CN113485097A - 一种高温气冷堆机组反应堆控制棒自动控制系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高温气冷堆机组反应堆控制棒自动控制系统及方法，该系统包括与反应堆内的控制棒连接的PID控制器，PID控制器经由切换运算器来控制步进电机驱动器和步进电机，最终来实现对控制棒的控制；PID控制器的偏差输入信号为减法器经函数发生器计算得出，减法器输入信号包括两路，第一路是核功率设定值，第二路是需要控制调节的核功率，由核功率测量信号测点直接测量出；函数发生器输出的信号另一路经绝对值运算器和小于等于运算器计算后，依次进入脉冲发生器、上升沿触发器，随后送入PID控制器来进行状态切换使用。本发明可满足高温气冷堆核电机组控制棒的最优控制，为电站安全稳定运行提供更进一步的保障。
Description
技术领域
本发明涉及核能科学与工程技术领域，具体涉及一种高温气冷堆机组反应堆控制棒自动控制系统及方法。
背景技术
核电是利用核燃料裂变反应释放的能量而产生的电力能源，核电产业则是围绕核能发电而形成的一系列经济活动，是关系到国民经济发展和国家经济安全的综合性很强的重要产业。因此，一个国家能否拥有自己的核电产业，是衡量一个国家综合国力的重要标志。同时，核电作为一种清洁安全的能源形式，是调整国家电源结构，实现经济和生态环境科学与协调发展、促进产业结构升级，以及在新形势下保持和提高国家核能力的基本保证。然而，核电产业所固有的缺陷，即公众安全性所引起的争议，使当前世界核电发展面临着困境。因此，如何积极有效并安全清洁地发展核电已成为理论界和世界各国关心的重要问题。
高温气冷堆机组作为我国自主研发的世界首座电站，目前还未有并网发电案例，其控制策略均还处于设计验证阶段，其中，反应堆功率控制作为高温气冷堆自动控制的核心领域具有重要作用，其基本目的是使一回路所产生的功率适用于二回路的功率需求，同时保证一、二回路的温度、压力等过程参数及堆芯功率分布满足各个方面的要求。具体原理为，通过操作控制棒，实现反应堆的启动、功率运行、功率转换和正常停闭等操作，并在功率运行过程中使反应堆满足规定的稳态和动态运行特性，防止和纠正偏离正常运行状态，保证反应堆连续稳定运行。
其中，控制棒是功率控制的执行机构，每座反应堆设置24根控制棒，24个控制棒孔道均匀布置在石墨侧反射层中靠近堆芯活性区一侧的圆周上。每根控制棒分别由相同的驱动机构带动，控制棒驱动机构采用步进电机作为动力源，步进电机的工作由反应堆功率控制系统的控制器控制，控制器按照功率调节系统的自动升、降棒操作指令，使步进电机正向或反向转动，将控制棒按要求提升或插入，但控制棒的控制策略具有一定的特殊性。
就目前涉及到的核能科学与工程技术领域中，PID调节所控制的执行机构均为调节门、变频器等这类传统设备，当其控制对象稳定到设定值时，PID调节器输出的控制指令随之保持为当前值，系统进入稳定状态；但作为高温气冷堆机组功率的执行机构，控制棒的控制方式较为特殊，其控制的参数为控制棒的速度指令，这种控制指令在整套核能科学与工程技术领域中都很少出现，受控制棒自身控制特性的限制，当功率稳定到功率设定值时，这时为了维持整个系统的稳定，需将控制棒保持在当前位置，具体实现时，就是将PID控制器的输出指令由当前值迅速置为0，使其接收到的速度指令变为0，从而实现保持当前位置的功能，而不是像传统PID控制方式那样使指令直接保持当前值即可；除此之外，完整的控制策略还需考虑到手动及自动状态之间的无扰切换、PID控制器输出为0之后的跟踪切换、控制器运算块执行先后顺序等问题；因此，针对以上这种具有特殊性的控制需求，提出一种切实有效的控制系统及方法。
发明内容
第四代高温气冷堆核电机组，作为一种正在建设中的电站，为了解决上述控制棒调节存在的特殊性技术问题，本发明的目的在于提出一种高温气冷堆机组反应堆控制棒自动控制系统及方法，可满足高温气冷堆核电机组控制棒的最优控制，为电站安全、稳定运行提供更进一步的保障。
为达到以上目的，本发明由如下技术方案实施：
