高温气冷堆核电站机理模型降阶与控制研究

【摘要】：新型能源是解决当前能源枯竭和环境污染困境的重要手段,核能是一类发展成熟且有应用前景的新能源。HTR-PM球床模块式高温气冷堆核电站是第四代核电装置,有本质安全性,燃烧效率高。HTR-PM作为强非线性、大滞后对象,耦合程度高,机理模型复杂,计算时间长。本文针对HTR-PM机理模型的降阶与控制算法展开了一系列的研究。论文的主要内容包括:1.针对线性和非线性ODEs系统,分析了基于平衡截断的模型降阶方法。采用该方法对连续搅拌反应釜CSTRs系统进行降阶的结果表明:平衡变换后的全阶系统与原始模型间不存在误差,模型降阶前后的动态特性差异来源于平衡截断。该动态特性的差异可以通过改变经验格拉姆矩阵的权重得到改善。2.提出一种针对非线性微分代数方程(DAEs)的模型降阶算法。首先采用系统分解的方法,消去系统中的代数方程,将微分代数方程组(DAEs)转化为微分方程组(ODEs);然后采用平衡截断法对微分方程组ODEs进行降阶。该方法应用于高温气冷堆HTR-PM反应堆的机理模型,为了降低符号变量消元后ODEs的变量规模,提出了一种简化ODEs的方法。采用该方法进行模型降阶前后的动态特性比较,求解时间降低为原始系统的30%,动态特性几乎相同,验证了算法的有效性。3.针对HTR-PM蒸汽发生器的机理模型中代数变量远大于微分变量的特征,提出了一种事件矩阵的稀疏度分析方法。先对系统进行结构分解,将系统分解若干子系统,然后对代数方程进行简化。动态特性的仿真结果表明,蒸汽发生器机理模型的求解时间降低为原来的60%。4.建立了基于降阶机理模型的非线性控制算法,对HTR-PM进行大范围变负荷控制操作。对比本算法与理想NMPC控制器的精度,闭环情况下两者几乎有相同的精度。反应堆模型变负荷时,降阶系统比原始系统的平均求解时间下降为25%,核蒸汽供应系统NSSS的平均求解时间减少为原始系统的56.6%,且数值稳定性更高。最后,总结全文的主要工作,根据研究中的不足对未来工作进行了展望。