CN114999687A - 一种核反应堆热工水力瞬态试验电功率调节方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种核反应堆热工水力瞬态试验电功率调节方法及系统，通过实时获取热工水力试验系统的运行参数结合引入的反应性模型计算当前功率需求值，并依据功率计算的当前功率需求值进行自动调节；解决核反应堆热工水力瞬态系统试验功率控制难的问题，能够保证核反应堆热工水力试验过程中电功率实现自动控制和调节，精确模拟反应堆实堆在运行过程中的功率变化；在工况切换过程，即便功率变化剧烈，无法手动操作的情况下，也可以根据上述方法计算获知电功率需求值，及时对热工水力试验系统进行电功率调节。
Description
技术领域
本发明涉及核反应堆热工水力系统试验技术领域，具体涉及一种核反应堆热工水力瞬态试验电功率调节方法及系统。
背景技术
反应堆热工水力瞬态系统试验是一种真实模拟核反应堆一、二回路运行状况的试验。反应堆瞬态运行工况中，由于一回路的温度发生变化，对燃料的反应性影响较大。而且反应堆不同瞬态工况切换过程中，一回路的温度会根据不同的工况进行调整，进而影响反应堆电功率的变化。瞬态试验过程中，核反应堆热工水力系统的压力、流量和功率都会发生较大幅度的波动。为了真实反映核反应堆功率，反应堆热工水力瞬态系统试验的电功率需要通过核热耦合反馈程序根据工况参数实时计算，并随时调整电功率参数。
传统的电功率调节方法是实时观测反应堆热工水力瞬态系统试验运行状态根据经验进行手动调控，不仅需要耗费较大劳动力，需要手动多次调试，调节量不能很好把握，影响调节效率和效果；由于功率的波动与一回路系统的压力、温度及二回路系统的流量存在密切耦合关系，在进行手动调控时无法兼顾考虑到一回路系统和二回路系统的实际运行工况；当二回路系统的流量发生变化时，手动调整一回路系统的电功率存在容易误操作、造成系统泄漏等安全事故的问题。而且反应堆热工水力瞬态系统试验作为一种真实模拟核反应堆一、二回路运行状况的试验，一回路功率要能真实模拟反应堆实际运行时的功率变化。在真实的反应堆运行状态发生变化时，反应堆功率会因为调节棒的动作和冷却剂温度变化而引起反应堆反应性的波动，进而导致功率发生剧烈波动。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：传统手动调控反应堆热工水力瞬态系统试验电功率的方法不仅需要耗费较大劳动实时监控调节，调节量不能很好把握，影响调节效率和效果，在工况切换过程导致的功率变化剧烈的状况无法及时实施手动调节，存在较大安全隐患；本发明目的在于提供一种核反应堆热工水力瞬态试验电功率调节方法及系统，基于热工水力试验系统的运行参数和引入的反应性模型计算输出电功率需求值，以电功率需求值为参考进行自动调节，解决上述技术问题。
本发明通过下述技术方案实现：
本方案提供一种核反应堆热工水力瞬态试验电功率调节方法，包括步骤：
令热工水力试验系统模拟真实核反应堆瞬态运行，并实时获取热工水力试验系统的运行参数；
基于热工水力试验系统的运行参数和引入的反应性模型计算输出电功率需求值；
根据输出电功率需求值对热工水力试验系统进行电功率调节。
本方案工作原理：传统手动调控反应堆热工水力瞬态系统试验电功率的方法不仅需要耗费较大劳动实时监控调节，根据经验反复微调以找到较为准确的调节量，调节过程中调节量不能很好把握，不仅影响调节效率和效果，在工况切换过程导致的功率变化剧烈的状况时，手动调节根本无法实现，且无法实时反映真实的反应堆功率变化，存在较大的安全隐患。本方案提供一种核反应堆热工水力瞬态试验电功率调节方法，通过实时获取热工水力试验系统的运行参数结合引入的反应性模型计算当前功率需求值，并依据功率计算的当前功率需求值进行自动调节；解决核反应堆热工水力瞬态系统试验功率控制难的问题，能够保证核反应堆热工水力试验过程中电功率实现自动控制和调节，精确模拟反应堆实堆在运行过程中的功率变化；在工况切换过程，即便功率变化剧烈，无法手动操作的情况下，也可以根据上述方法计算获知电功率需求值，及时对热工水力试验系统进行电功率调节。
