控制也可选取能量转换装置发出的实际能量作为反馈控制参量，即使用电功率(热声电发电机、温差发电机)或排气流量(涡轮)作为反馈控制参量去跟踪需求负荷。
因此，在本实施例中，第二加法器根据核功率信号是否有效，获取功率偏差包括以下两种情形：
情形一：当核功率信号有效时，第二加法器用于获取需求功率与核功率的差值；
情形二：当核功率信号失效时，第二加法器用于获取需求功率与电功率的差值，或需求功率与排气流量的差值。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种热管反应堆核功率的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：获取热管反应堆热端温度偏差；
S2：将所述热管反应堆热端温度偏差送入比例积分控制器，得到热管反应堆热端温度控制量；
S3：获取所述热管反应堆热端温度控制量和需求负荷之和，得到需求功率；
S4：根据所述需求功率获取所述功率偏差；
S5：将所述功率偏差送入比例积分控制器，获取核功率控制量；
S6：将所述核功率控制量转换为对应的旋转鼓给定转速，并将所述旋转鼓给定转速送到旋转鼓驱动机构，所述旋转鼓驱动机构驱动旋转鼓以所述旋转鼓给定转速；
所述S4包括以下子步骤：
当核功率信号有效时，所述功率偏差为所述需求功率与核功率的差值；
当核功率信号失效时，所述功率偏差为所述需求功率与电功率的差值，或所述需求功率与排气流量的差值。
2.根据权利要求1所述的一种热管反应堆核功率的控制方法，其特征在于，所述热管反应堆热端温度偏差为热管反应堆热端温度与热管反应堆热端参考温度的差值。
3.根据权利要求1或2所述的一种热管反应堆核功率的控制方法，其特征在于，还包括第一反馈步骤，所述第一反馈步骤包括以下处理过程：
获取所述旋转鼓转动后的所述热管反应堆热端温度；
将所述热管反应堆热端温度反馈至S1。
4.根据权利要求3所述的一种热管反应堆核功率的控制方法，其特征在于，还包括第二反馈步骤，所述第二反馈步骤包括以下处理过程：
获取所述旋转鼓转动后的所述核功率；
将所述核功率反馈至S4。
5.一种热管反应堆核功率的控制系统，其特征在于，包括获取模块、计算模块、转换模块以及输出模块；
所述获取模块，用于获取热管反应堆热端温度与热管反应堆热端参考温度；
所述计算模块，用于根据所述热管反应堆热端温度与所述热管反应堆热端参考温度获取核功率控制量；
所述转换模块，用于将所述核功率控制量转换为对应的旋转鼓给定转速；
所述输出模块，用于将所述旋转鼓给定转速输出至旋转鼓；
所述计算模块包括第一加法器、第一比例积分控制器、第二加法器以及第二比例积分控制器；
所述第一加法器，用于获取所述热管反应堆热端温度与所述热管反应堆热端参考温度的差值；所述差值为热管反应堆热端温度偏差；
所述第一比例积分控制器，用于根据所述热管反应堆热端温度偏差获取所述热管反应堆热端温度控制量；
所述第二加法器，用于获取所述热管反应堆热端温度控制量和需求负荷之和，得到需求功率；
所述第二比例积分控制器，用于根据所述需求功率获取所述核功率控制量；
所述第二加法器获取所述功率偏差时，包括以下步骤：
当核功率信号有效时，所述第二加法器用于获取所述需求功率与核功率的差值；
当核功率信号失效时，所述第二加法器用于获取所述需求功率与电功率的差值，或所述需求功率与排气流量的差值。
6.根据权利要求5所述的一种热管反应堆核功率的控制系统，其特征在于，还包括第一反馈模块，所述第一反馈模块用于获取所述旋转鼓转动后的所述热管反应堆热端温度，并将所述热管反应堆热端温度反馈至所述第一加法器。
7.根据权利要求6所述的一种热管反应堆核功率的控制系统，其特征在于，还包括第二反馈模块，所述第二反馈模块用于获取所述旋转鼓转动后的所述核功率，并将所述核功率反馈至所述第二加法器。
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