核电钠冷快堆与汽轮发电机功率之间的堆机跟踪匹配方法与流程

本发明涉及核电站自动化控制，尤其涉及一种核电钠冷快堆与汽轮发电机功率之间的堆机跟踪匹配方法。

背景技术：

1、钠冷快堆是第四代核能系统的核心堆型，以液态金属钠为冷却剂、依靠快中子维持裂变链式反应，是实现核燃料增殖和核废料减量的关键技术。

2、与传统压水堆核电机组相比，钠冷快堆在堆机功率匹配方面面临着根本性的技术约束差异，强制要求采用机跟堆运行模式（即汽轮发电机功率跟随反应堆功率变化，而非反应堆跟随汽轮发电机负荷变化），其原因主要包括以下几方面：

3、第一，压水堆中冷却剂水沸腾产生空泡会引入强负反应性，具有天然的安全自稳特性；而钠冷快堆中，液态钠吸收中子极少，一旦局部钠沸腾产生钠空泡，中子泄漏减少、堆芯中子密度上升，将产生正反应性反馈，导致功率进一步暴涨并加剧钠沸腾，形成恶性循环。若采用堆跟机模式，电网负荷骤降时汽轮机快速关小调节阀，蒸汽发生器换热骤减，二回路钠温升高、一回路钠局部过热沸腾，极易触发正空泡效应，威胁堆芯安全。因此，钠冷快堆必须使反应堆功率保持恒定或缓慢变化，由汽轮机侧跟随堆功率调整出力，从根源上避免钠局部汽化风险。

4、第二，钠冷快堆配套直管直流蒸汽发生器，区别于压水堆带大水位缓冲的u型管饱和蒸汽发生器，其水侧容积极小、蓄热低，负荷小幅阶跃波动就会造成主蒸汽压力和温度剧烈震荡。工程测算表明，大型钠冷快堆仅能承受不超过3%额定功率的缓慢负荷阶跃，完全不适合堆跟机模式下快速、大幅度的功率跟踪。

5、第三，钠冷快堆采用一回路放射性钠—二回路洁净钠—三回路水/蒸汽的三层换热结构，一、二回路钠系统具有大容量、高热惰性，温度和流量调节的滞后性极强。频繁升降堆功率会导致高温钠系统经历冷热交变循环，加速堆内构件、蒸汽发生器及中间换热器的钠腐蚀与热疲劳裂纹，大幅提升钠泄漏和钠火事故概率。

6、第四，钠冷快堆的核心定位是增殖钚燃料和嬗变长寿命核废料，依赖稳定的中子通量。堆功率持续大幅波动时，堆内中子能谱和中子密度不断变化，u-238转化为pu-239的增殖比不稳定，燃料燃耗和废料嬗变效率大幅下降，丧失快堆的核心价值。

7、第五，钠冷快堆通常设计100%容量的汽轮机旁路系统，在电网甩负荷或用电下降时，无需降低堆功率，直接打开旁路将多余蒸汽排入凝汽器，吸收全部功率不匹配差值，完全隔离堆芯与电网波动。

8、然而，尽管钠冷快堆在运行模式上必须采用机跟堆，现有技术在实现这一模式时仍面临控制系统层面的技术难题。在机跟堆模式下，核岛控制系统与常规岛（汽轮发电机）控制系统之间需要进行主蒸汽压力控制权的切换与协调。传统方案要求两个系统之间进行大量信号交互，包括停机信号、快卸信号、连锁信号、各类模拟量参考值及其质量位等，接口数量众多且控制选择逻辑复杂，不仅增加了系统设计与调试难度，还导致两个系统间耦合度过高，一旦信号传输出现异常，极易影响机组的正常运行甚至引发安全风险。

9、中国专利cn119339982a公开了一种多模块高温气冷堆热电联产工况下的协调控制系统及方法，在稳态工况下采用机跟堆模式，但该方案主要针对多模块高温气冷堆及热电联产的特定工况，其系统架构包含多个独立的nsss模块控制及复杂的前馈解耦机制，并未解决钠冷快堆机组中堆机信号接口过多、控制逻辑耦合度高的问题。

