CN116705370A - 热管堆与sCO2布雷顿循环耦合的核动力装置控制系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种热管堆与sCO2布雷顿循环耦合的核动力装置控制系统及方法，包括转动轴转速控制系统及方法，通过调节进入透平的工质流量维持转动轴转速恒定，以保证整个系统的供电品质；压缩机进口温度与进口压力控制系统及方法，分别通过调节海水流量与稳压罐压力维持压缩机进口温度与进口压力恒定，以保证压缩机进口工质的温度、密度在超临界状态；中间换热器出口温度控制系统及方法，通过控制堆芯反应性调节反应堆功率，进而维持中间换热器出口温度恒定。本发明可为热管堆与超临界二氧化碳布雷顿循环耦合的高效紧凑核动力装置控制系统设计提供参考。
Description
技术领域
本发明属于核反应堆控制技术领域，具体涉及一种热管堆与sCO2布雷顿循环耦合的核动力装置控制方法及系统。
背景技术
目前，核动力装置普遍采用双回路原理结构，即核动力装置包括以核反应堆及其冷却剂环路组成的一回路系统以及由动力循环系统构成的二回路系统。在一回路系统结构方面，热管反应堆(简称热管堆)以其独特的优势在先进核电概念设计和非能动安全系统方案中受到重视。与传统堆型相比，热管堆采用热管将堆芯产生的热量传导至二回路系统。热管堆内产生的裂变能被传导给布置在堆芯中的金属热管蒸发端，通过热管内部工质的蒸发、自然循环流动以及冷凝过程，将热量从堆芯传导至二回路系统的热端。以热管非能动传热作为堆芯热量导出手段，堆内不存在回路系统和转动部件，系统得到简化，并且可以做到堆芯免维护。
在动力转换形式方面，二氧化碳具有无毒、密度大、临界压力适中、储量丰富及化学性质稳定等特点，被认为是核动力装置中最具应用前景的能量转换工质之一。以二氧化碳作为能量转换工质的超临界二氧化碳(Supercritical Carbon Dioxide，sCO2)布雷顿循环为单相循环，与蒸汽动力循环系统相比，具有结构简单、效率高、体积小、噪声低等优点，是非常有前景的核动力装置能量转换系统。就目前来看，核动力装置与sCO2布雷顿循环的耦合方式存在两种，其一是替代传统堆芯冷却剂(如水、氦气等)应用于一回路系统，称为直接冷却核动力装置，在该种方式下，核动力装置和冷却剂循环系统一体化，省去了中间热交换器，使得核反应堆结构更加紧凑；其二是作为新型能量转换系统运用于二回路循环系统，如热管堆与sCO2布雷顿循环耦合的核动力装置。
热管堆与sCO2布雷顿循环耦合的核动力装置，具有安全性高、功率密度高、可靠性高、噪音低、拓展能力良好等特点，适用于深海等特殊应用场景。然而，热管堆与sCO2布雷顿循环耦合的核动力装置布置更紧凑、运行工况更加多变，存在较大的内部参数不确定性和较强的外部干扰，这对控制系统设计提出了更高的要求。基于此，开展热管堆与sCO2布雷顿循环耦合的核动力装置控制系统及方法研究对其安全稳定运行具有重要意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种热管堆与sCO2布雷顿循环耦合的核动力装置控制系统及方法，用于解决热管堆与sCO2布雷顿循环耦合的高效紧凑核动力装置控制问题，在考虑系统运行限制的情况下，保证系统的安全稳定运行。
本发明采用以下技术方案：
热管堆与sCO2布雷顿循环耦合的核动力装置控制系统，包括中间换热器出口温度控制系统、压缩机进口压力控制系统、转动轴转速控制系统以及压缩机进口温度控制系统；设备包括控制鼓、热管反应堆、中间换热器、稳压罐、回热器、透平、压缩机、发电机与冷却器；
与热管反应堆连接的中间换热器，中间换热器的一端连接稳压罐的输出端，另一端依次经透平、回热器、冷却器、压缩机和回热器连接稳压罐的输入端，透平经转动轴连接压缩机和发电机；热管反应堆经核功率探测器连接中间换热器出口温度控制系统，中间换热器出口温度控制系统的控制端经控制鼓连接热管反应堆；稳压罐经第一压力传感器连接压缩机进口压力控制系统，透平、压缩机、发电机分别经第一功率传感器、第二功率传感器以及第三功率传感器连接转动轴转速控制系统；冷却器输出端经第二温度传感器连接压缩机进口温度控制系统。
