用于热管堆耦合超临界CO2布雷顿循环核动力系统的启动方法

用于热管堆耦合超临界co2布雷顿循环核动力系统的启动方法
技术领域
1.本发明属于核反应堆热工水力实验技术领域，具体涉及一种用于热管堆耦合超临界co2布雷顿循环核动力系统的启动方案。


背景技术：

2.无人潜航器(uuv)具有自主性、灵活性和多功能性，是水下勘探、资源开发、开发利用的有效工具。热管冷却反应堆(hpr)由于其良好的固有安全性、可控性和隐蔽性，被认为是uuv动力源中最有前途的选择之一。由于热管冷却反应堆的应用场景不同，其结构也各不同。大多数热管冷却反应堆使用静态热电转换装置，但随着功率需求的增加，动态热电转换装置正变得越来越流行。采用热管型反应堆耦合超临界co2布雷顿循环系统具有高清醒、高功率密度、高可靠性等优点，其十分适用于结构紧凑的水下无人潜航器。
3.这种新型核动力系统具有较好的应用前景，因此针对该种新型核动力系统的冷态启动特性研究具有重要意义。由于这种新型核动力装置启动过程中涉及到较大的热延迟线性、较强的热膨胀阻力以及回路切换流量变化剧烈等特点，同时启动过程还需满足一定的限制条件，这些增加了热管堆耦合超临界co2布雷顿循环核动力系统的启动方案设计的复杂性和难度。
4.目前，现有的热管冷却反应堆启动方案大多是针对静态热电转换器的，相对而言较为简单不具有分析该种新型耦合系统冷态启动的能力。因此，探索出一个合理的具有较好的安全性和稳定性的用于热管堆耦合超临界co2布雷顿循环核动力系统的启动方案具有重要意义。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题在于针对新型核动力装置启动特性研究的不足，提供一种用于热管堆耦合超临界co2布雷顿循环核动力系统启动控制方法，同时考虑了堆芯升功率限制、转动鼓精度限制等安全和稳定因素。
6.本发明采用以下技术方案来实现的：
7.一种用于热管堆耦合超临界co2布雷顿循环核动力系统的启动方法，所述热管堆耦合超临界co2布雷顿循环核动力系统的循环过程为：堆芯通过热管将热量传递给流经热管冷凝段的co2气体，co2气体在冷凝段吸热后进入气轮机膨胀做功，带动转动轴转动，进而带动压缩机转动为整个热管堆耦合超临界co2布雷顿循环核动力系统的循环回路提供驱动力，带动发电机向外输出功率，在气轮机做功后的乏汽在回热器内再次输出部分热能后，进入预冷器与冷却水换热，在气体达到压缩机入口目标温度后进入压缩机加压，其后进入回热器吸收乏汽释放的热能，完成循环过程；热管堆耦合超临界co2布雷顿循环核动力系统冷态启动包括堆芯热管启动、压缩机启动和循环回路切换；当系统首次启动时，采用有源启动方式，中子源放置在堆芯中心控制棒吸收体下端；通过转动鼓控制系统调节堆芯热管启动，满足堆芯启动限制条件，实现堆芯功率和温度的自主控制；通过压缩机入口温度控制，实现
启动过程中压缩机入口温度的调节；通过压缩机入口压力控制，实现启动过程中压缩机入口压力的调节；通过转动轴转速控制实现压缩机转速台阶式上升；系统循环回路流量通过压缩机入口节流阀控制，实现启动过程中系统循环回路流量调节；系统循环回路切换控制通过气轮机旁通阀和气轮机入口节流阀开度控制，实现启动过程中工质从旁通支路逐步切换到气轮机支路。
8.所述转动鼓控制系统调节堆芯热管启动，满足堆芯启动限制条件，通过调节控制鼓转动角度和观察时间，改变堆芯功率升高速率。
9.控制单次转动鼓转动角度，在每次控制转动鼓转动后，观察时间内满足最大上升速率小于0.5％fp(满功率)的情况下进行下一次转动否则进入下一个观察时间。
