小型压水堆故障信息触发的基于预测自适应的控制方法研究

Under fault conditions, it is difficult to suppress the critical parameters of Small Pressurized Water Reactor (SPWR) using conventional control methodology. These parameters may depart from their normal operating ranges, and even exceed their safety limits to trigger the emergency shutdown system. To deal with this problem, a design concept of fault-induced control system based on predictive adaptive control is proposed. The results of the fault detection and diagnosis system are directly adopted to drive the control system. The capability of SPWR to accommodate disturbances is fully utilized to improve the control performance and overcome the difficulty in suppressing the deterioration of transients under fault conditions. The mathematical model of SPWR will be constructed. The optimization algorithm will be designed to optimize the critical parameters setpoints and to determine the stable operating point under fault conditions. Identify and determine the source and strength of the fault through the online monitoring on the key equipment or systems. Drive the control system based on predictive adaptive control to make sure the SPWR can swiftly and smoothly stabilize at a lower power level. The proposed innovative fault-induced control system can work with high efficiency and reliability, reduce the possibility of emergency shutdown and improve the availability, economic and safety. The proposed research is aimed at exploring control system design strategy combining the online fault detection and diagnosis technology and modern control theory, which is of high academic significance.

采用传统的控制方法，在故障工况下，小型压水堆控制性能差，系统关键参数可能会偏离正常运行范围，甚至超出安全限值导致紧急停堆。针对该问题，本研究提出故障信息触发的基于预测自适应的控制系统设计理念，利用故障检测与诊断系统的结果直接驱动控制系统，充分利用小型压水堆对扰动的缓冲能力，提高控制性能，克服现有控制系统在故障工况下难以限制瞬态恶化的难题。建立小型压水堆的数学模型，研究故障后系统关键参数设定值的优化算法，确定系统稳定运行状态。并通过对关键设备或系统的在线监测，识别和确定故障的来源和强度，触发基于预测自适应的控制系统，保证系统快速平稳地过渡到较低功率水平下的稳定状态。本研究提出的故障信息触发的新型控制系统，能高效可靠地工作，降低紧急停堆概率，提高系统的可用性、经济性和安全性。本项目旨在探索核电站在线故障检测与诊断方法和现代控制理论相结合的控制系统设计思路，具有重要的学术意义。

小型压水堆具有一体化设计、自然循环能力强、冷却剂装量大等特点，对系统内外扰动和故障有一定缓解能力，然而在传统的控制方法下，不能充分利用其设计上的优势，提高系统运行过程中的弹性，为此本项目提出了“小型压水堆故障信息触发的基于预测自适应的控制方法研究”，以提高故障工况下控制系统的性能。本项目建立了小型压水堆的热工水力模型，研究了直流蒸汽发生器在堵管时传热功率与系统关键运行参数之间的关系，确立了传热功率优化的算法；模拟了直流蒸汽发生器传热管破裂事故进程，分析了在有无控制系作用下小型压水堆参数与破口尺寸之间的响应关系，获得了对该事故进行诊断的方法；建立了自然循环和强迫循环两种类型小型压水堆的动态模型，分析了在不同扰动下系统的动态行为和动态特性，设计了基于PID控制器的控制系统；开发了耦合3KeyMaster和Matlab的压水堆控制系统设计与验证的仿真平台，研究了自适应控制方法。通过研究发现，小型压水堆在故障发生时，可利用控制系统的响应信息结合故障特征进行故障诊断，为控制方法的选择提供信息；故障工况下，可优化系统关键参数设定值，保证反应堆安全的基础上获得最大的功率；自适应控制方法具有限制关键参数波动的优势，避免在工况变化剧烈时触发停堆，提高可用性。本项目的成果为压水堆核电厂的自治控制研究提供了一定的参考和基础，具有一定的工程意义和科学应用价值。