具体的，中间换热器与透平之间的管路上设置有第一温度传感器，在热管反应堆设置有核功率探测器；第一温度传感器与核功率探测器均连接中间换热器出口温度控制系统，中间换热器出口温度控制系统驱动控制鼓调节堆芯反应性。
具体的，在稳压罐以及冷却器和压缩机之间的管路上设置有第一压力传感器和第二压力传感器；第一压力传感器和第二压力传感器连接至压缩机进口压力控制系统，压缩机进口压力控制系统调节稳压罐两侧的增压阀和减压阀开度。
具体的，分别在透平、压缩机、发电机以及转动轴上设置有第一功率传感器、第二功率传感器、第三功率传感器以及转速传感器；第一功率传感器、第二功率传感器、第三功率传感器以及转速传感器均连接转动轴转速控制系统，转动轴转速控制系统调节布置在压缩机输出端与冷却器输入端之间的第一控制阀开度。
具体的，冷却器和压缩机之间的管路上设置有第二温度传感器；第二温度传感器连接压缩机进口温度控制系统，压缩机进口温度控制系统调节布置在冷却器海水进口端的第二控制阀开度。
具体的，中间换热器出口温度控制系统采用串级控制结构，外环用于控制中间换热器出口温度，内环用于控制核反应堆功率，外环控制器根据中间换热器出口温度与设定值之间的偏差确定所需的核反应堆功率；然后，内环控制器根据核反应堆功率与参考值之间的偏差给定控制鼓动作信号，调节核反应堆功率以使中间换热器出口温度维持恒定。
具体的，压缩机进口压力控制系统根据压缩机进口压力与设定值之间的偏差计算所需的稳压罐压力；再根据稳压罐需求压力与实际压力偏差判断升压或降压；升压时往稳压罐中充入特定参数的CO2，降压时从稳压罐中引流出一部分工质。
具体的，转动轴转速控制系统采用串级控制结构，外环控制器以转动轴转速作为控制目标，内环控制器根据透平与发电机、压缩机功率的差值以及外环控制器输出，给出配置在压缩机与冷却器间的旁通阀的动作信号，通过调节旁通阀开度维持转动轴转速恒定。
本发明的另一技术方案是，热管堆与sCO2布雷顿循环耦合的核动力装置控制系统的控制方法，包括以下步骤：
S1、透平、压缩机与负荷同轴运行，转动轴转速控制系统通过调节压缩机与冷却器之间的旁通阀维持转动轴转速恒定；
S2、压缩机进口温度控制系统通过调节流过冷却器的海水流量控制压缩机进口温度，压缩机进口压力控制系统通过调节稳压罐压力控制压缩机进口压力；
S3、中间换热器出口温度控制系统分别控制中间换热器出口温度和核反应堆功率，通过调节控制鼓引入的反应性维持中间换热器出口温度恒定。
具体的，压缩机进口温度控制系统通过调节流过冷却器的海水流量维持压缩机进口温度恒定。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
热管堆与sCO2布雷顿循环耦合的核动力装置控制系统，从系统供电品质角度考虑设计有转动轴转速控制系统，从工质超临界状态与系统效率考虑设计有压缩机进口温度控制系统与进口压力控制系统，从透平对工质入口温度的敏感性角度考虑设计有中间换热器出口温度控制系统。
进一步的，在中间换热器与透平之间的管路上设置有第一温度传感器，用于测量中间换热器出口温度；在热管反应堆设置有核功率探测器，用于测量热管反应堆功率；第一温度传感器与核功率探测器将测量值发送至中间换热器出口温度控制系统，作为该控制系统的控制输入；该控制系统输出端连接控制鼓。
进一步的，在稳压罐以及冷却器和压缩机之间的管路设置有第一压力传感器和第二压力传感器，分别用于测量稳压罐压力与压缩机进口压力；第一压力传感器和第二压力传感器将测量值发送至压缩机进口压力控制系统，作为该控制系统的控制输入；该控制系统输出连接布置在稳压罐两侧的增压阀与减压阀。
进一步的，在透平、压缩机、发电机分别设置有第一功率传感器、第二功率传感器、第三功率传感器，分别用于测量透平功率、压缩机功率、发电机功率；在转动轴设置有转速传感器，用于测量转动轴转速；第一功率传感器、第二功率传感器、第三功率传感器以及转速传感器将测量值发送至转动轴转速控制系统，作为该控制系统的控制输入；该控制系统输出端连接布置在压缩机输出端与冷却器输入端之间的第一控制阀。