10、中国专利cn120540036a公开了一种堆机汽轮发电机仿真系统，仅局限于仿真测试领域，未解决实际钠冷快堆核电站运行中核岛与汽机控制系统之间物理接口和信号交互的简化问题。

11、因此，亟需一种专门适配钠冷快堆机组特性的堆机跟踪匹配方法，以在确保钠冷快堆安全运行约束的前提下，实现核岛与常规岛控制系统的解耦及主蒸汽压力的稳定协同控制。

12、有鉴于此，提出本技术。

技术实现思路

1、本技术实施例通过提供一种核电钠冷快堆与汽轮发电机功率之间的堆机跟踪匹配方法，解决了现有技术中存在的堆机匹配信号交互复杂且系统耦合度高的问题，实现核岛与常规岛控制系统的解耦及主蒸汽压力的稳定协同控制的技术效果。

2、第一方面，本技术提供了一种核电钠冷快堆与汽轮发电机功率之间的堆机跟踪匹配方法，应用于钠冷快堆核电机组，钠冷快堆核电机组包括一回路钠系统、二回路钠系统、三回路水蒸汽系统以及直流式蒸汽发生器，三回路水蒸汽系统的主蒸汽管道上设置有旁排阀和汽轮机调节阀，方法包括：

3、获取主蒸汽管道的实时压力信号，将实时压力信号分别传输至核岛控制系统和汽轮发电机控制系统；

4、在机组启动阶段及低功率运行阶段，通过核岛控制系统基于实时压力信号对旁排阀执行闭环调节操作，使旁排阀的开度减小至零且汽轮发电机功率达到预设的初期目标值，得到低功率匹配完成状态；

5、在低功率匹配完成状态下，控制汽轮发电机功率增加预设的功率微调量，以维持旁排阀处于关闭状态；

6、在旁排阀处于关闭状态的情况下，基于根据汽轮发电机侧主蒸汽压力目标值控制汽轮发电机控制系统，汽轮发电机侧主蒸汽压力目标值根据核岛控制系统侧主蒸汽压力目标值与预设压力偏差值之间的差值确定；

7、基于实时压力信号与汽轮发电机侧主蒸汽压力目标值之间的偏差，对汽轮机调节阀执行调节操作以控制主蒸汽压力，基于实时压力信号与核岛控制系统侧主蒸汽压力目标值之间的偏差，维持旁排阀处于关闭状态，以将主蒸汽压力控制权由核岛控制系统切换至汽轮发电机控制系统；

8、在完成主蒸汽压力控制权的切换后，基于实时压力信号与汽轮发电机侧主蒸汽压力目标值之间的偏差，持续调节汽轮机调节阀，以使汽轮发电机功率跟随反应堆功率变化。

9、在本技术的一些实施例中，基于前述方案，在机组启动阶段及低功率运行阶段，通过核岛控制系统基于实时压力信号对旁排阀执行闭环调节操作，使旁排阀的开度减小至零且汽轮发电机功率达到预设的初期目标值，得到低功率匹配完成状态，包括：

10、在机组启动阶段之前，获取核岛控制系统的核岛最小负荷平台对应的压力设定值，基于压力设定值对旁排阀执行调节操作，以维持主蒸汽压力；

11、在汽轮发电机处于负荷控制模式的情况下，提升反应堆功率和汽轮发电机功率，基于实时压力信号与压力设定值之间的偏差对旁排阀执行闭环调节操作；

12、判断旁排阀的开度是否减小至零，以及判断汽轮发电机功率是否达到预设的初期目标值；

13、在判断结果为旁排阀的开度减小至零且汽轮发电机功率达到预设的初期目标值的情况下，则判定反应堆与汽轮发电机在低功率阶段的功率匹配完成，得到低功率匹配完成状态。

14、在本技术的一些实施例中，基于前述方案，预设压力偏差值通过以下步骤得到：

15、获取核岛控制系统维持旁排阀处于关闭状态的压力控制死区，以及实时压力信号的压力测量波动幅值；

16、基于压力控制死区与压力测量波动幅值之和，以及预设的安全裕度系数，得到预设压力偏差值；预设压力偏差值用于使汽轮发电机侧主蒸汽压力目标值在控制过程中不触发旁排阀开启。