一种高温气冷堆机组反应堆控制棒自动控制系统，所述自动控制系统包括通过步进电机驱动器9、步进电机10和切换运算器18与反应堆4内的控制棒7连接的PID控制器11，PID控制器11经由切换运算器18来控制步进电机驱动器9和步进电机10，最终来实现对控制棒7的控制；
所述PID控制器11，其偏差输入信号为减法器12经函数发生器13计算得出，减法器12输入信号包括两路，第一路是核功率设定值19，第二路是需要控制调节的核功率，由核功率测量信号测点8直接测量出，PID控制器11包括比例P、积分I、微分D控制作用；函数发生器13输出的信号另一路经绝对值运算器14和小于等于运算器15计算后，依次进入脉冲发生器16、上升沿触发器17，随后送入PID控制器11来进行状态切换使用。
所述核功率设定值由运行人员直接设定。
所述高温气冷堆机组反应堆控制棒自动控制系统的控制方法，核功率设定值19和需要控制调节的核功率输入减法器12，减法器12计算出的偏差信号经由函数发生器13的计算作为调节偏差信号，送入到PID控制器11，函数发生器13的作用是设置PID控制器11的调节死区和控制棒7速度变为0mm/s的变化死区，当功率偏差大于调节死区时，函数发生器13的输出值等于输入值，PID控制器11正常调节；当功率偏差小于调节死区时，函数发生器13的输出为0，此时PID控制器11不调节，且控制棒7接收的速度指令为0mm/s；函数发生器13的输出信号分为两路，一路作为PID控制器11接收的偏差信号，当该信号为正偏差且不在死区时，表示核功率低于核功率设定值，此时PID控制器11的比例P作用、积分I作用、微分作用D开始动作，发出增加PID控制器11输出的动作指令；同样，当该信号为负偏差且不在死区时，表示核功率高于核功率设定值，此时PID控制器11的比例P作用、积分I作用、微分作用D开始动作，发出减少PID控制器11输出的动作指令；另一路作为是否进入死区的状态判断信号，函数发生器13的输出信号通过绝对值运算器14将数据均处理为正值，然后通过小于等于运算器15的限值判断计算出是否处于死区区间内，小于等于运算器15输出为开关量状态1，绝对值运算器14输出值大于小于等于运算器15的限值时，表示核功率偏差在正常调节范围内，小于等于运算器15输出为开关量状态0；针对核功率控制棒7在功率偏差进入死区后，需将控制棒速率变为0mm/s，即作用到步进电机驱动器9的指令需变为0，在PID控制器11输出指令后设置切换运算器18，当小于等于运算器15输出为开关量状态1时，切换运算器18执行指令0这路，控制棒7接收速度指令为0mm/s；当小于等于运算器15输出为开关量状态0时，切换运算器18执行PID控制器11输出这路，控制棒7速度为接收步进电机驱动器9的正常调节指令；考虑当核功率偏差由正常调节进入死区范围内时，会出现PID控制器11的输出保持当前值，而切换运算器18的输出为0，两者存在数值偏差，当功率变化跃出死区范围，恢复正常调节时，切换运算器18的输出由0瞬间切换至原PID控制器11的输出，控制棒7会出现阶跃的波动，这在控制中是禁止出现的情况，因此，将小于等于运算器15后依次设置脉冲发生器16和上升沿触发器17，送入到PID控制器11强制跟踪开关，强制跟踪值为切换运算器18输出值，这样就能使调节进入死区范围后，PID控制器11输出值与切换运算器18输出值时刻保持一致，实现不同状态间的无扰转换。
脉冲发生器16的脉冲时间设置1s，作用是当核功率偏差由正常调节进入死区范围内，强制跟踪1s，不设该脉冲发生器会导致核功率控制手动状态时无法投入自动控制；上升沿触发器17的延时时间设置1s，保证PID控制器11的强制跟踪周期晚于切换运算器18的执行周期，作用是避免由于功能块执行的先后顺序，出现跟踪错误的情况。
PID控制器11的调节死区设定为3MW，具体参数参照下表1：
表1：PID调节死区与控制棒速度变为0mm/s的变化死区设定值表
| X(输入功率偏差) | -100 | -3 | -2.99 | 2.99 | 3 | 100 |
| Y(输出功率偏差) | -100 | -3 | 0 | 0 | 3 | 100 |
