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耦合S-CO2布雷顿循环的自然循环铅冷快堆控制策略研究

刘桂秀 易经纬 李根 梁铁波 方华伟 陈伟雄

刘桂秀, 易经纬, 李根, 梁铁波, 方华伟, 陈伟雄. 耦合S-CO2布雷顿循环的自然循环铅冷快堆控制策略研究[J]. 核动力工程, 2023, 44(4): 138-147. doi: 10.13832/j.jnpe.2023.04.0138
引用本文: 刘桂秀, 易经纬, 李根, 梁铁波, 方华伟, 陈伟雄. 耦合S-CO2布雷顿循环的自然循环铅冷快堆控制策略研究[J]. 核动力工程, 2023, 44(4): 138-147. doi: 10.13832/j.jnpe.2023.04.0138
Liu Guixiu, Yi Jingwei, Li Gen, Liang Tiebo, Fang Huawei, Chen Weixiong. Study on Control Strategy of Natural Circulation Lead-cooled Fast Reactor Coupled with S-CO2 Brayton Cycle[J]. Nuclear Power Engineering, 2023, 44(4): 138-147. doi: 10.13832/j.jnpe.2023.04.0138
Citation: Liu Guixiu, Yi Jingwei, Li Gen, Liang Tiebo, Fang Huawei, Chen Weixiong. Study on Control Strategy of Natural Circulation Lead-cooled Fast Reactor Coupled with S-CO2 Brayton Cycle[J]. Nuclear Power Engineering, 2023, 44(4): 138-147. doi: 10.13832/j.jnpe.2023.04.0138

耦合S-CO2布雷顿循环的自然循环铅冷快堆控制策略研究

doi: 10.13832/j.jnpe.2023.04.0138
基金项目: 中核集团领创科研项目(2020012);国防科技工业核动力技术创新中心项目
详细信息
    作者简介:

    刘桂秀(1996—),女,硕士研究生,现主要从事电厂系统仿真与控制的研究,E-mail: guixiuliu678@163.com

    通讯作者:

    李 根,E-mail: genli@scut.edu.cn

  • 中图分类号: TL351.1;TL362

Study on Control Strategy of Natural Circulation Lead-cooled Fast Reactor Coupled with S-CO2 Brayton Cycle

  • 摘要: 自然循环铅冷快堆与超临界二氧化碳(S-CO2)布雷顿循环耦合发电系统是未来先进核能系统的发展方向。基于Apros软件搭建了该耦合发电系统的动态模型,并设计了2种反应堆控制方案,一种为参考压水堆堆芯功率控制系统的常规控制方案,另一种为添加控制棒棒位限制的补偿控制方案。研究结果表明,在3%FP/min(FP为满功率)的小变负荷速率下,2种控制方案下的负荷跟随动态偏差皆在−2%~1%之间,但对于堆芯出口冷却剂温度的稳定,补偿控制方案优于常规控制方案;在6%FP/min~18%FP/min的大变负荷速率下,常规控制方案下的堆芯出口温度变化幅度为−40~0℃,而补偿控制方案下的堆芯出口温度的变化幅度为−5~2℃。因此,补偿控制方案可作为自然循环铅冷快堆控制的有效手段。

     

  • 图  1  耦合发电系统结构简图及节点设计参数

    红色数值—温度,℃;棕色数值—压力,MPa;蓝色数值—质量流量,kg/s;a~o—节点编号

    Figure  1.  Structural Diagram and Node Design Parameters of Coupled Power Generation System