17、在本技术的一些实施例中，基于前述方案，功率微调量通过以下步骤得到：

18、获取旁排阀的开度减小至零时对应的主蒸汽管道初始压力，以及旁排阀的开启整定压力；

19、基于开启整定压力与主蒸汽管道初始压力之间的差值，确定目标压力下拉量；

20、根据汽轮发电机的功率与压力转换特性，将目标压力下拉量转换为对应的功率增量，作为功率微调量。

21、在本技术的一些实施例中，基于前述方案，基于实时压力信号与汽轮发电机侧主蒸汽压力目标值之间的偏差，持续调节汽轮机调节阀，以使汽轮发电机功率跟随反应堆功率变化，包括：

22、在反应堆升负荷导致实时压力信号呈现升高趋势的情况下，增大汽轮机调节阀的开度，以抑制主蒸汽压力升高并提升汽轮发电机出力，直至汽轮发电机达到满功率状态；

23、在反应堆降负荷导致实时压力信号呈现降低趋势的情况下，减小汽轮机调节阀的开度，以维持主蒸汽压力收敛于汽轮发电机侧主蒸汽压力目标值并降低汽轮发电机出力；其中，反应堆的升负荷速率和降负荷速率不超过直流式蒸汽发生器的热负荷承受阈值。

24、在本技术的一些实施例中，基于前述方案，核岛控制系统和汽轮发电机控制系统均独立采用pid控制算法分别对旁排阀和汽轮机调节阀执行闭环调节操作。

25、在本技术的一些实施例中，基于前述方案，获取主蒸汽管道的实时压力信号，并将实时压力信号分别传输至核岛控制系统和汽轮发电机控制系统，包括：

26、获取设置于主蒸汽管道上的多个主蒸汽压力测点采集的实时压力信号；

27、将其中一半主蒸汽压力测点采集的实时压力信号传输至核岛控制系统，并将另外一半主蒸汽压力测点采集的实时压力信号传输至汽轮发电机控制系统；

28、建立核岛控制系统向汽轮发电机控制系统的单向信号传输通道，并通过单向信号传输通道将至少一个停机信号由核岛控制系统传输至汽轮发电机控制系统。

29、在本技术的一些实施例中，基于前述方案，钠冷快堆核电机组还包括100%容量的汽轮机旁路系统，方法还包括：

30、在电网负荷骤降或甩负荷工况下，保持反应堆功率不变，通过开启旁路系统中的旁排阀将多余蒸汽排入凝汽器，以消纳反应堆功率与汽轮发电机功率之间的不匹配差值。

31、第二方面，本技术提供了一种核电钠冷快堆与汽轮发电机功率之间的堆机跟踪匹配系统，应用于钠冷快堆核电机组，钠冷快堆核电机组包括一回路钠系统、二回路钠系统、三回路水蒸汽系统以及直流式蒸汽发生器，三回路水蒸汽系统的主蒸汽管道上设置有旁排阀和汽轮机调节阀，包括：

32、获取模块，用于获取主蒸汽管道的实时压力信号，将实时压力信号分别传输至核岛控制系统和汽轮发电机控制系统；

33、启动及低功率运行控制模块，用于在机组启动阶段及低功率运行阶段，通过核岛控制系统基于实时压力信号对旁排阀执行闭环调节操作，使旁排阀的开度减小至零且汽轮发电机功率达到预设的初期目标值，得到低功率匹配完成状态；