进一步的，在冷却器与压缩机之间的管路设置有第二温度传感器，用于测量压缩机进口温度；第二温度传感器将测量值发送至压缩机进口温度控制系统，作为该控制系统的控制输入；该控制系统输出端连接布置在冷却器海水输入端的第二控制阀。
热管堆与sCO2布雷顿循环耦合的核动力装置控制系统的控制方法，从供电质量、系统效率、工质状态等方面考虑，分别制定转动轴转速恒定、中间换热器出口温度恒定、压缩机进口温度恒定与压缩机进口压力恒定的控制方案。
进一步的，鉴于透平对工质入口温度较为敏感，采用中间换热器出口温度恒定的控制方案，并考虑到中间换热器的热量来源于热管反应堆，设计串级结构的中间换热器出口温度控制方案；在串级控制结构中，外环用于控制中间换热器出口温度，内环控制核反应堆功率，通过调节控制鼓引入的反应性以维持中间换热器出口温度恒定。
进一步的，为保障系统效率以及保证压缩机进口工质的超临界状态，采用压缩机进口压力恒定的控制方案；在回热器与中间换热器之间布置有稳压罐，通过控制稳压罐压力来实现压缩机进口压力的控制；在稳压罐前后布置有增压阀与减压阀，稳压罐内的压力通过增压阀与减压阀实现。
进一步的，转动轴转速与供电品质有关，为保障整个系统的供电品质，采用转动轴转速恒定的控制方案；该控制方案采用串级控制结构，外环控制器以转动轴转速作为控制目标，内环控制器则根据透平功率与发电机功率、压缩机功率的差值以及外环控制器输出，给出配置在压缩机与冷却器之间的旁通阀的动作信号，达到控制转动轴转速的目的。
进一步的，为保证压缩机进口工质的超临界状态，采用压缩机进口温度恒定的控制方案；压缩机进口温度控制通过调节流过冷却器的海水流量实现。
综上所述，本发明提出的热管堆与sCO2布雷顿循环耦合的核动力装置控制系统及方法便于工程实现，且预期具有较好的经济性与安全性。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为热管堆与sCO2布雷顿循环耦合的核动力装置控制方案示意图；
图2为转动轴转速控制系统原理图；
图3为压缩机进口温度控制系统原理图；
图4为压缩机进口压力控制系统原理图；
图5为中间换热器出口温度串级控制系统原理图；
图6为在本发明的控制方法下所得到的系统动态响应，其中，(a)为发电机功率，(b)为透平功率，(c)为转动轴转速，(d)为旁通阀开度，(e)为中间换热器出口温度，(f)为反应堆相对功率，(g)为压缩机进口温度，(h)为压缩机进口压力。
其中，1.中间换热器出口温度控制系统；2.压缩机进口压力控制系统；3.转动轴转速控制系统；4.压缩机进口温度控制系统；5.控制鼓；6.热管反应堆；7.中间换热器；8.稳压罐；9.回热器；10.透平；11.压缩机；12.发电机；13冷却器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
请参阅图1，本发明提供了一种热管堆与sCO2布雷顿循环耦合的核动力装置控制系统，包含四个控制系统，即转动轴转速控制系统3、压缩机进口温度控制系统4、压缩机进口压力控制系统2和中间换热器出口温度控制系统1。
稳压罐8的输出端经中间换热器7连接透平10的输入端，中间换热器7与透平10之间的连接管道上设置有第一温度传感器，中间换热器7通过热管连接热管反应堆6，热管反应堆6侧布置有核功率探测器，透平10的输出端经回热器9和冷却器13连接至压缩机11的输入端，冷却器13与压缩机11之间的连接管道上依次设置有第二温度传感器和第二压力传感器，压缩机11的输出端经回热器9与稳压罐8的输入端连接，稳压罐8布置有第一压力传感器；透平10布置有第一功率传感器，压缩机11布置有第二功率传感器、发电机12布置有第三功率传感器，转动轴布置有转速传感器。
核功率探测器与第一温度传感器与中间换热器出口温度控制系统1连接，中间换热器出口温度控制系统1的控制端与控制鼓5连接，控制鼓5连接热管反应堆6。
第一压力传感器与第二压力传感器与压缩机进口压力控制系统2连接，压缩机进口压力控制系统2的控制端连接稳压罐8两侧的增压阀与减压阀。
