專利名稱：核反應(yīng)堆斷電模擬系統(tǒng)及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種核工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域的裝置及方法，具體是一種用于在實驗回路中模擬核電廠全廠斷電工況下加熱功率與流量變化情況的核反應(yīng)堆斷電模擬系統(tǒng)及其方法。
背景技術(shù)：
隨著人類社會的不斷發(fā)展，對能源的需求越來越大。由于傳統(tǒng)的化石燃料帶來了巨大的環(huán)境污染問題，近年來對能源清潔性的要求越來越高。由于核能的溫室氣體排放幾乎為零，并具有能量密度高、能量輸出穩(wěn)定、技術(shù)日益成熟且已得到大規(guī)模應(yīng)用等優(yōu)點。因此，核能成為了除傳統(tǒng)化石能源外的重要能源來源選擇之一。在核能利用中，由于其特殊性，安全問題是首先予以考慮的。其中核電廠全場斷電事故對核反應(yīng)堆的安全性有重大威脅。核電廠在發(fā)生全場斷電事故后，主泵失去動力，開始在轉(zhuǎn)子飛輪的慣性驅(qū)動下惰轉(zhuǎn)，反應(yīng)堆停堆，隨后汽輪機脫扣，主給水關(guān)閉。雖然短時間穩(wěn)壓器壓力會快速下降，但是主給水關(guān)閉后，若輔助給水同時失效，主系統(tǒng)熱量無法有效導(dǎo)出，一回路壓力會迅速上升。因安注系統(tǒng)無法啟動，壓力容器水位下降導(dǎo)致堆芯裸露并熔化；壓力容器下封頭因熔融物的加熱發(fā)生蠕變失效，引起安全殼內(nèi)的壓力和溫度大幅上升并最終導(dǎo)致安全殼失效，造成大規(guī)模放射性物質(zhì)泄漏，危害公眾的安全。因此，研究核電廠在發(fā)生全場斷電事故初期反應(yīng)堆主系統(tǒng)內(nèi)熱工水力現(xiàn)象有著重要的意義，該工況下反應(yīng)堆主系統(tǒng)最主要的特點有兩點，一是堆芯衰變熱作為系統(tǒng)的熱源在不斷衰減，但仍對系統(tǒng)有顯著的加熱效果；二是主泵作為系統(tǒng)內(nèi)流體流動的動力源，雖然失去了直接動力，但在一定時間內(nèi)發(fā)生惰轉(zhuǎn)現(xiàn)象，可以繼續(xù)提供一定的流量。因此，合理的模擬全場斷電事故初期主系統(tǒng)內(nèi)的加熱功率和流量的聯(lián)動變化情況是研究該工況下反應(yīng)堆熱工水利特性的基礎(chǔ)。

目前，許多研究者利用軟件程序模擬堆芯衰變和主泵惰轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，取得了一定的成果，但是因程序自身編程與計算上的缺陷，無法真實反映核反應(yīng)堆中真正的熱工水力變化情況；國內(nèi)外建立了一些大型試驗裝置，模擬核反應(yīng)堆主系統(tǒng)，但主要用來模擬破口事故中或自然循環(huán)工況下反應(yīng)堆的熱工水力特性，缺少對全廠斷電事故的研究。經(jīng)過對現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，“原子能科學(xué)技術(shù)”2011年10月第45卷第10期公開了“AP1000主回路系統(tǒng)熱工水力瞬態(tài)計算程序RETAC的開發(fā)”，該技術(shù)計算了全部屏蔽泵同時失電惰轉(zhuǎn)并觸發(fā)停堆后反應(yīng)堆中熱工水力參數(shù)的變化情況。研究發(fā)現(xiàn)在無控制系統(tǒng)、非能動安全系統(tǒng)和啟動給水系統(tǒng)投入的情況下，燃料中心最高溫度和MDNBR未超過規(guī)定限值，滿足安全準(zhǔn)則要求。但該方案缺乏實驗數(shù)據(jù)。