СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ РАБОЧИХ ПАРАМЕТРОВ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА И СООТВЕТСТВУЮЩИЙ ЯДЕРНЫЙ РЕАКТОР Российский патент 2023 года по МПК G21D3/08 

Настоящее изобретение касается регулирования рабочих параметров ядерного реактора.

Учитывая значительный вклад ядерной отрасли во французскую энергетику, массивное вовлечение источников возобновляемой энергии (ветроустановки и солнечные батареи) в систему электросети предполагает дополнительную потребность в гибкости производства энергии при помощи ядерных реакторов. Гибкость отражает способность электростанции к адаптации своего производства. Возобновляемые виды энергии отличаются своей прерывистостью во времени или в зависимости от погодных условий. В отсутствие системы хранения массы энергии это повышение гибкости все больше приводит к необходимости регулирования мощности, вырабатываемой традиционными генераторами, в том числе ядерными реакторами во Франции.

Кроме того, регулирование рабочих параметров ядерного реактора следует проводить с соблюдением очень строгих многоцелевых технических требований. В частности, системы регулирования должны минимизировать изменения рабочих параметров и минимизировать воздействия на приводы. В настоящее время системы регулирования ядерных реакторов основаны на применении ПИД-регуляторов. Они могут учитывать эти последние требования лишь в очень незначительной степени.

В этом контексте изобретение призвано предложить способ регулирования рабочих параметров ядерного реактора, обеспечивающий дополнительную гибкость и одновременное соблюдение очень строгих многоцелевых технических требований.

В связи с вышеизложенным, объектом изобретения является способ регулирования рабочих параметров ядерного реактора, причем эти рабочие параметры включают в себя по меньшей мере среднюю температуру активной зоны и осевой дисбаланс мощности, при этом способ содержит следующие этапы:

- получение текущего значения по меньшей мере одной входной величины;

- получение текущего значения вектора выходных величин, при этом выходные величины включают в себя по меньшей мере рабочие параметры;

- формирование контрольного значения вектора выходных величин с использованием текущего значения по меньшей мере одной входной величины;

- формирование вектора значений команд ядерного реактора при помощи супервизора, применяющего алгоритм опережающей коррекции, с использованием по меньшей мере указанного текущего значения указанной по меньшей мере одной входной величины и текущего значения вектора выходных величин;

- формирование корректирующих значений команд ядерного реактора при помощи регулятора, применяющего алгоритм управления с последовательными коэффициентами усиления, с использованием текущего значения вектора выходных величин и контрольного значения вектора выходных величин;

- формирование вектора скорректированных значений команд ядерного реактора с использованием вектора значений команд, сформированного супервизором, и вектора корректирующих значений команд, сформированного регулятором;

- регулирование рабочих параметров ядерного реактора путем управления приводами с использованием вектора скорректированных значений команд.

Способ регулирования может также иметь один или несколько нижеперечисленных отличительных признаков, рассматриваемых индивидуально или во всех возможных технических комбинациях:

- ядерный реактор содержит:

- бак;

- активную зону, содержащую множество ядерных топливных сборок и расположенную в баке;

- кластеры стержней управления реактивностью активной зоны и механизмы, выполненные с возможностью перемещать каждый кластер в направлении введения в активную зону или в направлении извлечения из активной зоны;

- первичный контур охлаждения активной зоны, в котором циркулирует первичный теплоноситель и который содержит холодную и горячую ветви, подсоединенные к баку, через которые первичный теплоноситель соответственно поступает в бак и выходит из бака;

- контур впрыска, выполненный с возможностью селективно впрыскивать в первичный теплоноситель нейтронный поглотитель или разбавитель без нейтронного поглотителя; при этом команды включают в себя по меньшей мере одну скорость перемещения кластеров управляющих стержней и по меньшей мере один расход впрыска нейтронного поглотителя или разбавителя;

- кластеры стержней перемещаются группами, при этом одна или несколько групп объединены в первом комплексе, при этом команды включают в себя по меньшей мере одну скорость перемещения группы или групп первого комплекса;

- другие группы объединены во втором комплексе, при этом, кроме скорости перемещения групп первого комплекса, команды включают в себя по меньшей мере одну скорость перемещения групп второго комплекса;

- группы первого комплекса перемещаются последовательно;

- первый комплекс содержит только одну группу;

- рабочие параметры дополнительно включают в себя положение введения групп первого комплекса;

- ядерный реактор содержит одну или несколько турбин, питаемых паром через первичный контур, при этом указанная по меньшей мере одна входная величина является мощностью, требуемой от турбины или турбин ядерного реактора;

- мощность, выдаваемая турбиной или турбинами ядерного реактора, включает в себя мощность, запрограммированную в соответствии с заранее определенной программой, например, заранее определенной для периода длительностью по меньшей мере в одни сутки, и возмущение мощности, при этом контрольное значение вектора выходных величин вырабатывают, используя только указанную запрограммированную мощность;

- кроме рабочих параметров, выходные величины включают в себя температуру первичного теплоносителя в горячей ветви и тепловую мощность активной зоны;

- алгоритм управления с последовательными коэффициентами усиления включает в себя множество линейных регуляторов, каждый из которых определяют для определенной рабочей точки ядерного реактора, при этом указанные рабочие точки предпочтительно распределены таким образом, чтобы охватывать диапазон мощности ядерного реактора в пределах от 25% до 100% от номинальной мощности ядерного реактора;

- каждая рабочая точка характеризуется определенным положением введения первого комплекса групп;

- каждый линейный регулятор выражается следующим образом:

u_К = Kp(s)y₁ + Ki(s)y₂ при у₁=у и у₂=z,

где Kр и Ki являются матрицами коэффициентов усиления, s является переменной Лапласа, у является вектором отклонения выходных величин между текущим значением вектора выходных величин и контрольным значением вектора выходных величин, z является вектором отклонения рабочих параметров между текущим значением вектора контролируемых рабочих параметров и контрольным значением вектора контролируемых рабочих параметров, и u_K является вектором корректирующих значений команд;

- способ содержит этап получения линейных регуляторов, включающий в себя для каждого линейного регулятора следующие подэтапы:

- выработку линеаризованной модели ядерного реактора посредством линеаризации нелинейной модели ядерного реактора в соответствующей рабочей точке, при этом линеаризованная модель связывает:

- вектор отклонения выходной данной и вектор отклонения рабочих параметров, с одной стороны, с

- по меньшей мере одним среди возмущения указанной по меньшей мере одной входной величины, возмущения вектора значений команд, возмущения вектора отклонения выходной данной и вектора корректирующих значений команд, с другой стороны;

при этом линеаризованная модель и линейный регулятор образуют систему с обратной связью для указанного положения введения;

- определение рабочих требований для ядерного реактора, соблюдаемых для заранее определенных возмущений указанной по меньшей мере одной входной величины или заранее определенных возмущений вектора значений команд или заранее определенных возмущений вектора отклонения выходной данной;

- перевод каждого рабочего требования в цифровое условие, соблюдаемое для функции перехода между:

- возмущением указанной по меньшей мере одной входной величины или возмущением вектора значений команд, или возмущением вектора отклонения выходной данной, с одной стороны, и

- либо отклонением между текущим значением одного из рабочих параметров и контрольным значением указанного рабочего параметра, либо отклонением между текущим значением одной из выходных величин и контрольным значением указанной выходной данной, либо одним из корректирующих значений команд, с другой стороны;

- определение коэффициентов усиления матриц коэффициентов усиления K_р и K_i, при этом указанные коэффициенты усиления определяют при помощи алгоритма оптимизации таким образом, чтобы стабилизировать по меньшей мере систему с обратной связью для соответствующей рабочей точки и соблюсти цифровые условия, соответствующие всем рабочим требованиям;

- для получения линейного регулятора учитывают одно или несколько из следующих рабочих требований:

- отклонение δT_m между текущим значением T_m и контрольным значением T_m,ref составляет от до ;

- отклонение δАО между текущим значением АО и контрольным значением АО_ref составляет от -ΔАО^max до ΔАО^max;

- скорость перемещения кластеров стержней ниже ;

- изменение концентрации нейтронного поглотителя ниже , при этом является скоростью повышения концентрации нейтронного поглотителя в первичном контуре в результате впрыска нейтронного поглотителя с расходом ; следует соблюдать по меньшей мере для одного возмущения, которое является ступенью мощности, требуемой от турбины или турбин, с ±Р% от номинальной мощности PN ядерного реактора, при этом Р составляет от 5 до 15%;

- указанное рабочее требование или указанные рабочие требования переводят в одно или несколько следующих цифровых условий:

- ≤ 1, где является функцией перехода между указанной ступенью мощности и δT_m, при , ΔP_max=P%.PN;

- ≤ 1, где является функцией перехода между указанной ступенью мощности и δАО, при , ΔP_max=P%.PN;

- ≤ 1, где является функцией перехода между указанной ступенью мощности и скоростью перемещения кластеров, при ;

- ≤ 1, где является функцией перехода между указанной ступенью мощности и изменением концентрации нейтронного поглотителя, при ;

- для получения линейного регулятора учитывают следующее рабочее требование:

- отклонение δP_bank между текущим значением P_bank и контрольным значением P_bank,ref составляет от до ; следует соблюдать по меньшей мере для одного возмущения, которое является ступенью мощности, требуемой от турбины или турбин, с ±Р% от номинальной мощности PN ядерного реактора, при этом Р составляет от 5 до 15%;

- указанное рабочее требование или указанные рабочие требования переводят в следующее цифровое условие:

- ≤ 1, где является функцией перехода между указанной ступенью мощности и δP_bank, при , ΔP_max=P%.PN;

- для получения линейного регулятора учитывают следующее рабочее требование:

- возмущение, которое является ступенью мощности, требуемой от турбины или турбин, с ±Р% от номинальной мощности PN ядерного реактора, при этом Р составляет от 5 до 15%, приводит к минимальному изменению рабочих параметров; при этом указанное требование переводят в следующее цифровое условие:

- min_K∈Ω, где K обозначает матрицы коэффициентов усиления K_р и K_i, Ω обозначает совокупность матриц коэффициентов усиления, стабилизирующих систему с обратной связью, является функцией перехода между указанной ступенью мощности и вектором отклонения рабочих параметров, W_z является матрицей заранее определенного частотного взвешивания;

- каждая линеаризованная модель учитывает задержку, связанную с впрыском нейтронного поглотителя, с использованием следующих уравнений:

; ;

где C_b является концентрацией нейтронного поглотителя в первичном контуре или каждом первичном контуре; u_Q является командой повышения концентрации нейтронного поглотителя в первичном контуре в результате команды впрыска нейтронного поглотителя с расходом Q_bor; является запаздывающей командой повышения концентрации нейтронного поглотителя в первичном контуре; s является переменной Лапласа; h является значением рассматриваемой задержки, как правило, составляющим от 100 до 500 секунд; n является целым числом, составляющим от 3 до 15;

- в определенной рабочей точке коэффициенты усиления матриц коэффициентов усиления K_р и K_i определяют при помощи алгоритма оптимизации таким образом, чтобы стабилизировать систему с обратной связью для указанной определенной рабочей точки и стабилизировать системы с обратной связью по меньшей мере для двух соседних определенных рабочих точек, одновременно стабилизируя цифровые условия, соответствующие всем рабочим требованиям;

- алгоритм опережающей коррекции супервизора использует указанную нелинейную модель ядерного реактора.