。
小于等于运算器15限值设为0.1，即绝对值运算器14输出值小于等于0.1时，表示核功率偏差在3MW以内进入调节死区。
高温气冷堆机组作为我国自主研发的世界首座电站，目前还未有并网发电案例，其各项控制策略均还处于设计验证阶段，本发明主要针对其中的反应堆控制棒控制，具体具备如下优点：
1)反应堆控制棒调节进入死区后输出指令必须变为0这一特殊性，设计了完善的控制策略，仿真应用效果良好。
2)考虑手自动状态切换和调节时死区内外的切换，均设计了完善的无扰切换控制策略，仿真应用效果良好。
3)本发明设计的完善，可提高机组的自动化水平，使得机组具有良好的动态响应品质，获得较理想的调节特性。
4)本发明设计的应用，保证高温气冷堆机组在运行过程中的参数维持在设定值或在规定的限制范围内，以实现电站的安全稳定运行。
附图说明
图为本发明控制系统示意图。
附图标记说明：
1——自给水系统来的机组给水；2——蒸汽发生器；
3——氦气风机；4——反应堆；5——汽轮机；6——发电机；
7——控制棒；8——核功率测量信号测点；
9——步进电机驱动器；10——步进电机；
11——PID控制器；12——减法器；13——函数发生器；
14——绝对值运算器；15——小于等于运算器；
16——脉冲发生器；17——上升沿触发器
18——切换运算器；19——核功率设定值；
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，本发明一种高温气冷堆机组反应堆控制棒自动控制系统，其中高温气冷堆机组反应堆包括自给水系统来的机组给水1，经给水管道送入蒸汽发生器2，核岛侧布置的氦气风机3，驱动氦气通过反应堆4堆芯升温，升温后的氦气进入蒸汽发生器2，将给水加热为过热蒸汽后送往汽轮机5，驱动发电机6实现发电功能，安装于反应堆4堆芯内部的控制棒7和核功率测量信号测点8。
所述自动控制系统包括通过步进电机驱动器9、步进电机10和切换运算器18与控制棒7连接的PID控制器11，PID控制器11经由切换运算器18来控制步进电机驱动器9和步进电机10，最终来实现对控制棒7的控制。
所述PID控制器11，其偏差输入信号为减法器12经函数发生器13计算得出，减法器12输入信号包括两路，第一路是核功率设定值19，该核功率设定值由运行人员直接设定；第二路是需要控制调节的核功率，由核功率测量信号测点8直接测量出，PID控制器11包括比例P、积分I、微分D控制作用。函数发生器13输出的信号另一路经绝对值运算器14和小于等于运算器15计算后，依次进入脉冲发生器16、上升沿触发器17，随后送入PID控制器11来进行状态切换使用。
所述高温气冷堆机组工作原理，正常运行时，自给水系统来的机组给水1，经给水管道送入蒸汽发生器2，在其内部实现汽水分离，实现方法为核岛侧布置的氦气风机3驱动氦气冷却剂在反应堆内强迫循环，从反应堆4堆芯带走裂变热能而升温，升温后的氦气进入蒸汽发生器2，将自给水系统来的机组给水1通过换热的方式，使其变成饱和蒸汽，饱和蒸汽流经过热器，继续吸热成过热蒸汽，然后送往汽轮机5，驱动发电机6实现发电功能，根据电站核岛侧与常规岛侧能量平衡原则，常规岛侧接收电网需求提供电负荷，核岛侧则提供满足常规岛所需的蒸汽量，该蒸汽量主要通过控制反应堆的核功率来控制，核功率的改变方法是操作控制棒的提升或插入。
所述控制棒自动控制系统的控制方法，首先通过减法器12，其输入信号包括两路，第一路是核功率设定值19，该核功率设定值由运行人员直接设定；第二路是需要控制调节的核功率，由核功率测量信号测点8直接测量出，减法器12计算出的偏差信号经由函数发生器13的计算作为调节偏差信号，送入到PID控制器11，函数发生器13的作用是设置PID控制器11的调节死区和控制棒7速度变为0mm/s的变化死区，本发明将死区设定为3MW，具体参数可参照下表：
表：PID调节死区与控制棒速度变为0mm/s的变化死区设定值表
| X(输入功率偏差) | -100 | -3 | -2.99 | 2.99 | 3 | 100 |