34、低功率匹配控制模块，用于在低功率匹配完成状态下，控制汽轮发电机功率增加预设的功率微调量，以维持旁排阀处于关闭状态；

35、汽轮发电机侧主蒸汽压力目标值控制模块，用于在旁排阀处于关闭状态的情况下，基于根据汽轮发电机侧主蒸汽压力目标值控制汽轮发电机控制系统，汽轮发电机侧主蒸汽压力目标值根据核岛控制系统侧主蒸汽压力目标值与预设压力偏差值之间的差值确定；

36、主蒸汽压力控制权切换模块，用于基于实时压力信号与汽轮发电机侧主蒸汽压力目标值之间的偏差，对汽轮机调节阀执行调节操作以控制主蒸汽压力，基于实时压力信号与核岛控制系统侧主蒸汽压力目标值之间的偏差，维持旁排阀处于关闭状态，以将主蒸汽压力控制权由核岛控制系统切换至汽轮发电机控制系统；

37、汽轮机调节阀控制模块，用于在完成主蒸汽压力控制权的切换后，基于实时压力信号与汽轮发电机侧主蒸汽压力目标值之间的偏差，持续调节汽轮机调节阀，以使汽轮发电机功率跟随反应堆功率变化。

38、第三方面，本技术提供了一种电子设备，包括：

39、处理器；

40、用于存储处理器可执行指令的存储器；

41、其中，处理器被配置为执行以实现如第一方面所提供的一种核电钠冷快堆与汽轮发电机功率之间的堆机跟踪匹配方法。

42、本技术实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

43、1、改变了现有堆跟机技术需传递数十种复杂信号的现状，大幅减少了接口数量，将汽轮发电机侧的主蒸汽压力目标值设定为低于核岛控制系统侧的目标值，利用静态偏差替代了传统技术中依赖大量闭锁信号和协调指令的动态逻辑，确保在控制权切换后核岛侧始终感知压力偏低，从而可靠维持旁排阀关闭，杜绝了因压力瞬态波动导致的旁排阀意外开启。

44、2、在判定低功率匹配完成后，主动增加预设的功率微调量，利用汽轮机多消耗蒸汽在主蒸汽管道中制造可控的压力下拉趋势，消除了阀门机械间隙或控制死区引起的假关现象；在旁排阀关闭且设定偏差目标值后，汽轮发电机控制系统直接投入压力闭环控制，而核岛控制系统因其目标值较高而自然输出关闭指令，保证了控制权移交过程中主蒸汽压力的平稳无扰。

45、3、在完成控制权切换后，仅以实时压力信号与汽轮发电机侧目标值的偏差作为依据，持续调节汽轮机调节阀，使汽轮发电机功率自动跟随反应堆功率变化。在升负荷时开大阀门抑制压力升高并增加出力，在降负荷时关小阀门维持压力并减少出力。

46、4、将主蒸汽管道上多个压力测点分成两组，分别独立、硬接线直接接入核岛和汽轮发电机控制系统，任一系统的测量回路发生故障均不会影响另一系统的压力感知与控制能力，避免了通过数字通信转发信号可能引发的单点故障风险，极大提升了堆机匹配功能在极端工况下的可用性。通过物理链路上切断了常规岛侧扰动向核岛侧反向传播的路径，在简化控制的同时，显著提升了机组运行的安全性与可靠性。

47、5、本发明的堆机跟踪匹配方法通过以主蒸汽压力为唯一协调变量、基于静态偏差实现控制权无扰切换的控制架构，恰好契合了钠冷快堆对反应堆功率恒定或缓变、汽轮机侧被动跟随堆功率变化的运行要求。同时，通过物理测点独立分配和单向信号传输的设计，从物理链路上切断了常规岛侧扰动向核岛侧反向传播的路径，避免了因常规岛负荷波动传导至一、二回路钠系统而引发钠温扰动和钠沸腾风险，显著提升了钠冷快堆机组运行的安全性与可靠性。