10.压缩机入口温度发生变化时，将压缩机实际入口温度与压缩机设定入口温度的差值作为输入信号输入到pi控制器中，根据pi控制器输出的信号来改变冷却水入口阀门开度，进而改变冷却水质量流量，以维持压缩机入口温度稳定。
11.冷却水入口阀门的开度o(t)为：
12.o(t)＝o(0)+u(t)
13.其中o(0)为冷却水入口阀门初始开度，u(t)为压缩机入口温度控制输出信号。
14.压缩机入口压力控制通过在压缩机入口处连接一个抽补气箱，在系统循环回路升温过程中及时抽气防止系统循环回路超压。
15.在系统循环回路启动前期，由发电机带动压缩机做功并维持转速阶梯式上升，通过控制与压缩机同轴相连的电动机功率，改变转动轴上的动力矩，使得压缩机按照设定转速运行。
16.系统循环回路流量控制通过压缩机入口节流阀控制调节，在启动过程中流量超过设定值时触发控制信号，以额定转速运行下系统循环回路的标定流量作为基准值，实时流量与基准值差值为输入信号，采用pi控制器调节压缩机入口节流阀开度，使流量稳定。
17.气轮机旁通阀开度和气轮机入口节流阀开度随时间进行变化。
18.所述的一种用于热管堆耦合超临界co2布雷顿循环核动力系统的启动方法，所述热管堆耦合超临界co2布雷顿循环核动力系统的构成为：堆芯1和热管2依次与回热器3、压缩机6、预冷器4、回热器3和气轮机8相连构成循环回路；回热器3的低压侧出口与预冷器入口4连接，预冷器4的出口管线与压缩机入口节流阀10连接，压缩机入口节流阀10后连接压缩机入口，压缩机6、发电机7和气轮机8处在同一转动轴14上；压缩机6出口连接回热器3高压侧入口，回热器3高压侧将流体预热后进入热管换热器2，热管换热器2出口分成两路，一路与气轮机入口节流阀11连接后与气轮机8入口相连，另一路经气轮机旁通阀12与回热器3低压侧入口连接。
19.和现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
20.本发明一种用于热管堆耦合超临界co2布雷顿循环核动力系统的启动方法，实现控制热管堆耦合超临界co2布雷顿系统冷态启动关键参数的能力，降低瞬态过程耦合系统中关键参数的扰动。
21.转动鼓控制系统可以有效控制堆芯启动功率上升速率，并且保证了转动鼓单次转动精度的影响。压缩机入口温度控制可以有效控制压缩机入口温度稳定，避免co2在因温度变化导致密度大幅度变化。在压缩机入口处连接一个抽补气箱，在启动升温过程中及时抽
气防止环路超压。电机带动压缩机做功并维持转速阶梯式上升，有利于维持循环回路流量稳定，克服工质热膨胀产生的影响，并且确保气轮机暖机。环路流量控制可以实现压缩机设备的保护，消除启动时转速升高过程中，回路阻力小导致压缩机流量增加而发生阻塞的风险。气轮机旁通阀开度和气轮机入口节流阀开度随时间分阶段变化，有利于降低开度变化时回路阻力变化导致的流量波动，维持系统关键参数稳定。
22.综上所述，本发明能够有效控制热管耦合超临界co2布雷顿系统冷态启动关键参数的变化，具备有合理的安全性和稳定性。
附图说明
23.图1为热管堆耦合超临界co2布雷顿系统控制示意图；
24.图2为启动方案流程图；
25.图3为控制鼓控制逻辑图；
26.图4为压缩机入口温度控制逻辑图；
27.图5为环路流量控制逻辑图；
28.图6为冷态启动堆芯功率曲线；
29.图7为耦合系统冷态启动响应示意图，其中，a为回路各关键部件入口质量流量变化以及启动过程中转速变化，b为气轮机旁通阀和节流阀随时间开度变化，c为回路各关建部件温度变化。
30.其中：1、堆芯；2、热管；3、回热器；4、预冷器；5、储液箱；6、压缩机；7、发电机；8气轮机；9海水节流阀；10；压缩机入口节流阀；11、气轮机入口节流阀；12、气轮机旁通阀；13、气轮机出口止回阀；14、转动轴。
