双堆多机核动力系统快速变负荷协调运行机理和控制方法研究

The double-reactor and multi-turbine nuclear power system shows superior performance with respect to the conventional power when it is implemented in the naval ship or civil ship. The development of double-reactor and multi-turbine nuclear power ship is of great significance to the improvement of our national defense capability, the nuclear industry competitiveness and the research level of the high-tech fields. To master the coordinated operation mechanism and control method of the complex double-reactor and multi-turbine is the key to the safety, stability and flexible operation of the nuclear power system. Firstly, we will establish a simulation environment for the dynamic characteristic of double-reactor and multi-turbine nuclear power system based on the mechanism-based dynamic mathematical model and IMAGE. Simulation experiments and characteristic analysis under variable conditions will be carried out. The change rule of the main parameters as well as the coupling relationship among the parameters will be researched to obtain the law of dynamic energy transfer under a wide range of change conditions. Then, based on the combination of mechanism-based mathematical derivation and subspace identification, a control model of double-reactor and multi-turbine nuclear power system with ideal expression is put forward. Finally, according to the structural features and the operation requirements of the double-reactor and multi-turbine nuclear power system, we decomposes the large-scale rapid load regulation problem into three key issues which include pressure stability control, rapid load regulation and load switching control. A large-scale rapid load coordinated control method for the double-reactor and multi-turbine nuclear power system will be studied.

双堆多机核动力作为舰船动力具有极其优越的性能，对提升我国国防能力、核工业竞争力以及高尖端领域研究水平具有重要意义。掌握双堆多机复杂结构下的协调运行机理和控制方法，实现该类系统的大范围快速变负荷调节是其安全、稳定和机动运行的关键。项目首先通过基于机理的动态数学模型构建和基于IMAGE的仿真实现，建立双堆多机核动力系统动态特性模拟环境，并进行各主要变工况下的仿真实验和特性分析，研究该类系统各主要参数的动态变化规律与各参数间的动态耦合关系，获得大范围变工况下的能量动态迁移规律；然后研究基于机理的数学推导和子空间辨识结合的简化建模方法，构建具有理想表达形式的双堆多机核动力系统控制模型；最后，结合双堆多机核动力系统的结构特点和运行需求，将大范围快速变负荷调节问题分解为母管压力稳定控制、快速变负荷控制和变负荷切换控制三个关键问题进行研究，提出双堆多机核动力系统的大范围快速变负荷协调控制方法。

发展大型船用多堆多机核动力系统对我国的国防和国民经济极具战略性。相较于小型核动力系统，大型船用核动力系统的非线性、耦合性等特性更为明显，且其协调控制问题更为复杂。然而，目前对多堆多机核动力系统的动态特性认知不足，且现有的控制研究无法支撑多堆多机核动力系统的复杂协调运行尤其是快速变负荷协调运行。因此，本项目开展了双堆多机核动力系统动态建模、特性分析、协调运行机理和控制方法研究，深入分析了双堆多机核动力系统的动态特性，揭示了该类系统大范围变工况下的能量动态迁移规律和快速变负荷控制机理，提出了解决母管压力稳定控制、大范围快速变负荷协调控制问题的有效思路与途径。.项目首先建立了详细的双堆多机核动力系统全系统动态机理模型，并基于该模型对双堆多机核动力系统的动态及稳态特性进行了深入的分析和挖掘，揭示了双堆多机核动力系统大范围变工况条件下各主要参数的动态变化规律、各参数间的动态耦合关系及系统的非线性特性。项目在双堆多机核动力系统机理建模及特性分析方面的研究成果为多堆多机核动力系统的控制设计研究奠定了扎实基础。.项目针对双堆多机核动力系统低负荷段（单堆单机结构）设计的基于多线性预测模型集的模型预测控制器和非线性模型控制器较好地解决了系统在变负荷中的非线性控制问题。所获得的单堆单机核动力系统非线性简化模型可同时满足模型结构简单和精度高的要求，该模型可支撑基于模型的相关控制算法在核动力系统的发展和应用。针对单堆双机结构核动力系统设计的多变量模型预测控制器实现了各控制变量的协调动作，提高了控制系统的负荷跟踪能力。以热效率最高和㶲效率最高为目标设计的差异化智能算法在实现系统负荷优化分配的基础上，提升了系统的热经济性。所设计的基于扩增状态观测器的分散式模型预测控制系统有效地保证了双堆四机核动力系统母管压力的稳定。本项目研究为改善多堆多机核动力系统性能尤其是核动力舰船的机动性能提供了重要理论和方法支撑。