核反應堆功率控制協調策略探討

孟安軍

【摘 要】作為系統控制的重要環節，功率控制協調策略的應用將直接影響核反應堆運行的安全性和經濟性。本文首先介紹了核反應堆功率控制理論基礎，然后具體探討了核反應堆功率控制協調策略，以期為相關技術與研究人員提供參考。

【關鍵詞】核反應堆；功率；控制協調策略

核電廠的功率控制系統一般包含核反應堆功率控制系統、核反應堆冷卻劑溫度控制系統及化學與容積控制系統。而核電廠功率控制系統對于改善核反應堆的升降、停堆和啟動功率及保持核反應堆運行的穩定性等具有重要影響。尤其是做好功率控制協調，可確保核反應堆保持經濟、安全的運行狀態。對功率分布及功率控制協調須實現剩余反應性的消除，以彌補運行中因中毒、溫度變化等造成的反應性變化。因此，加強有關核反應堆功率控制協調策略的探討，對于提高核反應功率控制質量具有重要的現實意義。

1 核反應堆功率控制理論基礎

1.1 狀態反饋

線性狀態反饋控制率的公式為：

u=Lv-Kx

其中：K表示p*n階狀態反饋增益矩陣，其屬于實常數矩陣；v表示p維控制輸入量；L表示p*p維非奇異常數據陣，其屬于常數變換矩陣。將此公式代入原系統獲得的閉環系統狀態空間表達式可為：

x=（A-BK）x+BLv

y=Cx

由此分析狀態反饋的基本性質為：（1）輸出反饋可作為狀態反饋的特例，如當K與HC相等時，則Kx也等于Hy，這時狀態反饋與輸出反饋相互等價；（2）若輸入變換矩陣的L與I相等時，也就是未對輸入進行變換時，則可將其稱為基本的狀態變量反饋；（3）依據閉環系統的傳遞函數陣可求解出狀態反饋對閉環傳遞函數陣的作用。[1]

1.2 極點配置

作為控制系統的一類有效指標設計，線性系統的極點配置主要以某定常系統為目標，構造某類線性定常控制率，以促使閉環系統形成期望的一組極點。此種指標的基礎通常包含兩方面：一是系統的極點控制系統響應速率；二是系統的極點控制系統漸進穩定性。在進行極點配置時若采用狀態反饋方式，應先考慮是否能利用狀態反饋開展任意節點配置，也就是在何種狀態下才能利用狀態反饋將系統閉環極點設置在各種期望的位點上；然后需要考慮此種狀態反饋的實現方式。

一般系統的狀態空間表達式為：

x=Ax+Bu

y=Cx+Du

采用狀態反饋u=-Kx+v將此類系統的閉環極點設置在各種指定位置的基本前提是此類系統具有完全的可控性。

1.3 線性矩陣不等式

在多數系統控制問題中，問題變量多采用矩陣形式表示。常見的標準線性不等式問題主要有三種。假設F、Ф與P是關于變量x的對稱矩陣值放射函數，c表示設定的常數向量。

（1）特征值問題：此問題是以線性矩陣不等式為限制條件，求矩陣P（x）的最大特征值的最小化問題或檢測問題的限制條件能否可行。其一般形式可表示為：

minλ

s.t.P（X）<λI

θ（x）<0

（2）廣義特征值問題：此問題是以線性矩陣不等式為限制標間，求兩個仿射矩陣函數的最大廣義特征值的最小化問題。其一般形式可表示為：

minλ

s.t.P（X）<λI

F（x）>0

θ（x）<0

（3）可行性問題：在設定的線性矩陣不等式F（x）<0的條件下，確定是否有x使F（x）<0的限制條件成立，此種問題便稱為線性矩陣不等式的可行性問題。若含有此種x，那么此矩陣不等式是可行的，相反則表示此矩陣不等式不可行。[2]

