多堆核电机组控制策略仿真

doi: 10.7690/bgzdh.2018.08.013

兵工自动化

Ordnance Industry Automation

2018-08

37(8)

多堆核电机组控制策略仿真

和佳鑫1，成守宇1，方茂瑶

2

(1. 哈尔滨工程大学核安全与仿真技术国防重点学科实验室，哈尔滨 150001；

2. 中国舰船研究设计中心，武汉 430064)

摘要：针对多堆核电机组控制策略较复杂的问题，采用仿真方法进行研究。结合多堆核电机组的构成及运行特点，提出多堆核电机组运行方案，构建不等负荷运行时蒸汽供应系统的控制策略，并设计了相应的控制器，通过模拟不等负荷并联升、降功率运行2种典型工况，对控制策略进行了验证。仿真结果表明：该策略可以满足多堆核电机组运行的安全性和稳定性要求，可为多堆核电机组控制策略研究提供参考依据。

关键词：多堆核电机组；控制器设计；控制策略；RELAP5仿真 中图分类号：TP391.9 文献标志码：A

Simulation on Control Strategy of Nuclear Power Plant with Multi-modular Reactors

He Jiaxin1, Cheng Shouyu1, Fang Maoyao2

(1. National Defense Key Laboratory on Nuclear Safety & Simulation Technology, Harbin Engineering University,

Harbin 150001, China; 2. China Ship Development & Design Center, Wuhan 430064, China) Abstract: Aiming at the complicated control strategy of the multi-reactor nuclear power plants, a simulation method was used to study. Combining the composition and operation characteristics of the multiple nuclear reactors, the unit’s operation plan was put forward. Then the paper discussed the controller and operation mode of steam supply system under unequal load. To verify and validate the designed control strategy and controller, in the simulation experiment of transient variable condition, 2 typical working conditions of unequal load including parallel rising and parallel falling the load are simulated. The simulation results show that the choice of controller design and control scheme can meet the safety and stability requirements, and can provide reference for research on control strategy of multi-reactor nuclear power plants.

Keywords: multi-reactor nuclear power plant; controller design; control strategy; RELAP5 simulation

0 引言

多堆通常是指多个反应堆并联，将产生的新蒸汽输送到同一蒸汽母管中，并送入汽轮机中做功的核动力装置。相对较小的堆芯和全自然循环紧凑设计，小型多堆核电机组具有良好的非能动冷却特性，从而提高了核电厂的安全性。其安全相关的部件进行模块化生产，大大降低核电厂投资建设过程中的边际成本，相对较小的部件以及简单的回路可减小系统的维修次数以及故障的概率，并且在一个反应堆进行停堆换料或维修的情况下，其他反应堆仍可正常运行，这样就提高了电厂容量因子和经济性。

多堆核电机组属于多输入多输出的复杂非线性系统，单个反应堆模块之间存在热工参数的耦合和振荡，在大幅度的负荷变化过程中需要保证机组的核安全特性和高效运行，必须有更加可靠的控制系统和运行方案。目前关于多堆核电运行的控制技术研究较少。文献[1]针对具有2个反应堆模块的机组

提出了“容错”控制策略和自动关联内核回归模型；

文献[2]提出了利于一回路运行的冷却剂平均温度不变和多堆均分负荷的方案；文献[3]研究了应用在多堆多机核动力装置的Agent控制方法；文献[4]针对共用蒸汽联箱的球床模块化气冷堆进行了仿真和控制器设计。笔者针对最常见的采用冷却剂平均温度滑移方案的自然循环蒸发器具有3个反应堆模块的机组进行研究。

1 小型多堆核电机组的构成及运行特点

如图1所示，该多堆核电机组由3个反应堆模块(每个模块由2个环路组成，含2个蒸汽发生器、2台主泵、1个稳压器等，图中仅画出一条环路示意)、汽轮机、发电机、冷凝器、除氧器等设备组成。多堆核电机组出力由各蒸汽供应系统共同承担，各自然循环蒸发器产生蒸汽进入同一蒸汽母管。出于系统稳定性和安全性考虑，在负荷均分或不均分情况下，控制器必须保证进入母管的蒸汽出口压力接