| Y(输出功率偏差) | -100 | -3 | 0 | 0 | 3 | 100 |
其意义为当功率偏差大于3MW时，函数发生器13的输出值等于输入值，PID控制器11正常调节；当功率偏差小于3MW时，函数发生器13的输出为0，此时PID控制器11不调节，且控制棒7接收的速度指令为0mm/s；函数发生器13的输出信号分为两路，一路作为PID控制器11接收的偏差信号，当该信号为正偏差且不在死区时，表示核功率低于核功率设定值，此时PID控制器11的比例P作用、积分I作用、微分作用D开始动作，发出增加PID控制器11输出的动作指令；同样，当该信号为负偏差且不在死区时，表示核功率高于核功率设定值，此时PID控制器11的比例P作用、积分I作用、微分作用D开始动作，发出减少PID控制器11输出的动作指令；另一路作为是否进入死区的状态判断信号，函数发生器13的输出信号通过绝对值运算器14将数据均处理为正值，然后通过小于等于运算器15的限值判断计算出是否处于死区区间内，这里小于等于运算器15限值设为0.1，即绝对值运算器14输出值小于等于0.1时，表示核功率偏差在3MW以内进入调节死区，小于等于运算器15输出为开关量状态1，绝对值运算器14输出值大于0.1时，表示核功率偏差在正常调节范围内，小于等于运算器15输出为开关量状态0；针对核功率控制棒7在功率偏差进入死区后，需将控制棒速率变为0mm/s，即作用到步进电机驱动器9的指令需变为0，在PID控制器11输出指令后设置切换运算器18，当小于等于运算器15输出为开关量状态1时，切换运算器18执行指令0这路，控制棒7接收速度指令为0mm/s；当小于等于运算器15输出为开关量状态0时，切换运算器18执行PID控制器11输出这路，控制棒7速度为接收步进电机驱动器9的正常调节指令；考虑当核功率偏差由正常调节进入死区范围内时，会出现PID控制器11的输出保持当前值，而切换运算器18的输出为0，两者存在数值偏差，当功率变化跃出死区范围，恢复正常调节时，切换运算器18的输出由0瞬间切换至原PID控制器11的输出，控制棒7会出现阶跃的波动，这在控制中是禁止出现的情况，因此，将小于等于运算器15后依次设置脉冲发生器16和上升沿触发器17，送入到PID控制器11强制跟踪开关，强制跟踪值为切换运算器18输出值，这样就能使调节进入死区范围后，PID控制器11输出值与切换运算器18输出值时刻保持一致，实现不同状态间的无扰转换，这里脉冲发生器16的脉冲时间设置1s，作用是当核功率偏差由正常调节进入死区范围内，强制跟踪1s，不设该脉冲发生器会导致核功率控制手动状态时无法投入自动控制；上升沿触发器17的延时时间设置1s，保证PID控制器11的强制跟踪周期晚于切换运算器18的执行周期，作用是避免由于功能块执行的先后顺序，出现跟踪错误的情况。
Claims (6)
1.一种高温气冷堆机组反应堆控制棒自动控制系统，其特征在于：所述自动控制系统包括通过步进电机驱动器(9)、步进电机(10)和切换运算器(18)与反应堆(4)内的控制棒(7)连接的PID控制器(11)，PID控制器(11)经由切换运算器(18)来控制步进电机驱动器(9)和步进电机(10)，最终来实现对控制棒(7)的控制；
所述PID控制器(11)，其偏差输入信号为减法器(12)经函数发生器(13)计算得出，减法器(12)输入信号包括两路，第一路是核功率设定值(19)，第二路是需要控制调节的核功率，由核功率测量信号测点(8)直接测量出，PID控制器(11)包括比例P、积分I、微分D控制作用；函数发生器(13)输出的信号另一路经绝对值运算器(14)和小于等于运算器(15)计算后，依次进入脉冲发生器(16)、上升沿触发器(17)，随后送入PID控制器(11)来进行状态切换使用。
2.根据权利要求1所述的一种高温气冷堆机组反应堆控制棒自动控制系统，其特征在于：所述核功率设定值由运行人员直接设定。