第一功率传感器、第二功率传感器、第三功率传感器以及转速传感器连接转动轴转速控制系统3，转动轴转速控制系统3的控制端连接第一控制阀门，第一控制阀门的一端连接压缩机11和回热器9，另一端连接回热器9和冷却器13；第二温度传感器连接压缩机进口温度控制系统4，压缩机进口温度控制系统4控制端连接第二控制阀门，第二控制阀门的一端连接海水，另一端经管道连接至冷却器13。
请参阅图2，透平10、压缩机11与负荷(发电机12)同轴运行，为保证系统供电质量，需保证转动轴转速恒定，设计转动轴转速控制系统3，转动轴转速控制系统3为串级控制系统。
转速设定值与转速传感器采集的转动轴转速在第一比较器作差，差值信号发送至第二外环控制器；第二外环控制器输出在第二比较器与发电机12的功率作差，其得到的差值信号在第三比较器与压缩机11的功率、透平10的功率进行代数运算，发送至第二内环控制器，第二内环控制器输出发送至第一控制阀。
请参阅图3，为保证压缩机进口工质的温度、密度在设计状态(超临界状态)，设计压缩机进口温度控制系统4。
冷却器出口温度(压缩机进口温度)设定值在第一比较器与第二温度传感器测量的冷却器出口温度作差，其差值信号发送至第一控制器；第一控制器将其输出信号发送至第二控制阀。
请参阅图4，为保证压缩机进口工质的温度、密度在设计状态(超临界状态)与系统效率，设计压缩机进口压力控制系统2；
压缩机进口压力设定值在第五比较器与第二压力传感器测量的压缩机进口压力作差，其差值信号发送至第二控制器；第二控制器输出在第六比较器与第一压力传感器测量的稳压罐压力作差，其差值信号发送至增压阀与减压阀。
请参阅图5，采用中间换热器出口工质温度恒定的运行控制方案设计中间换热器出口温度控制系统1。
中间换热器出口温度设定值在第七比较器与第一温度传感器测量的中间换热器出口温度作差，其差值信号发送至第一外环控制器；第一外环控制器输出在第八比较器与核功率探测器测量的热管反应堆功率作差，其差值发送至第一内环控制器；第一内环控制器输出经控制鼓驱动机构、微分价值转化为控制鼓引入的反应性，输入至热管反应堆。
本发明一种热管堆与sCO2布雷顿循环耦合的核动力装置控制方法，为保证整个系统的供电质量，将转动轴转速维持在恒定值，设计转动轴转速控制系统；为保证压缩机进口工质的温度、密度在设计状态(超临界状态)，设计压缩机进口温度与压力控制系统；为维持中间换热器出口温度恒定，设计以中间换热器出口温度作为外环被控量、核反应堆功率作为内环被控量的串级控制系统。
S1、透平10、压缩机11与负荷(发电机12)同轴运行，为保证系统供电品质，需保证转动轴转速恒定，设计转动轴转速控制系统，通过调节压缩机与冷却器之间的旁通阀维持转动轴转速恒定；
根据转动轴模型，当系统处于稳态时，透平功率等于发电机功率与压缩机功率之和；当系统降负荷(升负荷)时，对于转动轴而言，动力矩将大于(小于)阻力矩，转动轴转速将升高(降低)，导致其与设定值之间存在偏差。此时，第二外环控制器根据转速偏差信号给出其输出信号。
如果系统负荷发生变化，透平功率、压缩机功率与发电机功率之间将失去平衡，即代数和不等于0；
第二内环控制器则根据第二外环控制器输出以及透平功率、压缩机功率和发电机功率之间的功率差，给出旁通阀动作信号；
最终，当透平功率、压缩机功率与发电机功率达到平衡时，转动轴转速将维持在恒定值。
当系统升负荷或降负荷时，该种能量平衡将被短暂打破；对于转动轴转速控制系统而言，将透平功率、压缩机功率以及发电机功率的差值引入控制系统中起到前馈作用，有利于加快控制系统的响应。
S2、为保证压缩机进口工质的温度、密度在设计状态(超临界状态)与系统效率，设计压缩机进口温度与压力控制方案；
其中，压缩机进口温度通过调节流过冷却器13的海水流量进行控制，进口压力则通过调节系统中所配置的稳压罐压力来实现控制。
压缩机进口压力的具体控制逻辑如下：
首先，根据压缩机进口压力与其设定值之间的偏差，计算所需求的稳压罐压力；再根据稳压罐需求压力与实际压力的偏差，判断是需要升压还是降压；
当稳压罐压力需要降低时，打开减压阀，从稳压罐中引流出一部分工质，降低稳压罐中压力；
当稳压罐压力需要升高时，打开增压阀，往稳压管中充入特定参数的CO2，提高稳压罐内的压力。