Вторым объектом изобретения является ядерный реактор, содержащий:

- активную зону и устройство регулирования рабочих параметров активной зоны причем эти рабочие параметры включают в себя по меньшей мере среднюю температуру активной зоны и осевой дисбаланс мощности, при этом ядерный реактор дополнительно содержит:

- орган считывания текущего значения по меньшей мере одной входной величины;

- орган считывания текущего значения вектора выходных величин, при этом выходные величины включают в себя по меньшей мере рабочие параметры;

- при этом устройство регулирования содержит:

- модуль формирования контрольного значения вектора выходных величин с использованием текущего значения по меньшей мере одной входной величины;

- супервизор, запрограммированный для формирования вектора значений команд ядерного реактора с применением алгоритма опережающей коррекции и с использованием по меньшей мере одного текущего значения указанной по меньшей мере одной входной величины и текущего значения вектора выходных величин;

- регулятор, запрограммированный для формирования вектора корректирующих значений команд ядерного реактора с применением алгоритма управления с последовательными коэффициентами усиления и с использованием текущего значения вектора выходных величин и контрольного значения вектора выходных величин;

- модуль формирования вектора скорректированных значений команд ядерного реактора с использованием вектора значений команд, сформированного супервизором, и вектора корректирующих значений команд, сформированного регулятором;

- модуль регулирования рабочих параметров ядерного реактора, управляющий приводами с использованием вектора (U) скорректированных значений команд.

Ядерный реактор может также иметь один или несколько нижеперечисленных отличительных признаков, рассматриваемых индивидуально или во всех возможных технических комбинациях:

- ядерный реактор содержит:

- бак;

- активную зону, содержащую множество ядерных топливных сборок и расположенную в баке;

- кластеры стержней управления реактивностью активной зоны и механизмы, выполненные с возможностью перемещать каждый кластер в направлении введения в активную зону или в направлении извлечения из активной зоны;

- первичный контур охлаждения активной зоны, в котором циркулирует первичный теплоноситель и который содержит холодную и горячую ветви, подсоединенные к баку, через которые первичный теплоноситель соответственно поступает в бак и выходит из бака;

- контур впрыска, выполненный с возможностью селективно впрыскивать в первичный теплоноситель нейтронный поглотитель или разбавитель без нейтронного поглотителя; при этом команды включают в себя по меньшей мере одну скорость перемещения кластеров управляющих стержней и по меньшей мере один расход впрыска нейтронного поглотителя или разбавителя;

- устройство регулирования выполнено с возможностью перемещать кластеры стержней группами, при этом одна или несколько групп объединены в первом комплексе, при этом команды включают в себя по меньшей мере одну скорость перемещения группы или групп первого комплекса;

- другие группы объединены во втором комплексе, при этом, кроме скорости перемещения групп первого комплекса, команды включают в себя по меньшей мере одну скорость перемещения групп второго комплекса;

- группы первого комплекса перемещаются последовательно;

- первый комплекс содержит только одну группу;

- рабочие параметры дополнительно включают в себя положение введения групп первого комплекса;

- ядерный реактор содержит одну или несколько турбин, питаемых паром через первичный контур, при этом указанная по меньшей мере одна входная величина является мощностью, требуемой от турбины или турбин ядерного реактора;

- мощность, выдаваемая турбиной или турбинами ядерного реактора, включает в себя мощность, запрограммированную в соответствии с заранее определенной программой, например, заранее определенной для периода длительностью по меньшей мере в одни сутки, и возмущение мощности, при этом контрольное значение вектора выходных величин вырабатывают, используя только указанную запрограммированную мощность;

- кроме рабочих параметров, выходные величины включают в себя температуру первичного теплоносителя в горячей ветви и тепловую мощность активной зоны;

- алгоритм управления с последовательными коэффициентами усиления включает в себя множество линейных регуляторов, каждый из которых определяют для определенной рабочей точки ядерного реактора, при этом указанные рабочие точки предпочтительно распределены таким образом, чтобы охватывать диапазон мощности ядерного реактора в пределах от 25% до 100% от номинальной мощности ядерного реактора;

- каждая рабочая точка характеризуется определенным положением введения первого комплекса групп;

- каждый линейный регулятор выражается следующим образом:

u_K = Kp(s)y₁ + Ki(s)y₂ при у₁=у и у₂=z,

где Kр и Ki являются матрицами коэффициентов усиления, s является переменной Лапласа, у является вектором отклонения выходных величин между текущим значением вектора выходных величин и контрольным значением вектора выходных величин, z является вектором отклонения рабочих параметров между текущим значением вектора контролируемых рабочих параметров и контрольным значением вектора контролируемых рабочих параметров, и u_K является вектором корректирующих значений команд.

Другие признаки и преимущества изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания, представленного в качестве не ограничительного примера, со ссылками на прилагаемые фигуры, на которых:

Фиг. 1 - схема заявленного способа регулирования.

Фиг. 2 - схематичный вид ядерного реактора, в котором можно применять способ, показанный на фиг. 1.

Фиг. 3 - схема цикла введения групп первого комплекса для варианта способа регулирования, адаптированного на основе режима Т.

Фиг. 4 схематично иллюстрирует различие между регулятором с последовательными коэффициентами усиления и супервизором.

Фиг. 5 - схема алгоритма управления с последовательными коэффициентами усиления.

Фиг. 6 - схема этапа получения линейных регуляторов алгоритма управления с последовательными коэффициентами усиления.

Фиг. 7 - графическое отображение ступенчатого сигнала возмущения, используемого для этапа получения линейных регуляторов, показанных на фиг. 6.

Фиг. 8 схематично иллюстрирует вариант выполнения, в котором линейные регуляторы определены по каждой зоне.

Фиг. 9 - схема супервизора.

Фиг. 10 - графическое отображение изменения мощности, требуемой от турбины, когда реактор работает в режиме регулирования частоты.

Фиг. 11 - графическое отображение характеристик, полученных только при помощи супервизора в случае работы, показанной на фиг. 10.

Фиг. 12-19 - графическое отображение результатов, полученных при помощи заявленного способа для мощности, требуемой от турбины и образующей переход 100%-60%-100% PN при 5% PN/мин.

Фиг. 20-26 - графическое отображение результатов, полученных при помощи заявленного способа для мощности, требуемой от турбины и образующей нисходящую ступень мощности 100%-90% PN.

Фиг. 27-33 - графическое отображение результатов, полученных при помощи заявленного способа для мощности, требуемой от турбины и образующей переход 100%-70% PN при 5% PN/мин с регулированием частоты.

Способ, схематично показанный на фиг. 1, предназначен для регулирования рабочих параметров ядерного реактора 1, схематично показанного на фиг. 2.

Ядерный реактор 1 содержит:

- корпус реактора 3;

- активную зону 5, содержащую множество ядерных топливных сборок и расположенную в корпусе реактора 3;

- кластеры 7 управления реактивностью активной зоны и механизмы 9, выполненные с возможностью перемещать каждый кластер 7 в направлении введения в активную зону 5 или в направлении извлечения из активной зоны 5;

- первый контур 10 охлаждения активной зоны 5, в котором циркулирует первичный теплоноситель и который содержит холодную и горячую ветви 11, 13, подсоединенные к корпусу реактора 3, через которые первичный теплоноситель соответственно поступает в корпус реактора 3 и выходит из корпуса реактора 3;

- контур 15 впрыска, выполненный с возможностью селективно вводить в первичный теплоноситель нейтронный поглотитель или разбавитель без нейтронного поглотителя.

Обычно нейтронным поглотителем является бор. Разбавителем обычно является вода.

Как правило, первый контур 10 содержит одну или несколько петель, каждая из которых имеет горячую ветвь и холодную ветвь.

Ядерный реактор 1 содержит одну или несколько турбин 17, питаемых паром с помощью первого контура 10.

Как правило, ядерный реактор 1 является водо-водяным ядерным реактором (PWR). Он содержит парогенератор 19 для каждой петли первого контура 10. Каждая петля соединяет в виде замкнутой системы корпус реактора 3 с первичной стороной соответствующего парогенератора 19. Кроме того, ядерный реактор 1 содержит второй контур 21, соединяющий в виде замкнутой системы вторую сторону парогенератора или каждого парогенератора 19 с соответствующей турбиной 17. Турбина 17 вращает генератор 23 переменного тока.

В качестве варианта, первичный теплоноситель напрямую может вращать каждую турбину.

Ядерный реактор 1 содержит также систему 25 регулирования рабочих параметров активной зоны, обычно называемую Core Control, то есть «Контроль активной зоны». Система 25 регулирования содержит, например, блок обработки данных, состоящий из процессора и связанной с процессором памяти (не показаны). В варианте система 25 регулирования выполнена в виде программируемых логических компонентов, таких как FGPA (от английского Field-Programmable Gate Array), или в виде специальных интегральных схем, таких как ASIC (от английского Application-Specific Integrated Circuit).

Система 25 регулирования выполнена с возможностью перемещать кластеры 7 на основе функциональных групп. Кластеры одной и той же группы перемещаются вместе и всегда находятся в одинаковом положении введения.

Предпочтительно группы составляют один комплекс или распределены в несколько комплексов. Распределение групп и их использование зависят от способа управления ядерным реактором.

В некоторых способах управления в первом комплексе объединены несколько групп.

В этом случае группы первого комплекса обычно перемещаются последовательно. Это значит, что их вводят друг за другом с перекрыванием, которое определяют заранее, что будет описано ниже. В варианте перекрывание может меняться.

Согласно варианту выполнения изобретения, все группы первого комплекса перемещаются одновременно. Это значит, что они всегда находятся в одинаковом положении введения и перемещаются вместе.

В других способах управления первый комплекс содержит только одну группу.

В некоторых способах управления другие группы объединены во втором комплексе.

В этом случае группы второго комплекса обычно перемещаются вместе.

В других способах управления все группы объединены в первом комплексе, и второго комплекса не существует.

В других способах управления некоторые группы объединены в третий комплекс, предусмотренный дополнительно к первому и второму комплексам.

Во всех случаях система регулирования перемещает группы одного комплекса согласованно (последовательно, одновременно и т.д.). Система регулирования перемещает группы комплекса или каждого комплекса, чтобы управлять работой реактора, в частности, чтобы регулировать рабочие параметры.

Ниже следует подробное описание нескольких примеров управления, основанных соответственно на режимах Т, G и А.

В способе управления, основанном на режиме Т, адаптированном для реактора EPR (European Pressurized Reactor - Европейский реактор с водой под давлением), группы распределены в два комплекса:

- первый комплекс, называемый Pbank;

- второй комплекс, называемый Hbank.

Первый комплекс предназначен для контроля средней температуры Tm. Второй комплекс Hbank предназначен для контроля аксиального офсета (АО).

Первый и второй комплексы могут иметь изменяющийся состав, что будет пояснено ниже.

Например, кластеры 7 управляющих стержней объединены в 5 групп Р1-Р5.

Как показано на фиг. 3, группы Р1-Р5 образуют комплексы Pbank и Hbank следующим образом:

- при 100% номинальной мощности (NP) реактора Pbank состоит из Р1, а Hbank состоит из Р2-Р5. Pbank введен немного глубже, чем Hbank.

- Когда мощность уменьшается до 85%NР, Pbank опускают таким образом, чтобы регулировать среднюю температуру по ее контрольному значению. Понижение мощности приводит к изменению АО, который регулируется с помощью комплекса Hbank.

- Мощность продолжает понижаться. Когда расстояние между Р1 и Р2 становится равным максимальному промежутку между двумя группами кластеров (половина высоты активной зоны), Р2 отсоединяется от группы Hbank и переходит в группу Pbank. При этом она опускается вместе с Р1.

- Когда мощность продолжает понижаться, Pbank продолжает опускаться. Когда максимальное расстояние между Р2 и Р3 оказывается достигнутым, Р3 переходит в Pbank и опускается, и так далее с Р4.