1 收稿日期：2018-04-25；修回日期：2018-06-08

作者简介：和佳鑫(1995—)，男，河北人，学士，从事系统建模、先进核动力装置仿真模拟研究。

第8期 和佳鑫等：多堆核电机组控制策略仿真

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近或相等。

图1 多堆核电机组系统

2 多堆核电机组运行方案与控制器设计

笔者重点研究多堆并联不等负荷运行工况。正

常情况下，各机组负荷应完全相等，其运行方案和控制也相对简单。由于单堆模块可能需要进行换料检修或紧急停堆以及需要参与电厂调峰，因此可能发生机组负荷非平均分配和负荷变化频繁的情况。为保证蒸汽发生器出口压力相同，就要求反应堆功率控制器控制反应堆进出口温度平均值(Tav)的设定值作相应变化。此时必须要求在功率变化范围内二回路压力变化尽量小，进而减小控制量变化量和稳压器体积。

“二回路蒸汽出口压力一致”运行方案是以二回路压力随功率变化率更小，且控制器相对简单，较为符合要求的“冷却剂平均温度滑移”方案为基础改进而来。由自然循环蒸发器反滑特性知最高功率堆模块的蒸汽出口压力最低，此时应控制其他较低功率反应堆模块在功率不变条件下，相应改变一回路冷却剂平均温度设定值，直至蒸汽出口压力与最高功率堆蒸汽压力一致。最高功率堆模块Tav由自身功率决定，较低功率堆Tav由自身功率和最高功率共同决定。例如，当3个机组A、B、C设定功率分别为100%FP、90%FP、80%FP时，应以最高功率机组A的二回路运行压力为参考压力，同时相应计算B、C机组在与参考压力相同条件下的设定温度。此方案的优点为，在较小控制量的作用下即可保证不等负荷机组安全性和输出功率稳定。

在不等负荷并联升降功率的过程中，根据多堆运行的特点采用优先改变与设定值差别最大机组的控制策略。例如，四堆核电机组的设定目标运行功

率为95%FP，此时机组A、B、C、D分别运行在90%FP、85%FP、80%FP、75%FP。应当首先改变差别最大机组D的功率至机组C的运行功率，稳定运行一段时间后，再将2个堆的功率升高至机组B的功率，再稳定运行一段时间后升高至机组A的功率。此时4个堆的功率相同，稳定运行一段时间后，同步调整4个堆的功率至设定功率95%FP。并联降负荷的方法同理。这种控制策略避免了多堆同时大幅度升降功率造成二次侧蒸汽母管的应力变化过大以及热工参数的振荡，使得多堆核电机组的功率控制更加安全稳定。

笔者设计了主要包括负荷分配、设定温度计算、需求功率计算、功率比较和棒控信号产生等模块的反应堆功率调节器，以保证机组按照预定方案稳定运行。图2为多堆核电机组中某一堆芯功率控制器。反应堆核功率控制器以主冷却剂平均温度为主要调节量，以改变堆芯反应性的方式改变功率。

图2 功率控制系统原理

参考温度计算模块中各堆蒸汽压力最小值决定运行压力ps，Gs为某反应堆模块二回路蒸汽流量目标设定值，二者共同决定冷却剂平均温度设定值T。反应堆冷却剂进出口的温度传感器将测量得到的温度平均值，与选定控制方案中的温度设定值比较后得到温度偏差。功率需求计算器根据平均温度偏差和归一化蒸汽流量进行PID运算，详细公式可参考文献[2]，随后将结果送入功率比较器，与实际功率相比较后得到功率偏差信号，通过控制棒驱动机构调节控制棒在堆芯的位置，进而实现反应堆功率的控制。

3 小型多堆核电机组仿真数学模型

为了能够准确反映多堆核动力装置运行特性和研究其控制方案，笔者建立了多堆核动力装置仿真模型。仿真模型是基于物理机理的数学模型，主要包括反应堆堆芯物理模型、反应堆及主冷却剂热工水力模型。为适当简化模型二回路，仅以边界形式给出。反应堆堆芯物理模型采用点堆模型，模型考