    图  2  铅冷快堆热工水力模型

    Figure  2.  Thermal Hydraulic Model of Lead-cooled Fast Reactor     

    图  3  S-CO2布雷顿循环动态模型

    Figure  3.  Dynamic Model of S-CO2 Brayton Cycle

    图  4  ULOHS事故过程中堆芯功率因子变化

    Figure  4.  Core Power Factor Change during ULOHS Accident

    图  5  常规控制方案控制逻辑

    A—手动设置操作;TT—温度测量信号;MT—功率测量信号;f(x)—计算函数;—偏差;K—比例增益; Σ—加法计算;∨—限速;≮≯—限幅

    Figure  5.  Control Logic of Conventional Control Scheme

    图  6  不同电负荷水平下的堆功率水平

    Figure  6.  Core Power Level at Different Load Level

    图  7  补偿控制方案控制逻辑

    Figure  7.  Control Logic of Compensation Control Scheme

    图  8  不同电负荷下冷却剂温度反馈反应性

    Figure  8.  Coolant Temperature Feedback Reactivity at Different Load Level

    图  9  不同铅冷快堆控制方案下100%FP-20%FP-100%FP斜坡变负荷时的各反应性变化

    rc—冷却剂温度反馈反应性;re—控制棒移动引入的外部反应性;rf—燃料温度反馈反应性;rt—总反应性

    Figure  9.  Reactivity Changes for 100%FP-20%FP-100%FP Ramp Load Change under Different Lead Cooled Fast Reactor Control Schemes

    图  10  不同铅冷快堆堆控制方案下100%FP-20%FP-100%FP斜坡变负荷时的负荷跟随动态偏差

    Figure  10.  Dynamic Deviation of Load Following for 100%FP-20%FP-100%FP Ramp Load Change under Different Lead Cooled Fast Reactor Control Schemes

    图  11  不同铅冷快堆控制方案下100%FP-20%FP-100%FP斜坡变负荷时的主要参数变化

    Figure  11.  Main Parameters Changes for 100%FP-20%FP-100%FP Ramp Load Change under Different Lead Cooled Fast Reactor Control Schemes

    图  12  不同铅冷快堆控制方案下采用不同变负荷速率的负荷跟随效果

    Figure  12.  Load Following Effects with Different Variable Load Rates under Different Lead Cooled Fast Reactor Control Schemes

    图  13  常规控制方案下采用不同变负荷速率的主要参数变化       

    Figure  13.  Main Parameters Changes with Different Variable Load Rates under Conventional Control Scheme

    图  14  补偿控制方案下采用不同变负荷速率的主要参数变化      

    Figure  14.  Main Parameters Changes with Different Variable Load Rates under Compensation Control Scheme

    表  1  S-CO2布雷顿循环的多参数优化结果

    Table  1.   Multiple Parameter Optimization Results of S-CO2 Brayton Cycle

    参数总压比分流比循环最低温度/℃循环最高温度/℃高温回热器回热度低温回热器回热度循环最低压力/MPa
    优化范围2~3.30.4~0.935~45440~4650.8~0.950.8~0.958.5~10
    优化结果2.1260.64135.09464.990.950.958.507
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    表  2  堆芯区域热工水力模拟结果验证

    Table  2.   Thermal Hydraulic Simulation Results of Core Area

    位置内部燃料区中间燃料区外部燃料区控制棒区
    温度文
    献值/℃
    温度模
    拟值/℃
    相对
    误差/%
    温度文
    献值/℃
    温度模
    拟值/℃
    相对
    误差/%
    温度文
    献值/℃
    温度模
    拟值/℃
    相对
    误差/%
    温度文
    献值/℃
    温度模
    拟值/℃
    相对
    误差/%
    1667.87681.922.10717.57721.620.56653.73642.061.79642.13684.686.63
    2487.24890.37498.674980.13479.21482.70.73478.99484.61.17
    3479.65481.30.34490.73489.40.27472.82475.50.57472.07476.40.92
      位置1—芯块中心;位置2—包壳外表面;位置3—冷却剂;表2中相对误差为绝对值
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    表  3  耦合发电系统动态模型稳态验证结果

    Table  3.   Steady State Validation Results of Dynamic Model for Coupled Power Generation System