Последовательность будет такой же, если кластеры управляющих стержней будут объединены в другое число групп.

Таким образом, группы первого комплекса Pbank перемещаются последовательно. Группы второго комплекса Hbank перемещаются вместе.

Под положением первого комплекса Pbank в данном случае следует понимать совокупное положение групп, принадлежащих к первому комплексу. Это положение обозначено P_bank.

Например, положение P_bank вычисляют при помощи следующего уравнения:

P_bank = min(P₄,214) + min (P₃,214) + min(P₂,214) + P₁,

где Р₁, Р₂, Р₃ и Р₄ обозначают соответственно положения групп Р1-Р4. Значение 214 выбирают для положения групп кластеров в середине активной зоны. Положение выражают в виде количества шагов извлечения, начиная от положения максимального введения групп.

В данном случае под положением второго комплекса Hbank следует понимать положение группы Р5, которая никогда не входит в первый комплекс Pbank.

Во втором способе управления, основанном на режиме G, группы распределены в два комплекса:

- первый комплекс содержит только одну группу R, образованную черными кластерами, то есть кластерами из стержней с очень высокой степенью поглощения;

- второй комплекс, называемый GCP или группой компенсации мощности, образован группами G1 и G2 (G обозначает серые кластеры) и группами N1 и N2 (N обозначает черные кластеры). Серые кластеры являются менее поглощающими, чем черные кластеры.

Группы этого второго комплекса вводят последовательно. Предпочтительно их вводят в зависимости от требующейся электрической мощности, обеспечиваемой турбиной.

В этом втором способе управления предпочтительно АО контролируют в основном посредством ввода нейтронного поглотителя или разбавителя.

В третьем способе управления, основанном на режиме А, все функциональные группы объединены в первом комплексе, в данном случае обозначаемом аббревиатурой DCBA.

Обычно он состоит из четырех групп А, В, С и D, которые вводят последовательно, как Pbank.

Первый комплекс предназначен для контроля средней температуры T_m.

В этом третьем способе управления предпочтительно АО контролируют в основном посредством ввода нейтронного поглотителя или разбавителя.

Контролируемые рабочие параметры включают в себя по меньшей мере среднюю температуру Tm активной зоны и аксиальный офсет нейтронной мощности АО.

Среднюю температуру T_m активной зоны в данном случае определяют как среднее значение между Т_f и T_c, при этом T_f и Т_с являются значениями температуры первичного теплоносителя на выходе активной зоны 3 и на входе активной зоны 3, то есть в горячей и холодной ветвях 13 и 11.

Когда первый контур содержит несколько петель, то рассматривают, например, среднее значение температур горячих и холодных ветвей этих первых контуров.

Аксиальный офсет нейтронной мощности АО выражается в виде следующего отношения:

АО = (FH - FB)/(FH+FB),

где FH и FB являются нейтронными потоками соответственно в верхней и нижней частях активной зоны.

Предпочтительно контролируемые рабочие параметры дополнительно включают в себя положение P_bank групп первого комплекса.

Этот случай является типичным по меньшей мере для первого способа управления реактором.

Это соответствует контролю рабочего параметра Pmax, то есть максимальной мощности, которая может быть достигнута посредством быстрого извлечения групп в их положение максимального извлечения.

В действительности, предпочтительно параметр Pmax выражается в контрольном положении группы Pbank, которое позволяет скомпенсировать недостаток мощности. Таким образом, контроль Pmax представляет собой контроль положения группы Pbank в соответствии с определенным профилем введения, определяемым в зависимости от мощности активной зоны и от мощности, к которой оператор хотел бы иметь возможность возврата. Например, Pmax со значением 100%PN означает, что положение группы Pbank позволяет вернуться к 100%PN только посредством ее извлечения.

Для второго и третьего способов управления реактором положение P_bank групп первого комплекса обычно не входит в контролируемые рабочие параметры. Они включают в себя только T_m и АО.

Способ регулирования учитывает по меньшей мере одну входную величину и несколько выходных величин, как показано на фиг. 1.

Входную величину определяют как расчетную траекторию, либо как дополнительное требование или изменение требования, применяемое к способу регулирования.

Указанная по меньшей мере одна входная величина, как правило, является требуемой мощностью, которую должна вырабатывать турбина или турбины ядерного реактора.

Как правило, мощность, выдаваемая турбиной или турбинами 17 ядерного реактора, включает в себя две составляющие: запрограммированную мощность D_U в соответствии с заранее определенной программой и возмущение dp мощности. Например, запрограммированную мощность определяют для периода по меньшей мере в одни сутки. Возмущение мощности соответствует, например: регулированию, выполненному в работе первого контура или в работе второго контура; ступени резервной нагрузки и т.д.

Согласно варианту осуществления изобретения, под мощностью, требуемой от турбины или турбин ядерного реактора, следует понимать запрограммированную мощность D_U.

Согласно другому варианту осуществления изобретения, под мощностью, требуемой от турбины или турбин ядерного реактора, следует понимать вырабатываемую мощность D_P, где D_P=D_U + dp.

Указанная по меньшей мере одна входная величина в варианте осуществления изобретения включает в себя одну или несколько нижеперечисленных входных величин, в дополнение или вместо требуемой мощности турбины или турбин:

- запрограммированное максимальное введение группы Pbank;

- расширение допустимой области изменения физического параметра, такого как средняя температура активной зоны или аксиальный офсет мощности АО;

- ухудшение характеристик приводов (скорость введения управляющих групп, расход впрыска бора или дистиллированной воды).

Этот список не является ограничительным.

Предпочтительно, кроме рабочих параметров, выходные величины включают в себя температуру Т_с первичного теплоносителя в горячей ветви 13 и тепловую мощность Pk активной зоны.

Для обеспечения регулирования ядерный реактор 1 содержит:

- блок 27 сбора данных текущего значения указанной по меньшей мере одной входной величины;

- блок 29 сбора данных текущего значения вектора выходных величин.

Ядерный реактор 1 содержит систему управления, оснащенную набором датчиков, позволяющих получать текущие значения следующих величин: Т_с, T_f, АО, мощности P_k активной зоны и P_bank.

Система управления может также выдавать D_U и оснащена датчиками, позволяющими получать D_P.

Блок 27 сбора данных выполнен с возможностью получать текущее значение мощности, требуемой от турбины или турбин, непосредственно от системы управления.

Блок 29 сбора данных выполнен с возможностью получать непосредственно от системы управления текущие значения некоторых выходных величин, в частности, Т_с, АО, Р_К и P_bank. Блок 29 сбора данных выполнен с возможностью вычислять текущие значения других выходных величин на основании значений, выдаваемых системой управления, в частности, Tm.

Блоки 27 и 29 сбора данных являются, например, модулями системы 25 регулирования или напрямую обслуживают систему 25 регулирования.

В рамках способа регулирования рабочие параметры регулируют посредством подачи команд на приводы.

Предпочтительно эти команды включают в себя по меньшей мере одну скорость V_barres перемещения кластеров управляющих стержней и по меньшей мере один расход впрыска нейтронного поглотителя или разбавителя.

В некоторых способах управления (например, в первом способе управления) указанная по меньшей мере одна скорость V_barres перемещения обычно включает в себя скорость перемещения групп первого комплекса Pbank и скорость перемещения групп второго комплекса Hbank.

Эти скорости соответствуют производным во времени определенного выше положения первого комплекса Pbank и определенного выше положения второго комплекса Hbank.

Эти скорости обозначаются соответственно vP_bank и vH_bank.

В других способах управления (например, во втором и третьем способах управления) указанная по меньшей мере одна скорость V_barres перемещения кластеров управляющих стержней, как правило, соответствует скорости перемещения групп первого комплекса.

Расход впрыска нейтронного поглотителя или разбавителя обычно выражают в виде степени изменения концентрации нейтронного поглотителя в первичном теплоносителе, обозначаемой u_Q. В других случаях ее выражают в виде массового расхода впрыска в первичный теплоноситель и обозначают Q_bor или Q_dil.

Команды вырабатываются системой 25 регулирования, которая передает их на приводы. Приводы представляют собой механизмы 9 приведения в движение кластеров стержней и контур 15 впрыска нейтронного поглотителя или разбавителя.

Способ регулирования разработан таким образом, чтобы соблюдать требования технической инструкции, то есть выполнять множество задач. Эти требования будут описаны ниже только для первого способа управления.

Система Core Control ограничена в своей работе допустимой рабочей областью, в которой необходимо поддерживать отклонения рабочих параметров по отношению к их контрольным значениям. Эта область определена операционными границами работы (Limiting Condition Operation - LCO), то есть верхними и нижними пределами для каждого контролируемого рабочего параметра (а именно T_m, АО и P_bank) относительно их контрольных значений.

Эти контрольные значения определены как:

T_m,ref контрольное значение средней температуры

AO_ref контрольное значение АО

P_bank,ref контрольное значение положения группы Pbank.

Отклонение контролируемых параметров относительно их контрольных значений:

ΔT_m отклонение средней температуры относительно ее контрольного значения

ΔAO отклонение АО относительно его контрольного значения

Δ P_bank отклонение положения Pbank относительно его контрольного значения.

При этом определяют следующие пределы области работы:

Типичными значениями для этих параметров, например, являются:

Система Core Control должна обеспечивать соблюдение реактором требований гибкости, например, таких как:

Адаптация к изменению суточного запроса (мониторинг нагрузки)

Переходы нагрузки: ±5%/мин PN между 25% и 100% PN

Адаптация к изменению запроса в реальном времени (регулирование частоты):

Первичная: ±5% PN при 1%/с

Вторичная: ±5% PN при 1%/мин

Адаптация к возмущениям сети (оборотный резерв)

Ступень: ±10% PN между 30% и 100% PN.

Задачей системы Core Control является удержание контролируемых выходных величин в вышеуказанной допустимой рабочей области при любых вышеуказанных изменениях мощности.

Допустимые максимальные воздействия определены следующим образом:

Насыщение кластеров управляющих стержней в положениях:

Минимальное положение: = 0 шагов извлечения

Максимальное положение: = 410 шагов извлечения

Минимальная скорость: = 4 шага/мин

Максимальная скорость: = 75 шагов/мин

Максимальные и минимальные расходы впрыска нейтронного поглотителя/разбавителя:

Минимальный расход нейтронного поглотителя: = 1 кг/с

Максимальный расход нейтронного поглотителя: = 3 кг/с

Минимальный расход разбавителя: = 1 кг/с

Максимальный расход разбавителя: = 10 кг/с

Минимальная концентрация: = 0 частей на миллион

Регулятор должен иметь гарантии надежности:

Минимальный запас модуля: M_m = 0.5.

Контрольные значения контролируемых выходных величин зависят от работы активной зоны. Их определяют следующим образом:

Контрольная температура T_m,ref является функцией мощности ядерного реактора. Ее считывают непосредственно на заранее определенной кривой в зависимости от мощности, требуемой от турбины или турбин. В данном случае рассматриваем как текущее значение указанной по меньшей мере одной входной величины.

Контрольный аксиальный офсет мощности AO_ref периодически обновляют, например, каждый месяц, чтобы учитывать истощение активной зоны. Его вводит напрямую оператор ядерного реактора, и он считается постоянным между двумя обновлениями.

Контрольное положение P_bank,ref комплекса Pbank является функцией мощности ядерного реактора. Его считывают непосредственно по заранее определенной кривой в зависимости от мощности, требуемой от турбины или турбин. Это контрольное положение приводится в виде суммарного положения.

Далее следует подробное описание способа регулирования рабочих параметров для первого способа управления.

Этот способ предусмотрен таким образом, чтобы учитывать специфику управления активной зоной ядерного реактора.