进一步优化方案为，所述热工水力试验系统包括一回路系统，二回路系统和稳压系统，一回路系统与二回路系统之间通过二回路系统中的蒸汽发生器交换热量；所述一回路系统包括堆芯模拟体及压力容器；稳压系统保证整个实验一回路系统的压力控制在合理范围内。
进一步优化方案为，还包括：获取热工水力试验系统的当前时刻电阻值，根据当前时刻电阻值和输出电功率需求值计算堆芯模拟体的所需电流值，将堆芯模拟体的电流值调节至所需电流值。
进一步优化方案为，所述热工水力试验系统的运行参数包括：堆芯模拟体进口温度、堆芯模拟体出口温度、当前时刻堆芯模拟体功率、二回路系统给水流量和一回路系统给水流量。
进一步优化方案为，输出电功率需求值计算方法包括以下步骤：
S1、基于当前时刻热工水力试验系统的运行参数计算出调节棒引入的反应性、冷却剂引入的反应性和燃料元件引入的反应性；
S2、将调节棒引入的反应性、冷却剂引入的反应性和燃料元件引入的反应性带入点堆方程，求解点堆方程得到下一时刻堆芯模拟体的输出电功率需求值。
进一步优化方案为，所述调节棒引入的反应性计算方法为：
T1、对堆芯模拟体进口温度和堆芯模拟体出口温度求平均数得到反应堆平均温度；
T2、根据堆芯模拟体当前运行工况得到反应堆运行温度，将反应堆平均温度和反应堆运行温度对比计算出第一功率需求因子K1；根据二回路给水流量计算第二功率需求因子K2；
T3、基于第一功率需求因子K1和第二功率需求因子K2计算出需求功率W，对需求功率W与当前时刻堆芯模拟体功率求差得到功率差值△W；
T4、将功率差值△W代入反应堆实堆运行的棒速控制程序中计算出调节棒应该执行的动作以及此动作引入的反应性。
取堆芯模拟体进口温度和堆芯模拟体出口温度两个温度测点的温度平均值作为反应堆平均温度测量值，以保证反应堆温度数据的准确性，为电功率需求值的计算奠定基础。
进一步优化方案为，所述冷却剂引入的反应性计算方法为：
根据温度传感器测量得到的堆芯进出口的冷却剂温度和加热功率推算出当前时刻冷却剂温度分布，将当前时刻冷却剂温度分布与上一时刻冷却剂温度分布对比计算冷却剂引入的反应性。
进一步优化方案为，所述燃料元件温度引入的反应性计算方法为：
基于当前时刻冷却剂温度分布推算出当前时刻燃料元件温度分布，将当前时刻燃料元件温度分布与上一时刻燃料元件温度分布对比计算燃料元件引入的反应性。
因为一回路系统的冷却剂温度分布和燃料元件温度分布无法通过试验直接获得，因此根据堆芯模拟体进出口温度，可以推算得到不同位置处反应堆一回路系统的冷却剂温度分布；再将当前时刻冷却剂温度分布与上时刻的反应堆进出口冷却剂温度分布对比计算冷却剂引入的反应性；
同理根据冷却剂温度分布、堆芯功率和一回路系统流量推算堆芯燃料元件温度分布，将当前时刻堆芯燃料元件温度分布与上时刻堆芯燃料元件温度分布对比计算燃料元件引入的反应性。
根据反应堆当前运行状态，计算反应堆需要的温度，再与实际测量得到的反应堆平均温度值对比，反应堆平均温度值由反应堆进口温度和反应堆出口温度取平均获得；根据实际测量得到的反应堆温度平均值和反应堆参考温度做差值，根据温度差值计算第一功率需求因子K1，再结合二回路给水流量给出功率因子K2，计算需求功率W，根据与当前时刻功率差值△W，再根据反应堆实堆运行的棒速控制程序，计算调节棒应该执行的动作以及此动作引入的反应性。将冷却剂引入的反应性、燃料元件引入的反应性和调节棒动作引入的反应性代入点堆方程，通过点堆方程的求解计算求解得到下一时刻堆芯模拟体功率的输出电功率需求值。
