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热管堆动态模型构建与控制方法研究

殷少轩 余刃 绳东杰 毛伟

殷少轩, 余刃, 绳东杰, 毛伟. 热管堆动态模型构建与控制方法研究[J]. 核动力工程, 2024, 45(4): 166-172. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.04.0166
引用本文: 殷少轩, 余刃, 绳东杰, 毛伟. 热管堆动态模型构建与控制方法研究[J]. 核动力工程, 2024, 45(4): 166-172. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.04.0166
Yin Shaoxuan, Yu Ren, Sheng Dongjie, Mao Wei. Research on Dynamic Modeling and Control Method of Heat Pipe Reactor[J]. Nuclear Power Engineering, 2024, 45(4): 166-172. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.04.0166
Citation: Yin Shaoxuan, Yu Ren, Sheng Dongjie, Mao Wei. Research on Dynamic Modeling and Control Method of Heat Pipe Reactor[J]. Nuclear Power Engineering, 2024, 45(4): 166-172. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.04.0166

热管堆动态模型构建与控制方法研究

doi: 10.13832/j.jnpe.2024.04.0166
基金项目: 核反应堆系统设计技术重点实验室开放基金(LRSDT12023303)
详细信息
    作者简介:

    殷少轩(2000—),男,硕士研究生,现主要从事核反应堆控制方法研究,E-mail: 1033272793@qq.com

  • 中图分类号: TL361

Research on Dynamic Modeling and Control Method of Heat Pipe Reactor

  • 摘要: 为了开展热管堆的核功率控制方法研究,本文建立了MegaPower热管堆的轻量化动态模型,并基于此对设计的控制器进行了仿真验证。基于集总参数方法,研究了堆芯到热管再到换热器的传热模型,并建立了Simulink仿真模型。针对热管堆的控制方法,首先确定了以负荷跟踪和换热器出口温度不变为控制目标,然后设计了并联比例-积分-微分(PID)和串级PID两种控制器,并对比分析了两者的控制效果。结果表明:模型方面,模型的稳态误差不超过0.05%,其在无控制情况下的参数响应趋势与理论分析一致,且仿真速度较快;控制方面,2种控制器均能够达成控制目标,核功率和换热器出口温度的调节时间小于150 s,且波动幅值较小。因此,本文建立的热管堆的动态模型可以用于热管堆控制方法的仿真验证,基于PID设计的两种控制器具有较好的控制效果,且串级PID控制器的控制性能更好。

     

  • 图  1  MegaPower热管堆堆芯和换热器结构图

    Figure  1.  Structure of MegaPower Heat Pipe Reactor Core and Heat Exchanger

    图  2  堆芯内热管、基体、燃料棒的排布图

    Figure  2.  Diagram of the Arrangement of Heat Pipes, Monolith and Fuel Rods in the Core

    图  3  单组六角形组件等效为圆筒形组件

    Figure  3.  A Single Set of Hexagonal Assembly is Equivalent to Cylindrical Assembly

    图  4  热管的热阻网络

    Figure  4.  Thermal Resistance Network of Heat Pipes

    图  5  热管换热器的结构以及流道横截面示意图

    Figure  5.  Structure of Heat Pipe Heat Exchanger and Schematic Diagram of Flow Channel Cross Section

    图  6  热管换热器的节点划分

    Figure  6.  Node Division of Heat Pipe Heat Exchanger

    图  7  动态模型耦合计算流程图

    Figure  7.  Flow Chart of Dynamic Model Coupling Calculation

    图  8  在100%FP初始条件和无控制情况下热管堆的响应曲线     

    Figure  8.  Response Curves of Heat Pipe Reactor under 100%FP Initial Condition without Control

    图  9  并联PID控制器的结构

    Tref—换热器出口参考温度;Tout—换热器出口实际温度

    Figure  9.  Structure of Parallel PID Controller

    图  10  在并联PID控制下热管堆的响应曲线

    Figure  10.  Response Curve of Heat Pipe Reactor under Parallel PID Control     

    图  11  串级PID控制系统的结构

    Figure  11.  Structure of Cascade PID Control System

    图  12  串级PID与并联PID的控制效果对比

    Figure  12.  Comparison of Control Performance between Cascade PID and Parallel PID

    表  1  热管堆动态模型在100%FP初始条件下的稳态误差

    Table  1.   The Steady-state Error of Dynamic Model of HPR under 100%FP Initial Condition

    参数名 设计值 动态模型的计算值 相对误差/%
    相对功率 1 0.9998 −0.02
    燃料平均温度/K 988.75 988.70 −0.01
    基体平均温度/K 959.19 959.10 −0.01
    热管平均温度/K 952.99 952.50 −0.05
    换热器出口温度/K 820.00 819.19 −0.01
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-08-29
  • 修回日期:  2023-10-10
  • 刊出日期:  2024-08-12

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