Реактор имеет разнородные, то есть одновременно медленные и быстрые характеристики динамики. Динамика, связанная с ксеноном, является очень медленной (порядка часа), тогда как динамика, связанная с мощностью и температурой является быстрой (порядка десятка секунд).

Во всей рабочей области поведение активной зоны является исключительно нелинейным, в основном по причине введения групп кластеров стержней в активную зону. Влияние групп кластеров стержней на различные контролируемые рабочие параметры сильно меняется между максимальной мощностью (100%PN) и промежуточной мощностью (например, 60%PN). В некоторых зонах активной зоны наблюдается также изменение действия приводов на обратное.

Привод нейтронного поглотителя, рассматриваемый в задаче управления, имеет большую задержку: 300 секунд. Хотя система, которую необходимо контролировать, является относительно медленной (общий порядок величины: 10 секунд), задержка этой продолжительности является определяющей для регулирования.

Вышеупомянутые технические требования включают в себя большое число требований, в том числе требования по времени, которые часто трудно учитывать при применении традиционных методов управления.

В настоящее время каждая установка для производства электроэнергии получает ежедневную программу изменения нагрузки. Следовательно, эта программа известна заранее. Однако в настоящее время этот сигнал не используют для прогнозирования будущих команд. В рамках настоящего способа управления можно рассматривать будущие изменения этого сигнала для формирования команды.

Чтобы противостоять вышеуказанным трудностям, в рамках способа регулирования применяют иерархическую стратегию управления.

Способ содержит следующие этапы:

- получение текущего значения D_U, D_P по меньшей мере одной входной величины;

- получение текущего значения Y вектора выходных величин;

- формирование контрольного значения Y_ref вектора выходных величин с использованием текущего значения D_U, D_P указанной по меньшей мере одной входной величины;

- формирование вектора U_S значений команд ядерного реактора при помощи супервизора 31, применяющего алгоритм опережающей коррекции, с использованием по меньшей мере указанного текущего значения D_U, D_P указанной по меньшей мере одной входной величины и текущего значения Y вектора выходных величин;

- формирование вектора u_K корректирующих значений команд ядерного реактора при помощи регулятора 33, применяющего алгоритм управления с последовательными коэффициентами усиления, с использованием текущего значения Y вектора выходных величин и контрольного значения Y_ref вектора выходных величин;

- формирование вектора U скорректированных значений команд ядерного реактора с использованием вектора U_S значений команд, сформированного супервизором 31, и вектора u_K корректирующих значений команд, сформированного регулятором 33;

- регулирование рабочих параметров ядерного реактора путем управления приводами с использованием вектора u_K скорректированных значений команд.

Как было указано выше, указанная по меньшей мере одна входная величина обычно является мощностью, требуемой от турбины или турбин. Она обычно соответствует запрограммированной мощности D_u, получаемой, например, из заранее известной программы мониторинга нагрузки.

Альтернативно, речь идет о реальной мощности турбины, в данном случае обозначенной D_P, получаемой при помощи следующего уравнения: D_P = D_u + d_p.

Указанная по меньшей мере одна входная величина в варианте включает в себя одну или несколько из перечисленных выше входных величин в дополнение или вместо мощности, требуемой от турбины или турбин.

Предпочтительно контрольное значение Y_ref вектора выходных величин определяют только на основании запрограммированной мощности D_u. Следовательно, контрольные значения Y_ref не изменяются при изменениях мощности, которые считаются случайными, то есть зависят от d_p.

Контрольное значение Y_ref вектора выходных величин является следующим:

Y_ref = (T_c,ref T_m,ref AO_ref P_bank,ref)^T

T_c,ref является контрольной температурой горячей ветви. Ее считывают на заранее определенной кривой, получая напрямую T_c,ref в зависимости от текущего значения по меньшей мере одной входной величины.

T_m,ref , AO_ref и P_bank,ref определяют, как было описано выше.

является контрольной мощностью активной зоны. Ее считают равной мощности, требуемой от турбины или турбин.

Вектор U скорректированных команд, то есть команд, подаваемых на приводы, получают путем сложения вектора U_S значений команд, сформированного супервизором 31, и вектора u_K корректирующих значений команд, сформированного регулятором 33: U = U_S + u_K.

Текущее значение Y вектора выходных величин является следующим:

Y = (T_c T_m AO P_K P_bank)^T

Y получают, как было описано выше.

Супервизор 31 рассматривает на входе вектор у, который определяют как отклонение между текущим значением Y вектора выходных величин и контрольным значением Y_ref вектора выходных величин:

y = Y - Y_ref, при y = (δT_c δT_m δAO δP_K δP_bank)^T

Регулятор 33 с последовательными коэффициентами усиления выполняет следующие задачи, позволяющие:

- Обеспечивать тщательный контроль системы, априори обеспечивая хорошие характеристики вокруг каждой рабочей точки, в частности, для устранения возмущений, связанных с регулированием частоты.

- Контролировать реактор во всей области работы, благодаря адаптации коэффициентов усиления, образующих эту область, по ходу работы.

- Гарантировать надежность (многоцелевой подход) локально вокруг рабочих точек.

- Учитывать большое число требований управления, указанных в технической инструкции.

Однако для систем, характеризующихся значительной нелинейностью, как в данном случае, регулятор с последовательными коэффициентами усиления может иметь посредственную эффективность. Действительно, его синтезируют в каждой рабочей точке на основе линеаризованной модели. Однако использование линеаризованной модели может в недостаточной степени отражать общую нелинейную модель. Недостатком является то, что траектории, рассматриваемые этим регулятором, могут проходить далеко от оптимальной траектории общего поведения. На фиг. 4 приведено сравнение траектории, проходимой регулятором с последовательными коэффициентами усиления, с траекторией, рассматриваемой алгоритмом опережающей коррекции (сплошная линия). Здесь показано, что регулятор с последовательными коэффициентами усиления не учитывает общие требования для мониторинга траекторий, как это происходит при управлении с опережающей коррекцией.

Регулятор с последовательными коэффициентами усиления является структурированным регулятором, предпочтительно многовариантного типа PI.

Предпочтительно задание последовательности для регулятора отталкивается от положения первого комплекса Pbank. Иначе говоря, регулятор 31 включает в себя набор линейных регуляторов, каждый из которых определяют для заранее определенной рабочей точки, то есть для заранее определенного положения введения первого комплекса Pbank.

Модель ядерного реактора, используемая для синтезирования линейных регуляторов, называемых также LTI (Linear Time Invariant - линейными с постоянными параметрами), является нелинейной моделью точки, линеаризуемой вокруг заранее определенных рабочих точек. Она не моделирует ксенон. Действительно, поскольку ксенон является очень медленным относительно изменений других состояний, в задачу многоцелевого регулятора не входит его упреждение, и эту задачу выполняет супервизор.

Кроме того, ее синтезируют на всех локальных регуляторах LTI. Следовательно, она не обладает хорошей репрезентативностью нелинейной модели при больших амплитудах изменений мощности (то есть изменений нагрузки).

Супервизор 31 применяет алгоритм опережающей коррекции, используя такую же нелинейную модель точки реактора, которую используют для синтезирования линейных регуляторов регулятора 33. Этот метод управления обеспечивает выполнение большого числа упомянутых выше задач:

- Он сочетает в себе одновременно способность контроля системы при любых динамиках (медленных: ксенон, и/или быстрых: температура), используя потенциально нелинейную модель системы.

- Он позволяет учитывать задержки, причем даже значительные, в частности, впрыск нейтронного поглотителя.

- Кроме того, зная заранее программу мониторинга нагрузки D_U, он упреждает поведение, вычисляя оптимальные траектории с учетом программы.

- Наконец, траектории регулятора будут оптимизированными для общего поведения системы, а не локально, как в случае использования только регулятора с последовательными коэффициентами усиления.

Однако как любой нелинейный алгоритм опережающей коррекции с конечным горизонтом:

- Он не обеспечивает гарантий надежности.

- Он вычисляет фиксированные команды на определенном горизонте времени, называемом «шагом дискретизации». В зависимости от имеющихся вычислительных мощностей, от горизонта прогнозирования и от сложности используемой модели этот шаг дискретизации может быть большим. В этом случае супервизор не сможет адаптировать свои команды для устранения возможных непредвиденных возмущений. Действительно, если эти возмущения являются более быстрыми, чем шаг дискретизации, супервизор, имеющий фиксированные команды на этом шаге, не сможет адаптировать свои команды достаточно быстро, чтобы устранить возмущения. В данном случае проблему могут создавать изменения мощности, связанные с регулированием частоты. Действительно, эти изменения является случайными и быстрыми.

Таким образом, главной идеей изобретения является объединение алгоритма опережающей коррекции и многоцелевого регулятора с последовательными коэффициентами усиления. Преимущества одного позволяют по меньшей мере частично компенсировать слабости другого, что наглядно показано в таблице ниже.

Таким образом, алгоритм управления с последовательными коэффициентами усиления регулятора 33 включает в себя множество линейных регуляторов, каждый из которых определен для определенной рабочей точки ядерного реактора.

Указанные рабочие точки распределены таким образом, чтобы охватывать диапазон мощности ядерного реактора от 25% до 100% номинальной мощности ядерного реактора.

В первом варианте управления каждая рабочая точка характеризуется определенным положением введения P_bank первого комплекса групп, как правило, характеризующегося исключительно положением P_bank.

В варианте каждая рабочая точка характеризуется одним или несколькими нижеследующими физическими параметрами в дополнение или вместо определенного положения введения P_bank первого комплекса групп:

- уровень мощности реактора;

- положение введения группы Hbank;

- концентрация бора;

- температура первичного теплоносителя на входе и на выходе активной зоны;

- расход первичного теплоносителя.

В данном примере каждый линейный регулятор имеет следующий вид, как показано на фиг. 5:

u_K = K(s).y = Kp(s)y₁ + Ki(s)y₂ при y₁=y и y₂=z,

где K_р и K_i являются матрицами коэффициентов усиления, s является переменной Лапласа, у является вектором отклонения выходного значения между текущим значением Y вектора выходных величин и контрольным значением Y_ref вектора выходных величин, z является вектором отклонения рабочих параметров между текущим значением вектора контролируемых рабочих параметров и контрольным значением вектора контролируемых рабочих параметров, и u_K является вектором корректирующих значений команд.

Различные векторы имеют следующий вид:

Таким образом, матрицы K_р и K_i определяют следующим образом:

и

Способ содержит этап получения линейных регуляторов, включающий в себя для каждого линейного регулятора следующие подэтапы:

- формирование линеаризованной модели ядерного реактора посредством линеаризации нелинейной модели ядерного реактора в соответствующей рабочей точке, при этом линеаризованная модель связывает:

- вектор у отклонения выходной данной и вектор z отклонения рабочих параметров, с одной стороны, с

- по меньшей мере одной из следующих величин: возмущение d_p указанной по меньшей мере одной входной величины, возмущение d_U вектора скорректированных значений команд, возмущение dy вектора у отклонения выходной величины и вектора u_K корректирующих значений команд, с другой стороны;

при этом линеаризованная модель и линейный регулятор образуют систему с обратной связью для указанного положения введения (показана на фиг. 6);

- определение требований к работе ядерного реактора, соблюдаемых для заранее определенных возмущений dp указанной по меньшей мере одной входной величины или заранее определенных возмущений dU вектора U скорректированных значений команд, или заранее определенных возмущений dy вектора y отклонения выходной данной;

- перевод каждого рабочего требования в цифровое условие, соблюдаемое для функции перехода между:

- возмущением dp указанной по меньшей мере одной входной величины D_U или возмущением dU вектора U скорректированных значений команд, или возмущением dy вектора y отклонения выходной данной, с одной стороны, и

- либо отклонением между текущим значением одного из рабочих параметров и контрольным значением указанного рабочего параметра, либо отклонением между текущим значением одной из выходных величин и контрольным значением указанной выходной данной, либо одним из корректирующих значений команд, с другой стороны;

- определение коэффициентов усиления матриц коэффициентов усиления K_р и K_i, при этом указанные коэффициенты усиления определяют при помощи алгоритма оптимизации таким образом, чтобы стабилизировать по меньшей мере систему с обратной связью для соответствующего положения введения и соблюсти цифровые условия, соответствующие всем рабочим требованиям.