具体实施方式
31.为使本发明实施例的目的、技术方案和特点更加清楚，下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。以一种使用热管堆作为动力装置的深海无人潜航器的设计参数为基础，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
32.本发明提供了一种用于热管堆耦合超临界co2布雷顿循环核动力系统的启动方法。
33.如图1所示，热管堆耦合超临界co2布雷顿循环核动力系统的构成为：堆芯1和热管2依次与回热器3、压缩机6、预冷器4、回热器3和气轮机8相连构成循环回路；回热器3的低压侧出口与预冷器入口4连接，预冷器4的出口管线与压缩机入口节流阀10连接，压缩机入口节流阀10后连接压缩机入口，压缩机6、发电机7和气轮机8处在同一转动轴14上；压缩机6出口连接回热器3高压侧入口，回热器3高压侧将流体预热后进入热管换热器2，热管换热器2出口分成两路，一路与气轮机入口节流阀11连接后与气轮机8入口相连，另一路经气轮机旁通阀12与回热器3低压侧入口连接。
34.如图2为本发明方法启动流程图，主要包括堆芯热管启动、压缩机启动以及循环回路切换，其具体的操作步骤为：
35.第一步，当系统冷态启动时，首先采用控制鼓控制引入正反应性，进而实现堆芯热
管启动。堆芯热管启动主要分为三个阶段：如图6中a处，第一个阶段为次临界至临界状态，为了能快速到达临界，选择将控制鼓以1
°
/s的速度转动；如图6中b处，第二阶段为升功率至热管完全启动，该过程采用控制鼓控制(如图3所示)，具体实施方案是单次转动0.1
°
控制鼓角度，单次转动控制鼓条件为观测时间35s内，温度变化不超过5k，最大功率升速低于0.5％fp(满功率)的情况下转动；如图6中c处，第三阶段为布雷顿循环引入，该阶段压缩机开始启动回路流量上升，由于co2冷却热管冷凝段，堆芯热管热量排出，温度负反馈减弱堆芯功率上升更迅速。
36.第二步实现压缩机启动，将循环回路流量升高至额定状态。如图7中a所示，转动轴转速随时间台阶式上升，确保控制较长时间的相对低转速为气轮机暖机，同时由于压缩机启动时热管冷凝段已经具有一定的温度，在流速升高的情况下会出现较大的热膨胀带来流量扰动，需要尽量快速提高转速增大压缩机压头克服阻力。并且其后需维持合适的转速台阶克服工质热膨胀导致的阻力。在这之后采用转速台阶式上升的方式使得循环回路流量波动较为稳定。压缩机启动时引入压缩机入口温度控制和压力控制，降低启动过程中循环回路波动。在转速提高过程中，需要提前引入循环回路流量控制，避免转速提高导致的流量过大，增加系统的稳定性。
37.如图4和图5所示，采用工业经验最成熟的比例积分pi控制器来实现压缩机入口温度和循环回路流量的控制需求，该公式为：
[0038][0039]
其中u(t)为pi控制器输出信号；e(t)为pi控制器输入信号；kp为控制器比例环节增益参数；
[0040]
上述压缩机入口温度和回路流量控制，其具体实施方案为在压缩机入口处设置监控，以监控参数(压缩机入口温度和回路流量)同目标值的偏差作为pi控制器输入信号，公式为：
[0041][0042]
其中φ为监控参数；φ
set
为设定目标值。
[0043]
根据上述pi控制器输出信号，可以计算得到冷却水入口阀门开度变化，该公式为：
[0044]
o(t)＝o(0)+u(t)
[0045]
第三步实现循环回路切换将气轮机接入循环回路做功，实现循环回路完全启动。气轮机入口节流阀和气轮机旁通阀开度在气轮机入口温度超过设定值后触发切换信号后开始动作，阀门开度随时间进行变换。具体开度变化见图7中b所示，阀门动作前气轮机入口节流阀开度维持0.1，以确保气轮机暖机。在阀门动作时流量波动导致回热器换热量变化，冷凝段入口温度降低。如图7中b阀门开度变化和图7中c系统温度变化，采用阶梯式开度变换，有利于减小该瞬态过程期间的温度波动。
