一种超临界二氧化碳直接循环核动力装置解耦控制系统及方法,采用压缩机进口温度恒定和压缩机进口压力恒定控制策略,通过压缩机进口温度控制系统调节冷却器冷侧阀门开度以及压缩机进口压力控制系统调节容量箱充排工质来实现;为保证供电品质,采取传动轴转速恒定控制策略,通过传动轴转速控制系统调整传动轴辅助扭矩来实现;为保证系统效率,采取堆芯出口温度恒定控制策略,通过堆芯出口温度控制系统调节控制阀门开度来实现;为实现堆跟机运行目标,采取堆芯功率匹配需求功率控制策略,通过功率控制系统调节控制棒速来实现,基于神经元PID解耦控制技术,实现系统中每一输出参数仅受到某一特定输入参数所影响的控制目标。
背景技术
超临界二氧化碳直接循环核动力系统是以二氧化碳作为工质,直接从核反应堆中获取核释热,再通过超临界二氧化碳热力循环将核能转换为电能或机械能的系统。由于超临界二氧化碳在临界点(7.38MPa,31.2℃)存在物性突变的特点,将超临界二氧化碳直接循环核动力系统中压缩机入口工况设置在临界点附近,并且利用超临界二氧化碳在该运行工况下的低压缩性与物性突变引发的压缩机进出口高密度差特性,可大幅度降低超临界二氧化碳压缩机耗功。同时,作为一回路冷却剂,二氧化碳安全无毒、不易燃、储量丰富且天然存在,拥有优秀的物理化学稳定性,并且在反应堆设计范围温度内表现惰性气体特性。与其他传统气体工质相比,超临界二氧化碳更容易实现较大的密度差,这有益于通过自然循环的方式排出堆芯余热,大大提高反应堆的可靠性。
超临界二氧化碳直接循环核动力系统是一种非常有前景的新型动力系统,具有系统简化、结构紧凑、机动性强、热效率高等优点,其大规模推广应用有利于我国核资源的清洁高效应用,可大幅减少温室气体减排,对实现“双碳”目标具有十分重要的意义。超临界二氧化碳直接循环核动力系统的上述优点,既满足下一代先进能量转化技术的发展要求,也符合核动力装置未来的发展趋势,例如《原子能科学技术,第57卷第9期,2023年9月》中黄彦平等人发表的《超临界二氧化碳核能动力系统的兴起和发展》文章中所描述。
然而,由于超临界二氧化碳工质在近临界点处物性变化剧烈,同时超临界二氧化碳直接循环核动力系统具有多设备强耦合特点,各控制系统的控制动作将产生较强的相互影响,使得其变负荷、启动、停机等过程的调节与控制更加复杂。例如公开号为CN112071457B的专利申请公开了一种超临界二氧化碳直接冷却反应堆系统用负荷跟踪方法,满负荷运行时,CO2工质流入气轮机内膨胀做功,在回热器内释放部分热量后进入预冷器冷却,进入压缩机增压后流入回热器吸收气轮机乏气的能量,重新回到反应堆,完成整个循环过程;当部分负荷工况运行时,通过发电机功率控制系统实现发电机功率同电网需求的匹配;通过压缩机入口温度控制系统实现负荷运行过程中压缩机入口温度的调控;通过压缩机阻塞保护系统确保压缩机远离阻塞运行区域;反应堆的功率通过堆芯功率控制系统依靠反应性反馈自动调节,实现反应堆功率跟随发电机功率变化的自动调节,实现超临界二氧化碳直接冷却反应堆系统在全负荷范围内的负荷跟踪能力,但该专利申请就存在各控制动作相互影响的缺陷。因此,需要选择合适的解耦控制方法,尽可能降低或消除各控制动作的相互影响,使系统在各种负荷及扰动下,主要参数的波动时间以及幅度控制在合理范围内,避免出现超温、超速、喘振等情况,并最大限度提高机组响应速度,使系统迅速恢复稳定,保证系统安全稳定运行,具有重要的研究意义和应用价值。
实现思路