另外，“NuclearEngineering and Design，，215 期(2OO2 年)中公開了“Restartof natural circulation in a PffR-PKL test results and S_RELAP5calculations，，,該技術(shù)利用PKL實驗裝置研究小破口事故后的熱工水力現(xiàn)象,并最終成功建立自然循環(huán)；但該實驗裝置并未模擬核電廠全場斷電事故下核反應(yīng)堆熱工水力現(xiàn)象，無法揭示反應(yīng)堆在事故初期的主系統(tǒng)狀態(tài)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種核反應(yīng)堆斷電模擬系統(tǒng)及其方法，模擬核反應(yīng)堆堆芯停堆后一定時間內(nèi)持續(xù)釋放衰變熱的現(xiàn)象以及核主泵失去外來電源后一定時間內(nèi)發(fā)生惰轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。從而為研究核反應(yīng)堆全廠斷電事故提供可行的實驗工況，為核反應(yīng)堆自主化設(shè)計與建設(shè)提供技術(shù)支持。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的:本發(fā)明涉及一種核反應(yīng)堆斷電模擬系統(tǒng)及其方法，包括:提供系統(tǒng)熱量的熱源、提供系統(tǒng)壓力的穩(wěn)壓容器、用于系統(tǒng)冷卻的冷源、提供系統(tǒng)介質(zhì)循環(huán)動力的驅(qū)動裝置、用于控制熱源功率變化的加熱功率控制模塊、用于系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集和控制的數(shù)據(jù)控制器、用于控制驅(qū)動裝置頻率變化以調(diào)節(jié)管路流量的頻率控制模塊、用于調(diào)節(jié)主回路流量的第一電動調(diào)節(jié)閥和用于保護驅(qū)動裝置的第二電動調(diào)節(jié)閥，其中:穩(wěn)壓容器分別與熱源的第一端口、冷源的第一端口相連形成主回路熱段；第一電動調(diào)節(jié)閥的兩端分別與熱源的第二端口和驅(qū)動裝置的輸出端相連，冷源的第二端口與驅(qū)動裝置的輸入端相連，第二電動調(diào)節(jié)閥的兩端分別與驅(qū)動裝置的輸入端、輸出端相連，形成主回路旁路，這是由于驅(qū)動裝置不能在很低的流量參數(shù)下運行，但是主回路主路的需求在逐漸減少至0，設(shè)置旁路分擔(dān)驅(qū)動裝置提供的流量，避免驅(qū)動裝置流量過低。所述的數(shù)據(jù)控制器接收外接計算機的指令并同時控制加熱功率控制模塊和頻率控制模塊，或者數(shù)據(jù)控制器控制加熱功率控制模塊，同時根據(jù)設(shè)定的目標(biāo)開度值與時間的對應(yīng)關(guān)系，控制第一電動調(diào)節(jié)閥的開度，從而實現(xiàn)熱量衰減與流量衰減的聯(lián)動控制。所述的第一電動調(diào)節(jié)閥的輸入端設(shè)置第一壓力變送器以記錄調(diào)節(jié)前壓力讀書P1,設(shè)置第一流量計以記錄流量數(shù)據(jù)q，輸出端設(shè)置第二壓力變送器以記錄調(diào)節(jié)后壓力讀數(shù)P2。所述的數(shù)據(jù)控制器收集驅(qū)動裝置的輸入端流量數(shù)據(jù)，與驅(qū)動裝置最小運行流量進行比較，通過流量反饋控制第二 電動調(diào)節(jié)閥的開度，避免驅(qū)動裝置流量過低。所述的驅(qū)動裝置的輸入端設(shè)置第二流量計以記錄該端口流量數(shù)據(jù)。所述的加熱功率控制模塊包括:功率PLC控制模塊和可控硅組件，其中:功率PLC控制模塊與數(shù)據(jù)控制器相連并發(fā)送變電壓信號至可控硅組件，可控硅組件調(diào)整熱源的電壓以實現(xiàn)對功率的控制。所述的頻率控制模塊包括:頻率PLC控制模塊和變頻器，其中:頻率PLC控制模塊與數(shù)據(jù)控制器相連并發(fā)送變頻率信號至變頻器，變頻器調(diào)整驅(qū)動裝置的頻率以改變其轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)對流量的控制。所述的熱源為電壓控制的電加熱器。