S3、为维持中间换热器出口温度恒定，设计中间换热器出口温度串级控制系统，外环用于控制中间换热器出口温度，内环控制核反应堆功率，通过调节控制鼓引入的反应性来维持中间换热器出口温度恒定。
具体控制逻辑如下：
首先，第一外环控制器根据中间换热器输出温度与其设定值之间的偏差，给出所需的核反应堆功率；
然后，第一内环控制器根据核反应堆功率与其参考值之间的偏差，给定控制鼓动作信号，向热管反应堆5内引入反应性，调节核反应堆功率，从而实现维持换热器出口温度恒定的控制目的。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图6，为某热管堆与sCO2布雷顿循环耦合的核动力装置负荷(指发电机功率)从100％FP(Full Power)阶跃降低至90％FP、稳定运行一段时间后又阶跃升高至100％FP时，采用本发明提出的控制系统及方法所得系统关键参数的动态响应曲线；
当负荷降低时，转动轴转速将升高，在转动轴转速控制系统作用下，旁通阀开度增大，一部分工质从压缩机出口经旁通阀流入冷却器，导致透平功率降低，使转动轴转速在短暂上升后重新回到其设定值。
与此同时，旁通阀开度增大，将导致中间换热器内的工质流量减少，在热量还没来得及变化的情况下，中间换热器出口温度将升高。
在中间换热器出口温度控制系统作用下，如果中间换热器出口温度升高，由外环控制器所计算得到的核反应堆功率需求负荷将降低，控制鼓将产生动作以向堆内引入负反应性，导致核反应堆功率降低。
而压缩机进口温度与压力也均在相应的控制系统作用下维持恒定。当系统升负荷时，其关键参数动态变化趋势与降负荷的情况正好相反。
综上所述，本发明所提出的热管堆与sCO2布雷顿循环耦合的核动力装置控制方法可有效地将系统关键参数控制在其设定值上，论证了该控制系统及方法的可行性。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (10)
1.热管堆与sCO2布雷顿循环耦合的核动力装置控制系统，其特征在于，包括中间换热器出口温度控制系统(1)、压缩机进口压力控制系统(2)、转动轴转速控制系统(3)以及压缩机进口温度控制系统(4)；设备包括控制鼓(5)、热管反应堆(6)、中间换热器(7)、稳压罐(8)、回热器(9)、透平(10)、压缩机(11)、发电机(12)与冷却器(13)；
与热管反应堆(6)连接的中间换热器(7)，中间换热器(7)的一端连接稳压罐(8)的输出端，另一端依次经透平(10)、回热器(9)、冷却器(13)、压缩机(11)和回热器(9)连接稳压罐(8)的输入端，透平(10)经转动轴连接压缩机(11)和发电机(12)；热管反应堆(6)经核功率探测器连接中间换热器出口温度控制系统(1)，中间换热器出口温度控制系统(1)的控制端经控制鼓(5)连接热管反应堆(6)；稳压罐(8)经第一压力传感器连接压缩机进口压力控制系统(2)，透平(10)、压缩机(11)、发电机(12)分别经第一功率传感器、第二功率传感器以及第三功率传感器连接转动轴转速控制系统(3)；冷却器(13)输出端经第二温度传感器连接压缩机进口温度控制系统(4)。
2.根据权利要求1所述的热管堆与sCO2布雷顿循环耦合的核动力装置控制系统，其特征在于，中间换热器(7)与透平(10)之间的管路上设置有第一温度传感器，在热管反应堆(6)设置有核功率探测器；第一温度传感器与核功率探测器均连接中间换热器出口温度控制系统(1)，中间换热器出口温度控制系统(1)驱动控制鼓(5)调节堆芯反应性。
3.根据权利要求1所述的热管堆与sCO2布雷顿循环耦合的核动力装置控制系统，其特征在于，在稳压罐(8)以及冷却器(13)和压缩机(11)之间的管路上设置有第一压力传感器和第二压力传感器；第一压力传感器和第二压力传感器连接至压缩机进口压力控制系统(2)，压缩机进口压力控制系统(2)调节稳压罐(8)两侧的增压阀和减压阀开度。