Как правило, алгоритм оптимизации не является гладким.

Нелинейная модель ядерного реактора является следующей:

где

и

Задержка на нейтронном поглотителе выражается следующим отношением:

= u_Q(t-h_bore), где h_bore является постоянной задержки.

τ_AO Постоянная времени АО

τ_bc Постоянная времени горячей ветви

τ_bf Постоянная времени холодной ветви

τ_co Постоянная времени активной зоны

τ_GV Постоянная времени GV

c Концентрация первичных частиц в активной зоне

C_b Концентрация бора

C_p Массовая теплоемкость воды первичного контура

K_n Коэффициент преобразования мощности

n Плотность нейтронов в активной зоне

Q_p Расход воды первичного контура

Температура горячей ветви на уровне GV

Температура холодной ветви на уровне GV

Запаздывающая команда для бора

ρ Реактивность

K_dop K_c K_f K_P K_H K_CB являются коэффициентами, которые меняются в зависимости от состояния активной зоны и приводят к нелинейностям.

Линеаризацию осуществляют при помощи любого соответствующего метода, например, производя разложение в ряд Тейлора уравнений, содержащих нелинейности вокруг рассматриваемых рабочих точек.

Модель, линеаризованная вокруг рабочей точки, имеет следующий вид:

)

с коэффициентами, выделенными жирным шрифтом, в каждой рабочей точке. Эти уравнения образуют модель G_LPV, показанную на фиг. 6.

Задержку впрыска нейтронного поглотителя аппроксимируют при помощи аппроксиманта Лагерра и определяют следующим образом:

= R_B(s).u_Q при R_B(s) = , где s является переменной Лапласа; h является значением задержки; n является целым числом. Обычно h составляет от 100 до 500 секунд, предпочтительно от 200 до 400 секунд и, например, равно 300 секунд. n обычно составляет от 3 до 15, и, например, его выбирают равным 9.

В комбинации с моделью G_LPV эти уравнения образуют модель G_R, показанную на фиг. 6, то есть линеаризованную модель ядерного реактора в рассматриваемой рабочей точке.

Модель G_LPV можно выразить следующим образом:

где

где состояние х определяют как x = (T_c T_f AO ρ_dop n c P_bank H_bank C_b),

вектор u входных величин определяют как u = (vP_bank vH_bank u_Q)^T ,

вектор d возмущений определяют как d = P_turb.

Возмущения и необходимые для соблюдения требования входят в вышеуказанные технические требования.

Перевод рабочих требований в цифровые условия, используемые для определения матриц коэффициентов усиления, требует перевода временного требования в частотное требование. Для этого определяют аппроксимант максимальной амплитуды выходного сигнала у переходной функции в ответ на известное воздействие. Затем используют норму Н_∞ перехода , характеризующую его наихудший коэффициент усиления. На основании этого коэффициента усиления характеризуют максимальную амплитуду выходного сигнала в зависимости от амплитуды сигнала прямоугольной формы для определенного стабилизированного исходного состояния.

Обычно учет временных критериев является сложной проблемой для задачи управления. В данном случае это является основным требованием задачи управления. Техническая инструкция определяет некоторые временные требования, которые следует соблюдать. Например, при любом сценарии средняя температура не должна превышать 1.5°С, то есть

В рамках изобретения характеризуют максимальный выход за пределы некоторых параметров при известном воздействии с учетом стабилизированного исходного состояния. Возможные воздействия приведены в технической инструкции: переходы с 5%PN/мин, регулирование частоты или ступень мощности до 10%PN. В соответствии с экспертизой фирмы «Фраматом» наихудший сценарий (в наибольшей степени влияющий на регулирование) представляет собой ступень мощности, требуемой от турбины или турбин, в значении ±Р% номинальной мощности PN ядерного реактора, при этом Р составляет от 5 до 15%, например, Р равно 10%.

В данном случае выдвигается предположение, что, если система с обратной связью соблюдает технические требования по сценарию: ступень мощности Р%PN, то она соблюдает задачи управления во всех рассматриваемых случаях.

Рассмотрим сигнал возбуждения d_P%, отображающий наихудший случай (ступень Р%). Аппроксимируем этот сигнал при помощи сигнала прямоугольной формы с периодом Т и амплитудой ΔP_max = P%PN, который в достаточной степени характеризует строб-импульс. Такой сигнал показан на фиг. 7 для ступени мощности в 10%PN при Т =100 секунд.

Разложим сигнал d_P% на ряд Фурье и обозначим его s. Получаем известный результат для следующего строб-импульса:

s

где w= , и ΔP_max является амплитудой сигнала. Для упрощения ограничим исследование тремя первыми гармониками сигнала, которые предположительно являются достаточно репрезентативными. Пусть s будет разложением Фурье на третьей гармонике. В этом случае получаем:

Если принять исходное состояние за нулевое (y(t=0)=0), амплитуда выходного сигнала s равна сумме амплитуд гармоник, умноженных на коэффициент усиления перехода, оцененный при импульсе каждой гармоники.

Максимальное усиление входного сигнала s при помощи переходной функции в худшем случае дает хороший аппроксимант максимальной амплитуды y_max выходного сигнала у. При этом получаем:

× s_max ~ y_max

где s_max является максимальной амплитудой s. Однако, поскольку s является разложением сигнала d_P% на ряд Фурье, то s~d_P%, и следовательно, . Поскольку необходимо получить D_max, при котором y_max ≤ D_max, то:

× ΔP_max ≤ D_max

Это уравнение используют в дальнейшем для выражения различных критериев Н_∞, отображающих требования к команде. С его помощью мы можем переформулировать требования в математические критерии.

где

является функцией перехода между возмущением вектора dU значений команд и вектором U скорректированных значений команд;

d_u = (dv_P dv_H du_Q)^T является возмущением вектора значений команд, и

u = (vP_bank vH_bank u_Q)^T является вектором скорректированных значений команд;

W_R является искомым запасом модуля, причем это значение определяют заранее, и оно равно, например, 0.5;

является функцией перехода между указанной ступенью мощности и δT_m, при , ΔP_max=P%.PN;

где является функцией перехода между указанной ступенью мощности и δАО, при , ΔP_max=P%.PN;

где является функцией перехода между указанной ступенью мощности и скоростью перемещения кластеров стержней, при ;

где является функцией перехода между указанной ступенью мощности и расходом впрыска нейтронного поглотителя, при .

Предпочтительно для получения линейного регулятора учитывают также следующее рабочее требование:

- возмущение dp, которое является ступенью мощности, требуемой от турбины или турбин, с ±Р% от номинальной мощности PN ядерного реактора, при этом Р составляет от 5 до 15%, приводит к минимальному изменению рабочих параметров.

Указанное требование переводят в следующее цифровое условие:

- min_K∈Ω, где K обозначает матрицы коэффициентов усиления K_р и K_i, Ω обозначает совокупность матриц коэффициентов усиления, стабилизирующих систему с обратной связью, является функцией перехода между указанной ступенью мощности dp и вектором z отклонения рабочих параметров, W_z является заранее определенной матрицей частотного взвешивания.

Как было указано выше, z = (δT_m δAO δP_bank)^T является вектором отклонения контролируемых рабочих параметров.

Как правило, матрицу частотного взвешивания W_z определяют как:

Взвешивания, выбираемые для каждого канала, определяют как:

: частотное взвешивание для выходной данной средней температуры

: частотное взвешивание для выходной данной АО

: частотное взвешивание для выходной данной Pbank.

Их определяют следующим образом:

; ;

где K₁, K₂, K₃, τ1, τ2 и τ3 являются заранее определенными коэффициентами.

В вышеуказанных уравнениях символизирует норму Н_∞, а символизирует норму Н₂. Эти нормы определены, например, в работе J. M. Maciejowski, Multivariable Feedback Design, Addison-Wesley, 1989.

По меньшей мере для первого способа управления, чтобы получить линейный регулятор, учитывают следующее рабочее требование:

- отклонение δP_bank между текущим значением P_bank и контрольным значением P_bank,ref составляет от до .

Указанное рабочее требование переводят в следующее цифровое условие:

- , где является функцией перехода между указанной ступенью мощности и δP_bank, при , ΔP_max=P%.PN.

Кроме того, в первом варианте управления рабочим требованием для перемещения кластеров стержней является ≤ 1,

где является функцией перехода между указанной ступенью мощности и скоростями перемещения комплексов Pbank и Hbank, при .

Определение коэффициентов усиления матриц коэффициентов усиления K_р и K_i осуществляют, используя метод негладкой оптимизации, наиболее подходящий для решения проблем управления. Используемым инструментом является, например, Systune фирмы Matlab. Этот инструмент имеет интегрированную полную окружающую среду, позволяющую выразить описанные выше требования Н₂ и Н_∞.

Согласно предпочтительному варианту, в определенном положении введения Pbank коэффициенты усиления матриц коэффициентов усиления K_р и K_i определяют при помощи алгоритма оптимизации таким образом, чтобы стабилизировать систему с обратной связью для указанного определенного положения введения и стабилизировать системы с обратной связью по меньшей мере для двух соседних определенных положений введения, соблюдая при этом цифровые условия, соответствующие всем рабочим требованиям (см. фиг. 8).

Например, коэффициенты усиления матриц коэффициентов усиления K_р и K_i определяют при помощи алгоритма оптимизации таким образом, чтобы стабилизировать систему с обратной связью для указанного определенного положения введения и стабилизировать системы с обратной связью для четырех определенных положений введения, расположенных рядом с определенным положением введения, с каждой стороны от этого положения.

Действительно, интерполяция синтезированных регуляторов LTI в разных рабочих точках может представлять определенную трудность, в частности, когда синтез двух регуляторов в двух соседних рабочих точках не позволяет получить регуляторы, достаточно близкие друг к другу. В этом случае интерполированный регулятор между этими двумя рабочими точками не обязательно представляет собой надежное решение, поскольку он может либо привести к нестабильности, либо может вызвать слишком резкие переходные явления во время смены коэффициентов.

Чтобы решить эту проблему, определение коэффициентов усиления в данной рабочей точки осуществляют, применяя мультимодельный подход для каждой зоны, как было указано выше. Получаемый в результате регулятор будет отвечать требованиям и будет оптимальным для всех рассматриваемых моделей.

Кроме того, оптимизированный регулятор в рабочей точке используют, чтобы инициализировать оптимизацию в соседней рабочей точке.

Наконец, изменение коэффициентов матриц регулятора необходимо, чтобы сохранить ее коэффициенты достаточно близкими к коэффициентам исходного регулятора (то есть соседнего регулятора).

При сценарии, соответствующем переходу мощности от 100% PN к 60% PN при скорости 5% PN/мин, регулятор 33 самостоятельно позволяет получить следующие характеристики:

= 0.56°C ≤ 1.5°C; = 5.06%AO ~ 5%AO; = 14.3PE ≤ 30 PE

Эти характеристики являются корректными для Tm и Pbank, но находятся на пределе, допустимом для АО.

Далее следует описание супервизора 31.