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兵工自动化第37卷

虑温度反馈，可参考文献[5]。反应堆及主冷却剂热

工水力模型程序采用RELAP5/MOD3.4程序，详细模型可参考文献[6]。多个模块化核电机组建模及节点划分完全相同，各蒸发器蒸汽出口连接同一母管部件。对某一模块反应堆及主冷却剂系统，其节点划分如图3所示。

图3 反应堆及主冷却剂系统节点划分

4 仿真结果与分析

为了验证文中以“冷却剂平均温度滑移”为基础的“二回路蒸汽压力一致”运行方案和控制策略，笔者以3个反应堆与1个汽轮机组成的核电机组为模型进行了计算，分别从100%FP、95%FP、90%FP堆功率降至目标功率85%FP的并联降负荷运行，以及分别从95%FP、90%FP、85%FP的堆功率提升至100%FP的并联升负荷运行，对2种典型工况进行计算。首先使3个机组同步改变5%FP负荷，随后按照“优先改变与设定值差异最大模块”反应堆的控制方案逐步调节至目标功率。

图4为三堆并联降负荷运行瞬态过程曲线。图5为三堆并联升负荷运行瞬态过程曲线。从图4和图5可以看出：随着最高功率的变化，蒸汽母管的压力有微小变化，但是各蒸发器出口压力仍然可以保持一致。在整个运行过程中，机组蒸发器的出口

压力和液位基本在设定值附近作极小的波动，反应堆一回路的压力和反应堆冷热管温度也都维持在安全范围以内。通过对比图中一、二回路压力和温度等热工参数的几次波动情况可知：优先改变与设定功率差值最大和逐步调节至目标功率的方案，比同步改变的方式对整个系统扰动更小，稳定时间更短，因此更加合理可行。

(a) 反应堆核功率瞬态过程

第8期 和佳鑫等：多堆核电机组控制策略仿真

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(b) SG蒸汽产量及给水流量瞬态过程

(c) 三堆SG液位瞬态过程

(d) 三堆SG出口蒸汽压力瞬态过程

(e) 三堆一回路压力瞬态过程

(f) 三堆主冷却剂温度瞬态过程 图4 并联降负荷工况热工参数瞬态曲线

(a) 反应堆核功率瞬态过程

(b) SG蒸汽产量及给水流量瞬态过程

(c) 三堆SG液位瞬态过程

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(d) 三堆SG出口蒸汽压力瞬态过程

(e) 三堆一回路压力瞬态过程

(f) 三堆主冷却剂温度瞬态过程 图5 并联升负荷工况热工参数瞬态曲线

5 结束语

笔者针对多堆核电机组的特殊构成与运行需求，讨论了多堆核电机组运行控制尤其是不等负荷分配时控制的问题，提出了“二回路压力一致”运行方案和“优先改变与设定功率差值最大模块”的控制策略，设计了相应的控制器，并利用多堆瞬态

模型对提出的控制策略进行了验证。仿真结果表明：该控制策略合理可行，且设计的控制器能很好地控制电站参数。

参考文献：

[1] Sergio Ricardo Pereira Perillo. Multi-Modular Integral

Pressurized Water Reactor Control and Operational Reconfiguration for a Flow Control Loop[D]. University of Tennessee–Knoxville, DEC, 2010.

[2] 成守宇, 彭敏俊, 赵强. 多堆核动力装置控制策略仿真

研究[J]. 兵工自动化, 2013, 2012, 32(12): 8-11. [3] 付锦洲, 李玉杰, 夏国清. 多Agent理论在多堆多机核

动力装置中的应用[J]. 船海工程, 2010, 39(5): 196-200. [4] 李海鹏, 黄晓津, 张良驹. 模块式高温气冷堆核电站的

运行特性研究[J]. 原子能科学技术, 2009, 43(8): 720-723. [5] SAMUEL G, ALEXANDER S. Nuclear Reactor

Engineering (Reactor Systems Engineering Fourth Edition Volume Two) [Z]. CHAPMAN&HALL, 1994.

[6] Nuclear Safety Analysis Division. RELAP5/MOD3.3

code manual volume I: code structure, system models, and solution methods. Information Systems Laboratories[Z], Inc. Maryland, Idaho, December 2001: 1-100P. [7] 邓祥鑫. 多堆多机核动力装置协调控制策略分析[D].

哈尔滨: 哈尔滨工程大学, 2012.