4.根据权利要求1所述的热管堆与sCO2布雷顿循环耦合的核动力装置控制系统，其特征在于，分别在透平(10)、压缩机(11)、发电机(12)以及转动轴上设置有第一功率传感器、第二功率传感器、第三功率传感器以及转速传感器；第一功率传感器、第二功率传感器、第三功率传感器以及转速传感器均连接转动轴转速控制系统(3)，转动轴转速控制系统(3)调节布置在压缩机(11)输出端与冷却器(13)输入端之间的第一控制阀开度。
5.根据权利要求1所述的热管堆与sCO2布雷顿循环耦合的核动力装置控制系统，其特征在于，冷却器(13)和压缩机(11)之间的管路上设置有第二温度传感器；第二温度传感器连接压缩机进口温度控制系统(4)，压缩机进口温度控制系统(4)调节布置在冷却器(13)海水进口端的第二控制阀开度。
6.根据权利要求1所述的热管堆与sCO2布雷顿循环耦合的核动力装置控制系统，其特征在于，中间换热器出口温度控制系统(1)采用串级控制结构，外环用于控制中间换热器出口温度，内环用于控制核反应堆功率，外环控制器根据中间换热器出口温度与设定值之间的偏差确定所需的核反应堆功率；然后，内环控制器根据核反应堆功率与参考值之间的偏差给定控制鼓动作信号，调节核反应堆功率以使中间换热器出口温度维持恒定。
7.根据权利要求1所述的热管堆与sCO2布雷顿循环耦合的核动力装置控制系统，其特征在于，压缩机进口压力控制系统(2)根据压缩机进口压力与设定值之间的偏差计算所需的稳压罐压力；再根据稳压罐需求压力与实际压力偏差判断升压或降压；升压时往稳压罐(8)中充入特定参数的CO2，降压时从稳压罐(8)中引流出一部分工质。
8.根据权利要求1所述的热管堆与sCO2布雷顿循环耦合的核动力装置控制系统，其特征在于，转动轴转速控制系统(3)采用串级控制结构，外环控制器以转动轴转速作为控制目标，内环控制器根据透平(8)与发电机(10)、压缩机(9)功率的差值以及外环控制器输出，给出配置在压缩机(9)与冷却器(11)间的旁通阀的动作信号，通过调节旁通阀开度维持转动轴转速恒定。
9.根据权利要求1至8中任一项所述热管堆与sCO2布雷顿循环耦合的核动力装置控制系统的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、透平、压缩机与负荷同轴运行，转动轴转速控制系统通过调节压缩机与冷却器之间的旁通阀维持转动轴转速恒定；
S2、压缩机进口温度控制系统通过调节流过冷却器的海水流量控制压缩机进口温度，压缩机进口压力控制系统通过调节稳压罐压力控制压缩机进口压力；
S3、中间换热器出口温度控制系统分别控制中间换热器出口温度和核反应堆功率，通过调节控制鼓引入的反应性维持中间换热器出口温度恒定。
10.根据权利要求9所述的热管堆与sCO2布雷顿循环耦合的核动力装置控制系统的工作方法，其特征在于，压缩机进口温度控制系统通过调节流过冷却器的海水流量维持压缩机进口温度恒定。
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|---|---|---|---|
| CN202310405745.5A CN116705370A (zh) | 2023-04-14 | 2023-04-14 | 热管堆与sCO2布雷顿循环耦合的核动力装置控制系统及方法 |
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| CN (1) | CN116705370A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117672559A (zh) * | 2023-12-05 | 2024-03-08 | 中国核动力研究设计院 | 一种利用超临界二氧化碳进行余热导出的发电系统及方法 |
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2023
- 2023-04-14 CN CN202310405745.5A patent/CN116705370A/zh active Pending
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