核热耦合反馈程序先用C++语言编译成，并形成Lunix下或Windows下可调用的动态链接库，再通过Labview测控系统进行动态加载，测控系统测量得到的一回路系统压力、温度、流量及二回路系统流量数据，实时输入至动态链接库函数中计算得到需要的堆芯功率，通过换算得到电流值，并通过测控系统给电源发出模拟量控制信号对直流电源功率进行调节。
本方案还提供一种核反应堆热工水力瞬态试验电功率调节系统，用于实现上述方法，包括：热工水力试验系统、采集模块、计算模块和调节模块；
所述热工水力试验系统用于模拟真实核反应堆瞬态运行；
所述采集模块用于实时获取热工水力试验系统的运行参数；
所述计算模块用于基于热工水力试验系统的运行参数和引入的反应性模型计算输出电功率需求值；
所述调节模块用于根据输出电功率需求值对热工水力试验系统的电功率进行调节。
进一步优化方案为，所述热工水力试验系统包括一回路系统，二回路系统和稳压系统，一回路系统与二回路系统之间通过蒸汽发生器交换热量；所述一回路系统包括堆芯模拟体及压力容器；稳压系统保证整个实验一回路系统的压力控制在合理范围内；
所述采集模块包括：热电偶采集单元、第一流量采集单元和第二流量采集单元；
所述热电偶温度采集单元用于采集堆芯模拟体的进口温度和堆芯模拟体的出口温度；
所述第一流量采集单元用于采集一回路系统的给水流量；
所述第二流量采集单元用于采集二回路系统的给水流量。
一回路系统包括压力、温度和流量测点；二回路系统包括流量测点。作为一种优选压力采用压力变送器测量，温度采用响应时间较短的热电偶而不是响应时间较长的铂电阻测量，流量采集单元采用文丘里流量计测量。
反应堆热工水力瞬态系统试验装置的组成及测点布置，详细说明了核热耦合反馈程序的控制原理及程序与试验装置测控系统的相互作用原理。通过核热耦合反馈程序的计算与测控系统的自动调节，实现反应堆堆芯模拟体功率自动调节的功能。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
本发明提供的一种核反应堆热工水力瞬态试验电功率调节方法及系统，通过实时获取热工水力试验系统的运行参数结合引入的反应性模型计算当前功率需求值，并依据功率计算的当前功率需求值进行自动调节；解决核反应堆热工水力瞬态系统试验功率控制难的问题，能够保证核反应堆热工水力试验过程中电功率实现自动控制和调节，精确模拟反应堆实堆在运行过程中的功率变化；在工况切换过程，即便功率变化剧烈，无法手动操作的情况下，也可以根据上述方法计算获知电功率需求值，及时对热工水力试验系统进行电功率调节。
附图说明
为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。在附图中：
图1为热工水力试验系统结构示意图；
图2为核反应堆热工水力瞬态试验电功率调节方法流程示意图。
附图中标记及对应的零部件名称：
1-主循环泵，2-堆芯模拟体，3-压力容器，4-蒸汽发生器，5-调节阀组，6-冷凝器，7-给水泵。
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1
本实施例提供一种核反应堆热工水力瞬态试验电功率调节方法，包括步骤：
令热工水力试验系统模拟真实核反应堆瞬态运行，并实时获取热工水力试验系统的运行参数；
基于热工水力试验系统的运行参数和引入的反应性模型计算输出电功率需求值；
根据输出电功率需求值对热工水力试验系统进行电功率调节。
如图1所示，所述热工水力试验系统包括一回路系统，二回路系统和稳压系统，一回路系统与二回路系统之间通过蒸汽发生器交换热量；所述一回路系统包括堆芯模拟体和压力容器。热工水力试验系统模拟原型反应堆，其中一回路系统主要部件为和压力容器堆芯模拟体，堆芯模拟体模拟原型堆芯，压力容器模拟原型反应堆的压力容器；一回路系统与二回路系统之间通过蒸汽发生器交换热量，需要在试验装置一回路布置压力、流量测点，在反应堆进出口布置温度测点，在二回路系统布置流量测点。