3.权利要求1或2所述的高温气冷堆机组反应堆控制棒自动控制系统的控制方法，其特征在于：核功率设定值(19)和需要控制调节的核功率输入减法器(12)，减法器(12)计算出的偏差信号经由函数发生器(13)的计算作为调节偏差信号，送入到PID控制器(11)，函数发生器(13)的作用是设置PID控制器(11)的调节死区和控制棒(7)速度变为0mm/s的变化死区，当功率偏差大于调节死区时，函数发生器(13)的输出值等于输入值，PID控制器(11)正常调节；当功率偏差小于调节死区时，函数发生器(13)的输出为0，此时PID控制器(11)不调节，且控制棒(7)接收的速度指令为0mm/s；函数发生器(13)的输出信号分为两路，一路作为PID控制器(11)接收的偏差信号，当该信号为正偏差且不在死区时，表示核功率低于核功率设定值，此时PID控制器(11)的比例P作用、积分I作用、微分作用D开始动作，发出增加PID控制器(11)输出的动作指令；同样，当该信号为负偏差且不在死区时，表示核功率高于核功率设定值，此时PID控制器(11)的比例P作用、积分I作用、微分作用D开始动作，发出减少PID控制器(11)输出的动作指令；另一路作为是否进入死区的状态判断信号，函数发生器(13)的输出信号通过绝对值运算器(14)将数据均处理为正值，然后通过小于等于运算器(15)的限值判断计算出是否处于死区区间内，小于等于运算器(15)输出为开关量状态1，绝对值运算器(14)输出值大于小于等于运算器(15)的限值时，表示核功率偏差在正常调节范围内，小于等于运算器(15)输出为开关量状态0；针对核功率控制棒(7)在功率偏差进入死区后，需将控制棒速率变为0mm/s，即作用到步进电机驱动器(9)的指令需变为0，在PID控制器(11)输出指令后设置切换运算器(18)，当小于等于运算器(15)输出为开关量状态1时，切换运算器(18)执行指令0这路，控制棒(7)接收速度指令为0mm/s；当小于等于运算器(15)输出为开关量状态0时，切换运算器(18)执行PID控制器(11)输出这路，控制棒(7)速度为接收步进电机驱动器(9)的正常调节指令；考虑当核功率偏差由正常调节进入死区范围内时，会出现PID控制器(11)的输出保持当前值，而切换运算器(18)的输出为0，两者存在数值偏差，当功率变化跃出死区范围，恢复正常调节时，切换运算器(18)的输出由0瞬间切换至原PID控制器(11)的输出，控制棒(7)会出现阶跃的波动，这在控制中是禁止出现的情况，因此，将小于等于运算器(15)后依次设置脉冲发生器(16)和上升沿触发器(17)，送入到PID控制器(11)强制跟踪开关，强制跟踪值为切换运算器(18)输出值，这样就能使调节进入死区范围后，PID控制器(11)输出值与切换运算器(18)输出值时刻保持一致，实现不同状态间的无扰转换。
4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于：脉冲发生器(16)的脉冲时间设置1s，作用是当核功率偏差由正常调节进入死区范围内，强制跟踪1s，不设该脉冲发生器会导致核功率控制手动状态时无法投入自动控制；上升沿触发器(17)的延时时间设置1s，保证PID控制器(11)的强制跟踪周期晚于切换运算器(18)的执行周期，作用是避免由于功能块执行的先后顺序，出现跟踪错误的情况。
5.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于：PID控制器(11)的调节死区设定为3MW。
6.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于：小于等于运算器(15)限值设为0.1，即绝对值运算器(14)输出值小于等于0.1时，表示核功率偏差在3MW以内进入调节死区。
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- 2021-08-27 CN CN202110996074.5A patent/CN113485097B/zh active Active
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