所述的穩(wěn)壓容器為一個頂部充有提供回路壓力的氣體、底部裝有系統(tǒng)循環(huán)介質(zhì)的壓力容器。所述的驅(qū)動裝置為屏蔽泵，該屏蔽泵為系統(tǒng)管路給水，根據(jù)給定頻率調(diào)整泵轉(zhuǎn)速，繼而實現(xiàn)流量調(diào)節(jié)。本發(fā)明涉及一種基于上述系統(tǒng)的模擬方法，包括以下步驟:步驟一、得到初始數(shù)據(jù):使用實際核反應(yīng)堆停堆后熱源的功率隨時間變化的數(shù)據(jù)，得到時間點與熱源功率值的對應(yīng)關(guān)系表格；使用實際核反應(yīng)堆主泵失去電源后惰轉(zhuǎn)流量隨時間變化的數(shù)據(jù)，得到各時間點與流量值的對應(yīng)關(guān)系；步驟二、使用步驟一所得的兩組對應(yīng)關(guān)系，于外接計算機中形成熱量衰減與流量衰減的聯(lián)動控制模式；步驟三、進行模擬實驗:使用步驟二的聯(lián)動控制模式啟動數(shù)據(jù)控制器，采集功率數(shù)據(jù)與流量數(shù)據(jù)繪制衰減曲線，分別得到加熱功率曲線和流量曲線；步驟四、數(shù)據(jù)比對:將步驟三得到的加熱功率曲線與步驟一得到的時間點與熱源功率值的對應(yīng)關(guān)系表格相比較，對發(fā)生偏差的數(shù)據(jù)點進行調(diào)整，得到平滑的加熱功率曲線；將步驟三得到的流量曲線與步驟一中的時間點與流量值的對應(yīng)關(guān)系相比較，對發(fā)生偏差的數(shù)據(jù)點進行調(diào)整，得到平滑的流量曲線。所述的步驟一中的時間點與熱源功率值的對應(yīng)關(guān)系表格、時間點與流量值的對應(yīng)關(guān)系均是使用插值法進行離散處理得到的。所述的聯(lián)動控制模式的具體設(shè)定方法為:將時間點與流量值的對應(yīng)關(guān)系進行歸一化處理，從而得到驅(qū)動裝置所需達(dá)到的歸一化目標(biāo)流量與時間的對應(yīng)關(guān)系，再將目標(biāo)流量換算成對應(yīng)的頻率值，從而得到驅(qū)動裝置的目標(biāo)頻率與時間點的對應(yīng)關(guān)系表格；然后將上述對應(yīng)關(guān)系表格與時間點與熱源功率值的對應(yīng)關(guān)系表格一同輸入外接計算機形成聯(lián)動控制豐吳式;或者，將時間點與流量值的對應(yīng)關(guān)系根據(jù)閥門開度的計算公式將流量值換算成對應(yīng)的閥門開度值，從而得到第一電動調(diào)節(jié)閥的目標(biāo)開度與時間點的對應(yīng)關(guān)系表格；然后將上述對應(yīng)關(guān)系表格與時間點與熱源功率值的對應(yīng)關(guān)系表格一同輸入外接計算機形成聯(lián)動控制模式。所述的步驟三中的數(shù)據(jù)控制器同時控制加熱功率控制模塊和頻率控制模塊，或者同時控制熱功率控制模塊和第一電動調(diào)節(jié)閥。所述的步驟四中，加熱功率`曲線的偏差調(diào)整是通過調(diào)整插值密度實現(xiàn)；流量曲線的偏差調(diào)整是通過調(diào)整插值密度實現(xiàn)，或者調(diào)整第一電動調(diào)節(jié)閥的目標(biāo)開度實現(xiàn)。由于系統(tǒng)誤差的存在，實際閥門開度與流量的對應(yīng)關(guān)系與計算值存在偏差，需要在設(shè)備運行時進行校準(zhǔn)，優(yōu)選的方案是:將第一電動調(diào)節(jié)閥的閥門開啟至目標(biāo)開度計算值，在回路中建立穩(wěn)態(tài)流動并測量流量，根據(jù)測量流量與目標(biāo)流量的偏差，調(diào)整閥門開度，直至測量流量與目標(biāo)流量的偏差低于5%，記錄此時的閥門開度作為校準(zhǔn)后的目標(biāo)開度，形成校準(zhǔn)后目標(biāo)開度與時間點的對應(yīng)關(guān)系表格。作為優(yōu)選的方案，進行模擬實驗時，于流量計讀數(shù)和功率讀數(shù)穩(wěn)定30秒后的讀數(shù)作為測量數(shù)據(jù)。作為優(yōu)選的方案，偏離曲線相對誤差高于10%的數(shù)據(jù)點視為發(fā)生偏差的數(shù)據(jù)點。所述的閥門開度的計算公式，即計算閥門開度百分比H%:
權(quán)利要求
1.一種核反應(yīng)堆斷電模擬系統(tǒng)，其特征在于，包括:提供系統(tǒng)熱量的熱源、提供系統(tǒng)壓力的穩(wěn)壓容器、用于系統(tǒng)冷卻的冷源、提供系統(tǒng)介質(zhì)循環(huán)動力的驅(qū)動裝置、用于控制熱源功率變化的加熱功率控制模塊、用于系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集和控制的數(shù)據(jù)控制器、用于控制驅(qū)動裝置頻率變化以調(diào)節(jié)管路流量的頻率控制模塊、第一電動調(diào)節(jié)閥和第二電動調(diào)節(jié)閥，其中: 穩(wěn)壓容器分別與熱源的第一端口、冷源的第一端口相連形成主回路熱段；第一電動調(diào)節(jié)閥的兩端分別與熱源的第二端口和驅(qū)動裝置的輸出端相連，冷源的第二端口與驅(qū)動裝置的輸入端相連，第二電動調(diào)節(jié)閥的兩端分別與驅(qū)動裝置的輸入端、輸出端相連，形成主回路芳路； 所述的數(shù)據(jù)控制器接收外接計算機的指令并同時控制加熱功率控制模塊和頻率控制模塊，或者數(shù)據(jù)控制器控制加熱功率控制模塊，同時根據(jù)設(shè)定的目標(biāo)開度值與時間的對應(yīng)關(guān)系，控制第一電動調(diào)節(jié)閥的開度，從而實現(xiàn)熱量衰減與流量衰減的聯(lián)動控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征是，所述的第一電動調(diào)節(jié)閥的輸入端設(shè)置第一壓力變送器以記錄調(diào)節(jié)前壓力讀書P1，設(shè)置第一流量計以記錄流量數(shù)據(jù)q，輸出端設(shè)置第二壓力變送器以記錄調(diào)節(jié)后壓力讀數(shù)P2。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征是，所述的驅(qū)動裝置的輸入端設(shè)置第二流量計以記錄該端口流量數(shù)據(jù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征是，所述的加熱功率控制模塊包括:功率PLC控制模塊和可控硅組件，其中:功率PLC控制模塊與數(shù)據(jù)控制器相連并發(fā)送變電壓信號至可控硅組件，可控硅組件調(diào)整熱源的電壓以實現(xiàn)對功率的控制。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征是，所述的頻率控制模塊包括:頻率PLC控制模塊和變頻器，其中:頻率PLC控制模塊與數(shù)據(jù)控制器相連并發(fā)送變頻率信號至變頻器，變頻器調(diào)整驅(qū)動裝置的頻率以改變其轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)對流量的控制。
6.一種基于上述任一項權(quán)利要求所述系統(tǒng)的模擬方法，包括以下步驟: 步驟一、得到初始數(shù)據(jù):使用實際核反應(yīng)堆停堆后熱源的功率隨時間變化的數(shù)據(jù)，得到時間點與熱源功率值的對應(yīng)關(guān)系表格；使用實際核反應(yīng)堆主泵失去電源后惰轉(zhuǎn)流量隨時間變化的數(shù)據(jù)，得到各時間點與流量值的對應(yīng)關(guān)系； 步驟二、使用步驟一所得的兩組對應(yīng)關(guān)系，于外接計算機中形成熱量衰減與流量衰減的聯(lián)動控制模式； 步驟三、進行模擬實驗:使用步驟二的聯(lián)動控制模式啟動數(shù)據(jù)控制器，采集功率數(shù)據(jù)與流量數(shù)據(jù)繪制衰減曲線，分別得到加熱功率曲線和流量曲線； 