还包括：获取热工水力试验系统的当前时刻电阻值，根据当前时刻电阻值和输出电功率需求值计算堆芯模拟体的所需电流值，将堆芯模拟体的电流值调节至所需电流值。
如图2所示，所述热工水力试验系统的运行参数包括：堆芯模拟体进口温度、堆芯模拟体出口温度、当前时刻堆芯模拟体功率、二回路系统给水流量和一回路系统给水流量。
输出电功率需求值计算方法包括以下步骤：
S1、基于当前时刻热工水力试验系统的运行参数计算出调节棒引入的反应性、冷却剂引入的反应性和燃料元件引入的反应性；
S2、将调节棒引入的反应性、冷却剂引入的反应性和燃料元件引入的反应性带入点堆方程，求解点堆方程得到下一时刻堆芯模拟体的输出电功率需求值。
所述调节棒引入的反应性计算方法为：
T1、对堆芯模拟体进口温度和堆芯模拟体出口温度求平均数得到反应堆平均温度；
T2、根据堆芯模拟体当前运行工况得到反应堆运行温度，将反应堆平均温度和反应堆运行温度对比计算出第一功率需求因子K1；根据二回路给水流量计算第二功率需求因子k2；
T3、基于第一功率需求因子K1和第二功率需求因子k2计算出需求功率W，对需求功率W与当前时刻堆芯模拟体功率求差得到功率差值△W；
T4、将功率差值△W代入反应堆实堆运行的棒速控制程序中计算出调节棒应该执行的动作以及此动作引入的反应性。
所述冷却剂引入的反应性计算方法为：
根据温度传感器测量得到的堆芯进出口的冷却剂温度和加热功率推算出当前时刻冷却剂温度分布，将当前时刻冷却剂温度分布与上一时刻冷却剂温度分布对比计算冷却剂引入的反应性。
所述燃料元件温度引入的反应性计算方法为：
基于当前时刻冷却剂温度分布推算出当前时刻燃料元件温度分布，将当前时刻燃料元件温度分布与上一时刻燃料元件温度分布对比计算燃料元件引入的反应性。
实施例2
本实施提供一种核反应堆热工水力瞬态试验电功率调节系统，用于实现上一实施例所述的方法，包括：热工水力试验系统、采集模块、计算模块和调节模块；
所述热工水力试验系统用于模拟真实核反应堆瞬态运行；
所述采集模块用于实时获取热工水力试验系统的运行参数；
所述计算模块用于基于热工水力试验系统的运行参数和引入的反应性模型计算输出电功率需求值；
所述调节模块用于根据输出电功率需求值对热工水力试验系统的电功率进行调节。
核反应堆原型堆芯通过反应堆核裂变反应产生功率，反应堆核裂变受反应堆堆芯周围的流体温度、反应堆本身燃料组件温度、以及二回路系统流量影响。热工水力试验系统进行电功率调节包括能够自动计算所需功率的引入的反应性模型、能够给定电流电压值的测控系统、以及能够实现功率调节控制的电气系统。
所述热工水力试验系统包括一回路系统，二回路系统和稳压系统，一回路系统与二回路系统之间通过蒸汽发生器交换热量；所述一回路系统包括堆芯模拟体和压力容器；
所述采集模块包括：热电偶采集单元、第一流量采集单元和第二流量采集单元；
所述热电偶温度采集单元用于采集堆芯模拟体的进口温度和堆芯模拟体的出口温度；
所述第一流量采集单元用于采集一回路系统的给水流量；
所述第二流量采集单元用于采集二回路系统的给水流量。
引入的反应性模型计算输出电功率需求值，通过与系统电阻换算得到电流值，并传递至测控系统，测控系统给电源发出模拟量控制信号，由测控系统输出的4～20mA信号进行直流电源功率调节。
核热耦合反馈程序先用C++语言编译成，并形成Lunix下或Windows下可调用的动态链接库，核热耦合反馈程序通过动态链接库的形式被Labview测控系统软件实时加载，并把测量数据注入动态链接库中获得需要的数据值。
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 (10)
1.一种核反应堆热工水力瞬态试验电功率调节方法，其特征在于，包括步骤：
令热工水力试验系统模拟真实核反应堆瞬态运行，并实时获取热工水力试验系统的运行参数；
基于热工水力试验系统的运行参数和引入的反应性模型计算输出电功率需求值；