Модель, используемая для супервизора, является описанной выше нелинейной моделью. Интерес в этой модели состоит в следующем:

- Моделируется эффект ксенона.

- Моделируется реальная задержка бора.

- Более высокая точность, чем у линеаризованной модели.

Уравнения модели были представлены выше. При этом модель, используемую супервизором, определяют следующим образом:

где x_S является состоянием, U_S является сигналом контрольных команд, вычисленных супервизором, y_S обозначает выходные данные, F_S и G_S являются функциями, определяющими изменение состояний и выходной данной в зависимости от входных величин и от состояния. Используя те же обозначения, что и раньше, получаем:

и

где VP_bank, VH_bank и U_Q являются контрольными командами каждого привода, вычисленными супервизором.

В отличие от линеаризованной модели, где применяют аппроксимацию Лагерра для отображения задержки нейтронного поглотителя, эту задержку в данном случае представляют следующим образом:

где U_Q обозначает команду нейтронного поглотителя, и h_bore обозначает задержку нейтронного поглотителя. Например, задержка составляет 300 секунд.

Как правило, для регулирования супервизора выбирают следующие параметры:

Шаг дискретизации: T_S = 100 (секунд)

Горизонт прогнозирования: N_p = 10

Горизонт команды: N_c = 9

Вектор команд на шаге (то есть за время j.T_S), вычисленных при помощи алгоритма оптимизации, является таким, что:

База функций, используемая для команд, является базой постоянных кусковых функций. Это значит, что команды будут постоянными за период дискретизации и прерывистыми от одного шага дискретизации к другому.

На каждом шаге дискретизации супервизор оптимизирует N_c значений, определяя команды на каждом канале (Pbank, Hbank и расход бора). Получают следующую матрицу команд, вычисленных на шаге дискретизации:

Следовательно, на каждом дискретизации получаем:

Таким образом, все коэффициенты матрицы соответствуют переменным решения оптимизации. Наконец, на каждом шаге дискретизации j применяют первую вычисленную команду, обозначенную . При этом сигнал команд, применяемый к процессу и обозначенный U_S, изменяется непрерывно в соответствии со следующим отношением:

Рассматриваемая супервизором целевая функция вытекает из определенных выше задач эффективности. Задачей супервизора является вычисление контрольных команд для приводов Pbank, Hbank и нейтронного поглотителя, минимизирующих отклонение контролируемых параметров относительно их соответствующих контрольных значений.

Контролируемые параметры являются такими же, как и для регулятора 33:

Средняя температура, обозначаемая T_m.

Осевое распределение мощности, обозначаемое АО.

Положение первого комплекса Pbank, обозначаемое P_bank.

Контрольные значения этих параметров имеют обозначения T_m,ref, AO_ref и P_bank,ref. В этом случае отклонения δT_m, δAO и δP_bank относительно соответствующих контрольных значений контролируемых параметров представляют собой:

Целевую функцию строят следующим образом:

J = J_U + J_Z

В данном случае определяют

Для упрощения записи обозначим

При этом критерий для контроля J_Z определяют следующим образом:

Критерий J_U определяют при этом как:

где , и K_Q являются весовыми коэффициентами, и , и являются фильтрованными входными данными команды. Последние фильтруют таким образом, чтобы подавить высокие частоты. Определяют H_U фильтр высоких частот на командах и фильтрованные сигналы:

где:

Критерий, определяемый вышеуказанными уравнениями, выраженный в дискретной области, где является вышеупомянутой матрицей команд, имеет следующий вид:

Кроме того, обозначив вектор отклонений контролируемых выходных величин, оцененных на шаге дискретизации (то есть за время j.T_S) в дискретной области, получаем:

Требования, задаваемые супервизору через задачу управления, вытекают из требований, сформулированных в технической инструкции и относящихся к воздействиям на привод. Особенностью супервизора 31 по сравнению с регулятором 33 является то, что он может специально учитывать формальные временные требования, независимо от того, касаются ли они входных величин или переменных состояния: в данном случае требования максимальных положения и скорости групп кластеров стержней, а также максимальные расходы разбавителя/бора.

При этом формулируют следующие требования на основании технической инструкции:

В рамках изобретения используют следующий алгоритм опережающей коррекции.

Модель, используемая для вычисления выходных величин модели в зависимости от команд (переменных решения), является нелинейной моделью. С учетом определенных выше требований и целевой функции для решения такой задачи необходим алгоритм нелинейной оптимизации требований. Например, используют алгоритм нелинейной оптимизации требований, основанный на методе внутренней точки, осуществляемом функцией fmicon фирмы Matlab.

Алгоритм супервизора представлен в виде принципиальной схемы на фиг. 9. На этой фигуре представлены различные применяемые функции, а также поток информации, которой они обмениваются на каждом шаге дискретизации. На каждом шаге дискретизации супервизор получает измерения Y от системы, контрольные значения Z_ref контролируемых выходных величин, а также профиль мощности турбины пользователя D_U. Во время этого шага дискретизации:

- он обновляет значение вектора исходного состояния системы на шаге k, обозначаемого (в данном случае предполагается, что воспроизводится полное состояние),

- на основании входных величин он вычисляет последовательность оптимальных команд при помощи функции fmicon,

- между t_j и t_j + T_S он применяет к реальной системе первый элемент последовательности команды, вычисленной за период дискретизации,

- он сохраняет в памяти остальную часть последовательности команд для инициализации оптимизации следующего шага дискретизации,

- и, наконец, он сохраняет в памяти примененную (на шаге j) и обновляет запаздывающую команду нейтронного поглотителя.

При сценарии, соответствующем переходу мощности от 100% PN к 60% PN при скорости 5% PN/мин, супервизор 31 самостоятельно позволяет получить следующие характеристики:

= 0.82°C ≤ 1.5°C; = 4.62%AO < 5%AO; = 22.97PE ≤ 30PE

Эти характеристики являются корректными для T_m и Pbank, но находятся на пределе, допустимом для АО.

На фиг. 11 показаны характеристики, полученные при помощи супервизора в случае регулирования частоты, где номинальная мощность следует кривой, показанной на фиг. 10.

На фиг. 11 видно, что супервизор сам не может устранить изменения мощности, связанные с регулированием частоты. Температура выходит за верхнюю и нижнюю границы, определенные технической инструкцией.

Ниже представлены результаты моделирования заявленного способа с применением иерархического управления и с использованием супервизора и многоцелевого регулятора с последовательными коэффициентами усиления, который будет называться RMOSC (контролируемый супервизором многоцелевой регулятор активной зоны).

Регулятор RMOSC моделируют на описанной выше нелинейной модели реактора. Чтобы соблюдать требования воздействия на приводы, для последних применяют насыщения в соответствии с максимальными воздействиями, определенными в технической инструкции.

Сначала поведение регулятора RMOSC проверяют на переходе нагрузки при 5%PN/мин от 100%PN до 60%PN с последующим повышением нагрузки от 60%PN до 100%PN с такой же скоростью. На втором этапе его проверяют для ступени мощности в 10%PN. Наконец, его проверяют в случае регулирования частоты, наложенного на переход нагрузки.

Кривые моделирования регулятора RMOSC для перехода мощности 100-60-100%PN при скорости 5%PN/мин представлены на фиг. 12-19.

В сценарии с переходом регулятор RMOSC выдает корректные результаты по отношению к критериям управления. Как показано, все регулируемые выходные величины остаются в допустимой области, определяемой LCO (предельные условия эксплуатации), то есть ни одна из выходных величин не переходит через соответствующие максимальные и минимальные пределы.

Во-первых, следует отметить отклонения средней температуры, АО и положения Pbank соответственно в 0.19°С, 2.9%АО и 6.7РЕ, которые составляют соответственно 12%, 58% и 22% максимальных отклонений, допустимых для этих переменных. Отмечается, что отклонение (в %) средней температуры меньше, чем для других переменных, в частности, благодаря частотному взвешиванию , в силу приоритетности средней температуры по отношению к другим выходным данным. Кроме того, моделирование показывает нулевую статическую погрешность.

Кроме того, ксенон полностью компенсируется и даже упреждается регулятором посредством изменений бора. Можно также отметить, что во время моделирования скорости приводов насыщаются. Следовательно, они не могут выходить за физические пределы реальных приводов.

Теперь сравним результаты регулятора RMOSC с результатами супервизора, применяемого самостоятельно. Отмечается, что отклонения регулируемых выходных величин отдельно взятого супервизора при одинаковом сценарии являются такими же, как и в случае регулятора RMOSC; в частности, поскольку в отличие от отдельно взятого супервизора регулятор RMOSC использует более строгий контроль. В данном случае наглядно проявляется интерес предложенной иерархической архитектуры.

Учитывая вышеуказанные элементы, можно сказать, что в этом сценарии регулятор RMOSC показывает высокую эффективность.

Кривые моделирования регулятора RMOSC для ступени мощности 100-90%PN показаны на фиг. 20-26.

Можно отметить отклонения средней температуры, АО и положения Pbank соответственно в 1.0°С, 5.09%АО и 19РЕ.

Выводы из этих результатов моделирования аналогичны выводам из предыдущего раздела, а именно:

- Все регулируемые выходные величины остаются в рассматриваемой допустимой рабочей области. Выход за пределы для АО является очень незначительным и в коротком промежутке времени, что вполне допустимо.

- Статическая погрешность является нулевой.

- Скорости и расход приводов являются насыщенными и, следовательно, отвечают соответствующим требованиям.

- Бор хорошо компенсирует изменение концентрации ксенона.

Представляющим интерес поведением регулятора RMOSC является введение Hbank во время изменения нагрузки, чтобы способствовать контролю средней температуры, после чего следует извлечение для обеспечения контроля АО.

Однако можно отметить, что в этом сценарии АО является более близким к допустимым пределам, чем в случае перехода нагрузки. Это объясняется тем, что рассматриваемый в данном случае сценарий считается самым сложным в рассматриваемой проблеме.

Наконец, учитывая вышеуказанные элементы, регулятор RMOSC выдает хорошие результаты, соответствующие спецификациям.

Кривые моделирования регулятора RMOSC для перехода мощности 100-70%PN при 5%PN/мин показаны на фиг. 27-33.

Можно отметить отклонения средней температуры, АО и положения Pbank соответственно в 0.47°С, 3.3%АО и 10.1РЕ.

Выводы из этих результатов моделирования аналогичны выводам из предыдущих разделов.

Далее следует описание технических требований инструкции и способа регулирования для второго способа управления.

Детально будут описаны только пункты, которыми технические требования и этот способ регулирования отличаются от первого способа управления.

Технические требования не включают в себя критерий для отклонения положения первого комплекса кластеров стержней.

Здесь тоже для каждой определенной рабочей точки регулирования определяют каждый из линейных регуляторов алгоритма управления с последовательными коэффициентами усиления. С другой стороны, каждая рабочая точка характеризуется мощностью, требуемой от турбины или турбин, и, как правило, только этой мощностью.

Командами являются только скорость первого комплекса (группа R), а также расход впрыска нейтронного поглотителя или разбавителя.

Контролируемые рабочие параметры включают в себя только среднюю температуру активной зоны и осевой дисбаланс мощности.

Кроме выходных величин, указанных для первого варианта выполнения, выходные величины включают в себя мощность, требуемую от турбины или турбин.

Далее следует описание технических требований инструкции и способа регулирования для третьего способа управления.

Детально будут описаны только пункты, которыми технические требования и этот способ регулирования отличаются от первого способа управления.

Технические требования не включают в себя критерий для отклонения положения первого комплекса кластеров стержней.

Командами являются только скорость первого комплекса, а также расход впрыска нейтронного поглотителя или разбавителя.

Контролируемые рабочие параметры включают в себя только среднюю температуру активной зоны и осевой дисбаланс мощности.