    节点温度设计值/℃温度模拟值/℃温度相对误差/%压力设计值/MPa压力模拟值/MPa压力相对误差/%
    a35.0935.10−0.038.488.34−1.72
    b41.8544.42−6.1410.6510.710.48
    c35.0935.10−0.0310.6310.660.23
    d47.2244.884.9518.0918.462.05
    e130.65133.92−2.5018.0518.05−0.02
    f124.01122.491.2218.0517.96−0.52
    g330.00330.000.0018.0217.93−0.52
    h464.99465.51−0.1117.9717.88−0.52
    i379.11378.770.098.588.50−0.98
    J135.87134.131.288.528.44−1.01
    k52.2650.613.168.508.43−0.96
    l52.2650.613.168.508.43−0.96
    m112.95115.02−1.8318.0517.96−0.52
    N400.00399.790.050.87
    o480.00480.27−0.060.100.100
      节点标号与图1对应,4个流量值(冷却剂流量、透平进口流量、主压缩机进口流量、再压缩机进口流量)的模拟值与设计值相对误差分别为−0.03%、−0.47%、−0.47%、−0.47%
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  • [1] MOISSEYTSEV A, SIENICKI J J. Transient accident analysis of a supercritical carbon dioxide Brayton cycle energy converter coupled to an autonomous lead-cooled fast reactor[J]. Nuclear Engineering and Design, 2008, 238(8): 2094-2105. doi: 10.1016/j.nucengdes.2007.11.012
    [2] 赵鹏程. 小型自然循环铅冷快堆SNCLFR-100一回路主冷却系统热工安全分析[D]. 合肥: 中国科学技术大学, 2017.
    [3] WU P, MA Y D, GAO C T, et al. A review of research and development of supercritical carbon dioxide Brayton cycle technology in nuclear engineering applications[J]. Nuclear Engineering and Design, 2020, 368: 110767. doi: 10.1016/j.nucengdes.2020.110767
    [4] PONCIROLI R, CAMMI A, DELLA BONA A, et al. Development of the ALFRED reactor full power mode control system[J]. Progress in Nuclear Energy, 2015, 85: 428-440. doi: 10.1016/j.pnucene.2015.06.024
    [5] MOISSEYTSEV A, SIENICKI J J. Development of a plant dynamics computer code for analysis of a supercritical carbon dioxide Brayton cycle energy converter coupled to a natural circulation lead-cooled fast reactor: ANL-06/27 TRN: US0704255[R]. U.S.: Argonne National Lab, 2007.
    [6] YANG M H, SONG Y, WANG J Y, et al. Temperature control characteristics analysis of lead-cooled fast reactor with natural circulation[J]. Annals of Nuclear Energy, 2016, 90: 54-61. doi: 10.1016/j.anucene.2015.11.029
    [7] WAN J S, XIE J Y, WANG P F, et al. Control system design for the once-through steam generator of lead–bismuth cooled reactor based on classical control theory[J]. Annals of Nuclear Energy, 2022, 175: 109214. doi: 10.1016/j.anucene.2022.109214
    [8] 张建民. 核反应堆控制[M]. 西安: 西安交通大学出版社, 2002: 172.
    [9] MA, Y G, MOROSUK T, LUO J, et al. Superstructure design and optimization on supercritical carbon dioxide cycle for application in concentrated solar power plant[J]. Energy Conversion and Management, 2020, 206: 112290.
    [10] AL-MALIKI W A K, ALOBAID F, KEZ V, et al. Modelling and dynamic simulation of a parabolic trough power plant[J]. Journal of Process Control, 2016, 39: 123-138. doi: 10.1016/j.jprocont.2016.01.002
    [11] DYREBY J J. Modeling the supercritical carbon dioxide Brayton cycle with recompression[D]. Madison: University of Wisconsin-Madison, 2014.
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-09-29
  • 修回日期:  2023-03-28
  • 刊出日期:  2023-08-15

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