步驟四、數(shù)據(jù)比對:將步驟三得到的加熱功率曲線與步驟一得到的時間點與熱源功率值的對應(yīng)關(guān)系表格相比較，對發(fā)生偏差的數(shù)據(jù)點進行調(diào)整，得到平滑的加熱功率曲線；將步驟三得到的流量曲線與步驟一中的時間點與流量值的對應(yīng)關(guān)系相比較，對發(fā)生偏差的數(shù)據(jù)點進行調(diào)整，得到平滑的流量曲線； 所述的步驟一中的時間點與熱源功率值的對應(yīng)關(guān)系表格、時間點與流量值的對應(yīng)關(guān)系均是使用插值法進行離散處理得到的。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征是，所述的聯(lián)動控制模式的具體設(shè)定方法為:將時間點與流量值的對應(yīng)關(guān)系進行歸一化處理，從而得到驅(qū)動裝置所需達(dá)到的歸一化目標(biāo)流量與時間的對應(yīng)關(guān)系，再將目標(biāo)流量換算成對應(yīng)的頻率值，從而得到驅(qū)動裝置的目標(biāo)頻率與時間點的對應(yīng)關(guān)系表格；然后將上述對應(yīng)關(guān)系表格與時間點與熱源功率值的對應(yīng)關(guān)系表格一同輸入外接計算機形成聯(lián)動控制模式； 或者，將時間點與流量值的對應(yīng)關(guān)系根據(jù)閥門開度的計算公式將流量值換算成對應(yīng)的閥門開度值，從而得到第一電動調(diào)節(jié)閥的目標(biāo)開度與時間點的對應(yīng)關(guān)系表格；然后將上述對應(yīng)關(guān)系表格與時間點與熱源功率值的對應(yīng)關(guān)系表格一同輸入外接計算機形成聯(lián)動控制模式。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征是，所述的步驟四中，加熱功率曲線的偏差調(diào)整是通過調(diào)整插值密度實現(xiàn)；流量曲線的偏差調(diào)整是通過調(diào)整插值密度實現(xiàn)，或者調(diào)整第一電動調(diào)節(jié)閥的目標(biāo)開度實現(xiàn)。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的方法，其特征是，所述的閥門開度的計算公式，即計算閥門開度百分比 :
全文摘要
一種核工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域的核反應(yīng)堆斷電模擬系統(tǒng)及其方法，該系統(tǒng)包括提供系統(tǒng)熱量的熱源、提供系統(tǒng)壓力的穩(wěn)壓容器、用于系統(tǒng)冷卻的冷源、提供系統(tǒng)介質(zhì)循環(huán)動力的驅(qū)動裝置、用于控制熱源功率變化的加熱功率控制模塊、用于系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集和控制的數(shù)據(jù)控制器、用于控制驅(qū)動裝置頻率變化以調(diào)節(jié)管路流量的頻率控制模塊、第一電動調(diào)節(jié)閥和第二電動調(diào)節(jié)閥。本發(fā)明模擬核反應(yīng)堆堆芯停堆后一定時間內(nèi)持續(xù)釋放衰變熱的現(xiàn)象以及核主泵失去外來電源后一定時間內(nèi)發(fā)生惰轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。從而為研究核反應(yīng)堆全廠斷電事故提供可行的實驗工況，為核反應(yīng)堆自主化設(shè)計與建設(shè)提供技術(shù)支持。
文檔編號G05B17/02GK103246205SQ20131017838
公開日2013年8月14日 申請日期2013年5月14日 優(yōu)先權(quán)日2013年5月14日
發(fā)明者曹學(xué)武, 佟立麗, 陳金波, 宮海光, 鄒杰 申請人:上海交通大學(xué)