Кроме выходных величин, указанных для первого варианта выполнения, выходные величины включают в себя мощность, требуемую от турбины или турбин.

Согласно версии выполнения, которую можно применять для трех вариантов управления, задание последовательности регулятору производят с учетом других параметров, например, таких как глубина выгорания (burn-up) или циклы. Иначе говоря, коэффициенты усиления матриц коэффициентов усиления K_р и K_i меняются в зависимости от этих параметров. Для этого действуют таким же образом, строя линейные модели вокруг заранее определенных рабочих точек и интерполируя коэффициенты усиления. Однако рабочие точки характеризуются не одним параметром, а тремя параметрами, которые меняются. Этими параметрами являются, например, положение Pbank, глубина выгорания (burn-up) и цикл.

Вторым объектом изобретения является описанный выше ядерный реактор 1. Этот ядерный реактор содержит активную зону 5 и устройство 25 регулирования рабочих параметров активной зоны, причем эти рабочие параметры включают в себя по меньшей мере среднюю температуру активной зоны и осевой дисбаланс мощности.

Ядерный реактор 1 дополнительно содержит:

- блок 27 сбора данных для получения текущего значения по меньшей мере одной входной величины D_U, D_P;

- блок 29 сбора данных для получения текущего значения Y вектора выходных величин, при этом выходные величины включают в себя по меньшей мере рабочие параметры.

Система 25 регулирования содержит:

- модуль 35 формирования контрольного значения Y_ref вектора выходных величин с использованием текущего значения указанного по меньшей мере одного входного сигнала D_U, D_P;

- супервизор 31, запрограммированный для формирования вектора U_S значений команд ядерного реактора с применением алгоритма опережающей коррекции и с использованием по меньшей мере одного указанного текущего значения указанной по меньшей мере одной входной величины D_U, D_P и текущего значения Y вектора выходных величин;

- регулятор 33, запрограммированный для формирования вектора u_k корректирующих значений команд ядерного реактора с применением алгоритма управления с последовательными коэффициентами усиления и с использованием текущего значения Y вектора выходных величин и контрольного значения Y_ref вектора выходных величин;

- модуль 37 формирования вектора U скорректированных значений команд ядерного реактора с использованием вектора U_S значений команд, сформированного супервизором 31, и вектора u_k корректирующих значений команд, сформированного регулятором 33;

- модуль 39 регулирования рабочих параметров ядерного реактора, управляющий приводами с использованием вектора U скорректированных значений команд.

Как правило, ядерный реактор 1 содержит:

- корпус реактора 3;

- активную зону 5, содержащую множество ядерных топливных сборок и расположенную в корпусе реактора 3;

- кластеры 7 стержней управления реактивностью активной зоны 5 и механизмы 9, выполненные с возможностью перемещать каждый кластер 7 в направлении введения в активную зону 5 или в направлении извлечения из активной зоны 5;

- первый контур 10 охлаждения активной зоны 5, в котором циркулирует первичный теплоноситель и который содержит холодную и горячую ветви 11, 13, подсоединенные к корпусу реактора 3, через которые первичный теплоноситель соответственно поступает в корпус реактора 3 и выходит из корпуса реактора 3;

- контур 15 впрыска, выполненный с возможностью селективно впрыскивать в первичный теплоноситель нейтронный поглотитель или разбавитель без нейтронного поглотителя.

Как правило, нейтронный поглотитель является бором. Как правило, разбавитель является водой.

В этом случае команды предпочтительно включают в себя по меньшей мере одну скорость перемещения кластеров управляющих стержней и по меньшей мере один расход впрыска нейтронного поглотителя или разбавителя.

Обычно система 25 регулирования выполнена с возможностью перемещать кластеры 7 стержней группами. Кластеры одной группы перемещаются вместе и всегда находятся все в одинаковом положении введения.

Предпочтительно группы распределены в один или несколько комплексов. Распределение групп и их использование зависят от способа управления ядерным реактором.

В некоторых вариантах управления в первом комплексе объединены несколько групп.

В этом случае группы первого комплекса обычно перемещаются последовательно. Это значит, что их вводят одну за другой с перекрыванием, которое определяют заранее, как будет описано ниже. В варианте, перекрывание может меняться.

Согласно варианту выполнения, все группы первого комплекса перемещаются одновременно. Это значит, что все они всегда находятся в одинаковом положении введения и перемещаются вместе.

В других способах управления первый комплекс содержит только одну группу. В некоторых способах управления другие группы объединены во втором комплексе.

В этом случае группы второго комплекса обычно перемещаются одновременно.

В других способах управления все группы объединены в первом комплексе, а второго комплекса не существует.

Далее следует описание нескольких примеров управления, вытекающих соответственно из режимов Т, G и А.

В варианте управления, вытекающем из режима Т, предназначенного для реактора с водой под давлением EPR (European Pressurized Reactor), группы распределены на два комплекса:

- первый комплекс, называемый Pbank,

- второй комплекс, называемый Hbank.

Первый комплекс предназначен для контроля средней температуры T_m. Второй комплекс предназначен для контроля осевого дисбаланса мощности АО.

Группы первого комплекса Pbank перемещаются последовательно. Группы второго комплекса Hbank перемещаются одновременно.

Во втором варианте управления, вытекающем из режима G, группы распределены на два комплекса:

- первый комплекс содержит группу R, образованную черными кластерами, то есть исключительно поглощающими кластерами;

- второй комплекс, называемый GCP или группой компенсации мощности, образован группами G1 и G2 (G обозначает серые кластеры) и группами N1 и N2 (N обозначает черные кластеры). Серые кластеры являются менее поглощающими, чем черные кластеры.

Группы этого второго комплекса вводят последовательно. Предпочтительно их вводят в зависимости от требуемой электрической мощности, обеспечиваемой турбиной.

В этом втором способе управления предпочтительно АО контролируют в основном посредством впрысков нейтронного поглотителя или разбавителя.

В третьем способе управления, вытекающем из режима А, все функциональные группы объединены в первом комплексе, обозначаемом в данном случае аббревиатурой DCBA.

Он обычно состоит из четырех групп А, В, С и D, которые вводят последовательно, как и Pbank.

Первый комплекс предназначен исключительно для контроля средней температуры T_m.

В этом третьем способе управления АО предпочтительно контролируют в основном посредством впрысков нейтронного поглотителя или разбавителя.

В некоторых способах управления (например, в первом способе управления) указанная по меньшей мере одна скорость V_barres перемещения кластеров управляющих стержней обычно включает в себя скорость перемещения групп первого комплекса Pbank и скорость перемещения групп второго комплекса Hbank. Эти скорости обозначаются vP_bank и vH_bank соответственно.

В других способах управления (например, во втором и третьем способах управления) указанная по меньшей мере одна скорость V_barres перемещения кластеров управляющих стержней обычно соответствует скорости перемещения групп первого комплекса.

Система 25 регулирования выполнена с возможностью осуществления описанного выше способа регулирования.

В частности, супервизор 31 и регулятор 33 выполнены, как было описано выше в связи со способом регулирования.

Модули 35 и 37 тоже выполнены, как было описано выше.

Блоки 25, 27 выполнены, как было описано выше.

Модуль 39 регулирования рабочих параметров выполнен с возможностью подачи команд на приводы, причем эти приводы являются механизмами 9 перемещения кластеров 7 и контуром 15 впрыска.

Предпочтительно управление группами осуществляют, как было описано выше, в частности, с распределением групп в первом и втором комплексах Pbank и Hbank и с перемещением первого и второго комплексов.

Изобретение относится к способу регулирования рабочих параметров ядерного реактора. В способе регулируемые рабочие параметры включают по меньшей мере по меньшей мере среднюю температуру (T_m) активной зоны и аксиальный офсет мощности (AO). Способ содержит следующие этапы: формирование вектора (U_S) значений команд управления ядерного реактора при помощи супервизора (31), применяющего алгоритм опережающей коррекции; формирование вектора (u_K) корректирующих значений команд управления ядерного реактора при помощи регулятора (33), применяющего алгоритм управления с последовательными коэффициентами усиления; формирование вектора (U) скорректированных значений команд управления ядерного реактора с использованием вектора (U_S) значений команд управления, сформированного супервизором (31), и вектора (u_K) корректирующих значений команд управления, сформированного регулятором; регулирование рабочих параметров ядерного реактора путем управления приводами с использованием вектора (U) скорректированных значений команд управления. Ядерный реактор содержит модули, предназначенные для осуществления указанных этапов способа. 2 н. и 24 з.п. ф-лы, 1 табл., 33 ил.

1. Ядерный реактор, содержащий

- корпус реактора (3);

- активную зону (5), содержащую множество ядерных топливных сборок и расположенную в корпусе реактора (3);

- кластеры (7) управляющих стержней для управления реактивностью активной зоны и механизмы (9), выполненные с возможностью перемещения каждого кластера (7) в направлении введения в активную зону (5) или в направлении извлечения из активной зоны (5);

- первый контур (10) для охлаждения активной зоны (5), в котором циркулирует первичный теплоноситель и который содержит холодную и горячую ветви (11, 13), подсоединенные к корпусу реактора (3), через которые первичный теплоноситель соответственно поступает в корпус реактора (3) и выходит из корпуса реактора (3);

- контур (15) впрыска, выполненный с возможностью селективно впрыскивать в первичный теплоноситель нейтронный поглотитель или разбавитель без нейтронного поглотителя;

- одну или несколько турбин (17), питаемых паром за счет первого контура (10),

- систему (25) регулирования рабочих параметров активной зоны (5), причем эти рабочие параметры включают в себя по меньшей мере среднюю температуру (T_m) активной зоны и аксиальный офсет мощности (AO),

- блок (27) для получения текущего значения по меньшей мере одной входной величины (D_U, D_P);

- блок (29) для получения текущего значения (Y) вектора выходных величин, причем выходные величины включают в себя по меньшей мере указанные рабочие параметры;

при этом система (25) регулирования содержит:

- модуль (35) формирования контрольного значения (Y_ref) вектора выходных величин с использованием текущего значения указанной по меньшей мере одной входной величины (D_U, D_P);

- модуль супервизора (31), выполненный с возможностью формирования вектора (U_S) значений команд управления ядерного реактора с применением алгоритма опережающей коррекции и с использованием по меньшей мере указанного текущего значения указанной по меньшей мере одной входной величины (D_U, D_P) и текущего значения (Y) вектора выходных величин; при этом команды управления ядерного реактора содержат по меньшей мере одну скорость перемещения кластеров (7) управляющих стержней и по меньшей мере один расход впрыска нейтронного поглотителя или разбавителя.

- модуль регуляторов (33), содержащий множество линейных регуляторов, основанных на модели ядерного реактора и технологических ограничениях ядерного реактора, при этом каждый линейный регулятор предназначен для определенной рабочей точки ядерного реактора, и указанные рабочие точки реактора охватывают диапазон от 25 до 100% номинальной мощности реактора; и выполненный с возможностью формирования вектора (u_K) корректирующих значений для команд управления ядерного реактора с применением указанных линейных регуляторов и с использованием текущего значения (Y) вектора выходных величин и контрольного значения (Y_ref) вектора выходных величин;

- модуль (37) формирования вектора (U) скорректированных значений команд управления ядерного реактора, выполненный с возможностью использования вектора (U_S) значений команд управления, получаемого из модуля супервизора (31), и вектора (u_K) корректирующих значений команд управления, получаемого из модуля регуляторов (33);

- модуль (39) регулирования рабочих параметров ядерного реактора, выполненный с возможностью управления приводами с использованием вектора (U) скорректированных значений команд управления, получаемого из модуля (37) формирования вектора (U) скорректированных значений команд управления ядерного реактора.