[0046]
在冷态启动过程中考虑系统运行的稳定性，具体如下：
[0047]
热管堆耦合超临界co2布雷顿循环系统，由于高温热管启动极限的限制，因此需首先启动堆芯热管。在热管完全启动后再进行升转速过程，因此必然会导致流体在流经热管
冷凝段后受热膨胀出现较大的流量扰动。采用转动轴转速控制快速升转速能够尽量降低该过程的影响。其后升转速过程，需要提前引入回路流量控制，避免转速提高导致的流量过大，增加系统的稳定性。在循环回路切换过程中，气轮机旁通阀和气轮机入口节流阀关闭和开启会导致流量变化，进而影响回热器换热量，导致冷凝段入口温度降低，采用阶梯式阀门变动，能够有效降低阀门变动导致的温度变化，更快速达到额定状态。
[0048]
在冷态启动过程中考虑系统运行的安全性，具体如下：
[0049]
1、堆芯升功率限制
[0050]
在耦合系统冷态启动瞬态过程中，堆芯功率变化不应超过瞬态运行安全限值。
[0051]
2、堆芯热应力
[0052]
在系统冷态启动瞬态过程中，堆芯包壳、燃料和热管温度变化幅度和速率不超过材料可承受的热应力限值。
[0053]
综上所述，本发明一种用于热管堆耦合超临界co2布雷顿循环核动力系统的启动方法，采用该方法可以实现热管堆耦合超临界co2布雷顿循环系统的冷态启动控制，方法中的控制系统可以有效控制系统关键参数在瞬态过程中的扰动幅度，并考虑了瞬态运行过程中的安全性和稳定性。
[0054]
虽然，已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

技术特征：
1.一种用于热管堆耦合超临界co2布雷顿循环核动力系统的启动方法，其特征在于，所述热管堆耦合超临界co2布雷顿循环核动力系统的循环过程为：堆芯通过热管将热量传递给流经热管冷凝段的co2气体，co2气体在冷凝段吸热后进入气轮机膨胀做功，带动转动轴转动，进而带动压缩机转动为整个热管堆耦合超临界co2布雷顿循环核动力系统的循环回路提供驱动力，带动发电机向外输出功率，在气轮机做功后的乏汽在回热器内再次输出部分热能后，进入预冷器与冷却水换热，在气体达到压缩机入口目标温度后进入压缩机加压，其后进入回热器吸收乏汽释放的热能，完成循环过程；热管堆耦合超临界co2布雷顿循环核动力系统冷态启动包括堆芯热管启动、压缩机启动和循环回路切换；当系统首次启动时，采用有源启动方式，中子源放置在堆芯中心控制棒吸收体下端；通过转动鼓控制系统调节堆芯热管启动，满足堆芯启动限制条件，实现堆芯功率和温度的自主控制；通过压缩机入口温度控制，实现启动过程中压缩机入口温度的调节；通过压缩机入口压力控制，实现启动过程中压缩机入口压力的调节；通过转动轴转速控制实现压缩机转速台阶式上升；系统循环回路流量通过压缩机入口节流阀控制，实现启动过程中系统循环回路流量调节；系统循环回路切换控制通过气轮机旁通阀和气轮机入口节流阀开度控制，实现启动过程中工质从旁通支路逐步切换到气轮机支路。2.根据权利要求1所述的一种用于热管堆耦合超临界co2布雷顿循环核动力系统的启动方法，其特征在于，所述转动鼓控制系统调节堆芯热管启动，满足堆芯启动限制条件，通过调节控制鼓转动角度和观察时间，改变堆芯功率升高速率。3.根据权利要求2所述的一种用于热管堆耦合超临界co2布雷顿循环核动力系统的启动方法，其特征在于，控制单次转动鼓转动角度，在每次控制转动鼓转动后，观察时间内满足最大上升速率小于0.5％fp的情况下进行下一次转动否则进入下一个观察时间。