2 核反應堆功率控制協調策略

2.1 反應堆功率控制調節方法

2.1.1 PID控制器

PID控制是指依照偏差的微分D、積分I和比例P實施控制。此種控制方法具有較高的可靠性和魯棒性，且算法簡便，在不同工業領域的生產控制中均獲得了較好的控制效果。依據實踐結果，可選用冷卻劑平均溫度PID控制器和功率PID控制器開展功率調節。PID控制器選用數字PID控制中的增量算式。在降功率與升功率條件下，選用經驗調節方式，先對比例系數進行調整，然后依次分別是積分分數和微分分數，由此獲得降功率與升功率兩部分PID的參數。因PID控制器并非以系統模型為基礎，所以按照以上參數設置的PID控制器在不同工作條件下都具有較好的控制效果，而當反應堆工作狀況與調節工況偏差過大時，控制效果便會明顯減弱。

依據實際仿真效果數據發現，升功率時功率在保持穩定后不出現震蕩，冷卻劑溫度的漂移量一般控制在0.2℃以下，而降功率的控制效果低于升功率，降功率時功率在達到設定值后會先產生震蕩然后趨于穩定，冷卻劑溫度的漂移量則升高至1.1℃。造成此種狀況是因為PID控制參數主要是依據升功率工況進行調節，所以升功率控制效果要好于降功率。

2.1.2 專家PID控制器

專揀控制是指模擬人工智能將人為對事件的主觀信念納入到控制系統中，按照高水平操作員的經驗或經驗規則完成系統管控。而專家PID控制便是將PID控制與專家控制規則相結合，其不僅具備傳統PID控制的穩定性優勢，且具備專家控制的智能性。在控制時主要依據專家調整變量的經驗或專家知識對PID控制器內的微分、積分和比例實施有效整定，以大幅度提升PID控制的動態性。而恰當設定和應用此類經驗規則是專家PID控制器設計的關鍵環節，應用中可依據核反應堆功率系統的實際運行規律按照控制需求對系統變化速率和超調量實施控制，直至實現反應堆的功率調控。此種方案不但能充分利用PID控制器的穩定、簡捷和易于現場操作的特點，還能將專家控制規則不受被控對象數學模型影響的特點有效集成，由此可極大提升系統控制質量。

2.2 功率控制與功率分布的協調

2.2.1 設定運行的目標區域

在設定反應堆工作的目標區域時，可選用常軸向偏移法，目標值AOref會與堆芯壽命期限協同變化。如在對堆芯壽命周期末進行仿真時，可選取目標值AOref為5%，將其納入到算法中求得工作中軸向功率偏差的目標值ΔIref，隨后畫圖便能得出實際的功率運行目標區域。

2.2.2 功率分布調節

可使用雙堆數學模型對反應堆堆芯活性區進行劃分，得到的上下部分各選用六組緩發中子的點堆子動力學方程控制，通過功率分布系統便能實時檢測上下兩個點堆的功率狀況，然后利用算法求得軸向偏移；再與實際功率水平相結合共同代入到運行帶中檢測能否滿足運行標準。若滿足則繼續開展功率調控，若不滿足，則先壓低功率變化幅度，再對功率分布是否符合梯形圖要求進行檢測，由此循環監控，以確保工作過程中功率分布符合安全運行標準。

2.2.3 軸向偏移控制

選用上述功率分布調節方式，依據仿真結果發現當功率由20%上升至100%時加入協調控制反應堆的軸向偏差更低，其運行的穩定性與安全性更有保障。[3]

3 結束語

功率控制協調策略的應用質量將直接關系著核反應堆的整體運行質量和效益，因此，相關技術與研究人員應加強有關核反應堆功率控制協調策略的研究，總結核反應堆功率控制措施及關鍵技術處理方法，以逐步提升核反應堆功率運行水平。

【參考文獻】

[1]趙偉寧.核反應堆功率的模糊最優控制系統研究[D].哈爾濱工程大學 2013，13（14）：74-75.

[2]劉妍.一體化反應堆協調控制技術研究[D].哈爾濱工程大學，2013，6（10）：61-62.

[3]劉沖，周劍良，譚平.基于數字化控制的核電站反應堆功率控制系統[J].南華大學學報：自然科學版，2010，5（35）：57-58.

[責任編輯：湯靜]