2. Ядерный реактор по п. 1, в котором система (25) регулирования выполнена с возможностью перемещения кластеров (7) управляющих стержней группами, причем одна или несколько групп объединены в первом комплексе (Pbank, R, DCBA), при этом команды управления включают в себя по меньшей мере одну скорость перемещения групп первого комплекса.

3. Ядерный реактор по п. 2, в котором другие группы кластеров (7) управляющих стержней объединены во втором комплексе (Hbank), при этом команды управления включают в себя также по меньшей мере одну скорость перемещения групп второго комплекса.

4. Ядерный реактор по п. 2 или 3, в котором система (25) регулирования выполнена с возможностью перемещения групп первого комплекса (Pbank, DCBA) последовательно.

5. Ядерный реактор по п. 2 или 3, в котором первый комплекс содержит только одну группу (R).

6. Ядерный реактор по любому из пп. 2-5, в котором рабочие параметры дополнительно включают в себя положение (P_bank) введения групп первого комплекса.

7. Ядерный реактор по любому из пп. 1-6, в котором блок (27) для получения текущего значения по меньшей мере одной входной величины (D_U, D_P) выполнен с возможностью получения в качестве входной величины (D_U, D_P) требующейся мощности указанных турбины или турбин (17) ядерного реактора.

8. Ядерный реактор по п. 7, в котором при условии, что мощность, выдаваемая указанными турбиной или турбинами (17) ядерного реактора, включает в себя мощность (D_U), запрограммированную в соответствии с определенной программой, и возмущение (dp) мощности, модуль (35) формирования контрольного значения (Y_ref) вектора выходных величин выполнен с возможностью использования только указанной запрограммированной мощности (D_U).

9. Ядерный реактор по п.1, в котором выходные величины включают в себя, помимо указанных рабочих параметров, температуру (Т_с) первичного теплоносителя в горячей ветви и тепловую мощность (Р_K) активной зоны.

10. Ядерный реактор по п. 2, в котором каждая рабочая точка характеризуется определенным положением (P_bank) введения групп первого комплекса.

11. Ядерный реактор по любому из пп. 1-10, в котором модуль регуляторов (33) выполнен с возможностью получения линейных регуляторов, каждый из которых учитывает одно или несколько из следующих технологических ограничений:

- отклонение δT_m между текущим значением T_m и контрольным значением T_m,ref составляет от до ;

- отклонение δАО между текущим значением АО и контрольным значением АО_ref составляет от -ΔАО^max до ΔАО^max;

- скорость перемещения кластеров ниже ;

- изменение концентрации нейтронного поглотителя ниже , при этом является скоростью повышения концентрации нейтронного поглотителя в первом контуре в результате впрыска нейтронного поглотителя с расходом ;

в отношении по меньшей мере одного возмущения, которое является ступенью требующейся мощности от турбины или турбин, с ±Р% номинальной мощности PN ядерного реактора, при этом Р составляет от 5 до 15%.

12. Способ регулирования рабочих параметров ядерного реактора по любому из пп. 1-11, причем эти рабочие параметры включают в себя по меньшей мере среднюю температуру (T_m) активной зоны и аксиальный офсет мощности (AO), при этом способ содержит этапы, на которых:

- с помощью блока (27) для получения текущего значения входной величины (D_U, D_P) получают текущее значение по меньшей мере одной входной величины (D_U, D_P);

- с помощью блока (29) для получения текущего значения (Y) вектора выходных величин получают текущее значение (Y) вектора выходных величин, причем выходные величины включают в себя по меньшей мере указанные рабочие параметры;

- с помощью модуля (35) формирования контрольного значения (Y_ref) вектора выходных величин формируют контрольное значение (Y_ref) вектора выходных величин с использованием текущего значения указанной по меньшей мере одной входной величины (D_U, D_P);

- формируют вектор (U_S) значений команд управления ядерного реактора при помощи модуля супервизора (31), применяющего алгоритм опережающей коррекции, с использованием по меньшей мере указанного текущего значения указанной по меньшей мере одной входной величины (D_U, D_P) и текущего значения (Y) вектора выходных величин;

- с использованием текущего (Y) значения вектора выходных величин и контрольного значения (Y_ref) вектора выходных величин формируют вектор (u_K) корректирующих значений команд управления ядерного реактора при помощи модуля регуляторов (33), содержащего множество линейных регуляторов, основанных на модели ядерного реактора и технологических ограничениях ядерного реактора,

причем каждый линейный регулятор является предварительно определенным, для определенной рабочей точки ядерного реактора, и указанные рабочие точки реактора распределены в диапазоне от 25 до 100% номинальной мощности реактора;

- с помощью модуля (37) формирования вектора (U) скорректированных значений формируют вектор (U) скорректированных значений команд управления ядерного реактора с использованием вектора (U_S) значений команд управления, сформированного модулем супервизора (31), и вектора (u_K) корректирующих значений команд управления, сформированного модулем регуляторов (33);

- регулируют рабочие параметры ядерного реактора с помощью модуля (39) регулирования рабочих параметров ядерного реактора путем управления приводами с использованием вектора (U) скорректированных значений команд управления.

13. Способ регулирования по п. 12, в котором в случае ядерного реактора, содержащего систему (25) регулирования ядерного реактора, выполненную с возможностью перемещения кластеров (7) управляющих стержней группами, причем одна или несколько групп объединены в первом комплексе (Pbank, R, DCBA), команды управления содержат по меньшей мере одну скорость перемещения указанных группы или групп первого комплекса.

14. Способ регулирования по п. 13, в котором, в случае ядерного реактора, в котором другие группы кластеров (7) управляющих стержней объединены во втором комплексе (Hbank), команды управления содержат также по меньшей мере одну скорость перемещения групп второго комплекса.

15. Способ регулирования по п. 13 или 14, в котором рабочие параметры дополнительно включают в себя положение (P_bank) введения групп первого комплекса.

16. Способ регулирования по любому из пп. 12-15, в котором входной величиной (D_U, D_P) является требующаяся мощность указанных турбины или турбин (17) ядерного реактора.

17. Способ регулирования по п.16, в котором, в случае когда мощность, выдаваемая указанными турбиной или турбинами (17) ядерного реактора, включает в себя мощность (D_U), запрограммированную в соответствии с определенной программой, и возмущение (d_P) мощности, указанной входной величиной (D_U, D_P) является только запрограммированная мощность (D_U).

18. Способ регулирования по любому из пп. 12-15, в котором каждая рабочая точка ядерного реактора характеризуется определенным положением (P_bank) введения групп первого комплекса.

19. Способ регулирования по любому из пп. 12-18, в котором каждый линейный регулятор выражается следующим образом:

u_К = Kp(s)y₁ + Ki(s)y₂ при у₁=у и у₂=z,

где Kр и Ki являются матрицами коэффициентов усиления, s является переменной Лапласа, у является вектором отклонения выходных величин между текущим значением вектора выходных величин и контрольным значением вектора выходных величин, z является вектором отклонения рабочих параметров между текущим значением вектора контролируемых рабочих параметров и контрольным значением вектора контролируемых рабочих параметров, и u_K является вектором корректирующих значений команд управления.

20. Способ регулирования по п. 19, который содержит этап получения линейных регуляторов, включающий для каждого линейного регулятора подэтапы, на которых:

- формируют линеаризованную модель ядерного реактора посредством линеаризации нелинейной модели ядерного реактора в определенной рабочей точке, при этом линеаризованная модель связывает:

- вектор (у) отклонения выходных величин и вектор (z) отклонения рабочих параметров с

по меньшей мере одним из следующих возмущений: возмущение (dp) указанной по меньшей мере одной входной величины, возмущение (dU) вектора значений команд управления, возмущение (dy) вектора (y) отклонения выходных величин и вектора (u_K) корректирующих значений команд управления;

при этом линеаризованная модель и линейный регулятор образуют систему с обратной связью для указанного положения введения;

- определяют технологические ограничения для ядерного реактора в отношении заранее определенных возмущений (dp) указанной по меньшей мере одной входной величины, или заранее определенных возмущений (dU) вектора значений команд управления, или заранее определенных возмущений (dy) вектора (y) отклонения выходных величин;

- преобразуют каждое технологическое ограничение в цифровое условие в отношении функции перехода между:

- возмущением (dp) указанной по меньшей мере одной входной величины, или возмущением (dU) вектора значений команд управления, или возмущением (dy) вектора (y) отклонения выходных величин, с одной стороны, и

- отклонением между текущим значением одного из рабочих параметров и контрольным значением указанного рабочего параметра, или отклонением между текущим значением одной из выходных величин и контрольным значением указанной выходной величины или одним из корректирующих значений команд управления, с другой стороны;

- определяют коэффициенты усиления матриц коэффициентов усиления K_р и K_i, при этом указанные коэффициенты усиления определяют при помощи алгоритма оптимизации таким образом, чтобы стабилизировать по меньшей мере указанную систему с обратной связью для соответствующей рабочей точки и соблюдать цифровые условия, соответствующие всем технологическим ограничениям.

21. Способ регулирования по п. 20, в котором для получения линейного регулятора учитывают одно или несколько из следующих технологических ограничений:

- отклонение δT_m между текущим значением T_m и контрольным значением T_m,ref составляет от до ;

- отклонение δАО между текущим значением АО и контрольным значением АО_ref составляет от -ΔАО^max до ΔАО^max;

- скорость перемещения кластеров ниже ;

- изменение концентрации нейтронного поглотителя ниже , при этом является скоростью повышения концентрации нейтронного поглотителя в первом контуре в результате впрыска нейтронного поглотителя с расходом ;

в отношении по меньшей мере одного возмущения, которое является ступенью требующейся мощности от турбины или турбин, с ±Р% номинальной мощности PN ядерного реактора, при этом Р составляет от 5 до 15%.

22. Способ регулирования по п. 20 или 21, в котором, в случае ядерного реактора, содержащего систему (25) регулирования, выполненную с возможностью перемещения кластеров (7) управляющих стержней группами, причем одна или несколько групп объединены в первом комплексе (Pbank, R, DCBA),

для получения линейного регулятора учитывают следующее технологическое ограничение:

- отклонение δP_bank между текущим значением P_bank и контрольным значением P_bank,ref составляет от до ; где P_bank обозначает положение введения групп первого комплекса;

в отношении по меньшей мере одного возмущения, которое является ступенью требующейся от турбины или турбин мощности, с ±Р% номинальной мощности PN ядерного реактора, при этом Р составляет от 5 до 15%.

23. Способ регулирования по любому из пп. 20-22, в котором для получения линейного регулятора учитывают следующее технологическое ограничение:

- возмущение, которое является ступенью требующейся от турбины или турбин мощности, с ±Р% номинальной мощности PN ядерного реактора, где Р составляет от 5 до 15%, приводит к минимальному изменению рабочих параметров.

24. Способ регулирования по любому из пп. 20-23, в котором каждая линеаризованная модель учитывает задержку, связанную с впрыском нейтронного поглотителя.

25. Способ регулирования по любому из пп. 19-24, в котором в определенной рабочей точке коэффициенты усиления матриц коэффициентов усиления K_р и K_i определяют при помощи алгоритма оптимизации таким образом, чтобы стабилизировать систему с обратной связью для указанной определенной рабочей точки и стабилизировать системы с обратной связью по меньшей мере для двух соседних определенных рабочих точек, при этом соблюдая цифровые условия, соответствующие всем технологическим ограничениям.

26. Способ регулирования по любому из пп. 20-24, в котором алгоритм опережающей коррекции, выполняемый модулем супервизора (31), использует указанную нелинейную модель ядерного реактора.