4.根据权利要求1所述的一种用于热管堆耦合超临界co2布雷顿循环核动力系统的启动方法，其特征在于，压缩机入口温度发生变化时，将压缩机实际入口温度与压缩机设定入口温度的差值作为输入信号输入到pi控制器中，根据pi控制器输出的信号来改变冷却水入口阀门开度，进而改变冷却水质量流量，以维持压缩机入口温度稳定。5.根据权利要求4所述的一种用于热管堆耦合超临界co2布雷顿循环核动力系统的启动方法，其特征在于，冷却水入口阀门的开度o(t)为：o(t)＝o(0)+u(t)其中o(0)为冷却水入口阀门初始开度，u(t)为压缩机入口温度控制输出信号。6.根据权利要求1所述的一种用于热管堆耦合超临界co2布雷顿循环核动力系统的启动方法，其特征在于，压缩机入口压力控制通过在压缩机入口处连接一个抽补气箱，在系统循环回路升温过程中及时抽气防止系统循环回路超压。7.根据权利要求1所述的一种用于热管堆耦合超临界co2布雷顿循环核动力系统的启动方法，其特征在于，在系统循环回路启动前期，由发电机带动压缩机做功并维持转速阶梯式上升，通过控制与压缩机同轴相连的电动机功率，改变转动轴上的动力矩，使得压缩机按照设定转速运行。8.根据权利要求1所述的一种用于热管堆耦合超临界co2布雷顿循环核动力系统的启动方法，其特征在于，系统循环回路流量控制通过压缩机入口节流阀控制调节，在启动过程中流量超过设定值时触发控制信号，以额定转速运行下系统循环回路的标定流量作为基准
值，实时流量与基准值差值为输入信号，采用pi控制器调节压缩机入口节流阀开度，使流量稳定。9.根据权利要求1所述的一种用于热管堆耦合超临界co2布雷顿循环核动力系统的启动方法，其特征在于，气轮机旁通阀开度和气轮机入口节流阀开度随时间进行变化。10.根据权利要求1所述的一种用于热管堆耦合超临界co2布雷顿循环核动力系统的启动方法，其特征在于，所述热管堆耦合超临界co2布雷顿循环核动力系统的构成为：堆芯(1)和热管(2)依次与回热器(3)、压缩机(6)、预冷器(4)、回热器(3)和气轮机(8)相连构成循环回路；回热器(3)的低压侧出口与预冷器入口(4)连接，预冷器(4)的出口管线与压缩机入口节流阀(10)连接，压缩机入口节流阀(10)后连接压缩机入口，压缩机(6)、发电机(7)和气轮机(8)处在同一转动轴(14)上；压缩机(6)出口连接回热器(3)高压侧入口，回热器(3)高压侧将流体预热后进入热管换热器(2)，热管换热器(2)出口分成两路，一路与气轮机入口节流阀(11)连接后与气轮机(8)入口相连，另一路经气轮机旁通阀(12)与回热器(3)低压侧入口连接。

技术总结
本发明公开了一种用于热管堆耦合超临界CO2布雷顿循环核动力系统的启动方法，热管堆耦合超临界CO2布雷顿循环核动力系统冷态启动包括堆芯热管启动、压缩机启动和回路切换。系统为有源启动，首先通过转动鼓控制系统调节堆芯热管启动，实现堆芯功率和温度的自主控制；通过压缩机入口温度和压力控制，维持启动过程中压缩机入口温度和压力的稳定；通过转动轴转速控制转动轴转速台阶式上升；系统回路流量通过压缩机入口节流阀控制，实现回路流量调节；系统循环回路切换控制通过气轮机旁通阀和节流阀开度控制，实现工质从旁通支路切换至气轮机支路。本发明实现控制热管堆耦合超临界CO2布雷顿系统冷态启动关键参数的能力，降低扰动较小的情况下实现系统启动。较小的情况下实现系统启动。较小的情况下实现系统启动。


技术研发人员：苟军利 王政 张明辉 单建强
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：2023.04.04
技术公布日：2023/6/27