根据输出电功率需求值对热工水力试验系统进行电功率调节。
2.根据权利要求1所述的一种核反应堆热工水力瞬态试验电功率调节方法，其特征在于，所述热工水力试验系统包括一回路系统，二回路系统和稳压系统，一回路系统与二回路系统之间通过蒸汽发生器交换热量；所述一回路系统包括堆芯模拟体和压力容器。
3.根据权利要求2所述的一种核反应堆热工水力瞬态试验电功率调节方法，其特征在于，还包括：获取热工水力试验系统的当前时刻电阻值，根据当前时刻电阻值和输出电功率需求值计算堆芯模拟体的所需电流值，将堆芯模拟体的电流值调节至所需电流值。
4.根据权利要求2所述的一种核反应堆热工水力瞬态试验电功率调节方法，其特征在于，所述热工水力试验系统的运行参数包括：堆芯模拟体进口温度、堆芯模拟体出口温度、当前时刻堆芯模拟体功率、二回路系统给水流量和一回路系统给水流量。
5.根据权利要求4所述的一种核反应堆热工水力瞬态试验电功率调节方法，其特征在于，输出电功率需求值计算方法包括以下步骤：
S1、基于当前时刻热工水力试验系统的运行参数计算出调节棒引入的反应性、冷却剂引入的反应性和燃料元件引入的反应性；
S2、将调节棒引入的反应性、冷却剂引入的反应性和燃料元件引入的反应性带入点堆方程，求解点堆方程得到下一时刻堆芯模拟体的输出电功率需求值。
6.根据权利要求5所述的一种核反应堆热工水力瞬态试验电功率调节方法，其特征在于，所述调节棒引入的反应性计算方法为：
T1、对堆芯模拟体进口温度和堆芯模拟体出口温度求平均数得到反应堆平均温度；
T2、根据堆芯模拟体当前运行工况得到反应堆运行温度，将反应堆平均温度和反应堆运行温度对比计算出第一功率需求因子K1；根据二回路给水流量计算第二功率需求因子K2；
T3、基于第一功率需求因子K1和第二功率需求因子K2计算出需求功率W，对需求功率W与当前时刻堆芯模拟体功率求差得到功率差值△W；
T4、将功率差值△W代入反应堆实堆运行的棒速控制程序中计算出调节棒应该执行的动作以及此动作引入的反应性。
7.根据权利要求5所述的一种核反应堆热工水力瞬态试验电功率调节方法，其特征在于，所述冷却剂引入的反应性计算方法为：
根据堆芯模拟体进口的冷却温度和加热功率推算出当前时刻冷却剂温度分布，将当前时刻冷却剂温度分布与上一时刻冷却剂温度分布对比计算冷却剂引入的反应性。
8.根据权利要求7所述的一种核反应堆热工水力瞬态试验电功率调节方法，其特征在于，所述燃料元件引入的反应性计算方法为：
基于当前时刻冷却剂温度分布、堆芯功率和一回路系统流量推算出当前时刻燃料元件温度分布，将当前时刻燃料元件温度分布与上一时刻燃料元件温度分布对比计算燃料元件引入的反应性。
9.一种核反应堆热工水力瞬态试验电功率调节系统，用于实现权利要求1-8任意一项所述的方法，其特征在于，包括：热工水力试验系统、采集模块、计算模块和调节模块；
所述热工水力试验系统用于模拟真实核反应堆瞬态运行；
所述采集模块用于实时获取热工水力试验系统的运行参数；
所述计算模块用于基于热工水力试验系统的运行参数和引入的反应性模型计算输出电功率需求值；
所述调节模块用于根据输出电功率需求值热工水力试验系统的电功率进行调节。
10.根据权利要求9所述的一种核反应堆热工水力瞬态试验电功率调节系统，其特征在于，所述热工水力试验系统包括一回路系统，二回路系统和稳压系统，一回路系统与二回路系统之间通过蒸汽发生器交换热量；所述一回路系统包括堆芯模拟体和压力容器；
所述采集模块包括：热电偶采集单元、第一流量采集单元和第二流量采集单元；
所述热电偶温度采集单元用于采集堆芯模拟体的进口温度和堆芯模拟体的出口温度；
所述第一流量采集单元用于采集一回路系统的给水流量；
所述第二流量采集单元用于采集二回路系统的给水流量。
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