Разработка моделей с распределенными параметрами теплового оборудования блоков типа ВВЭР Ле Ван Динь

Введение к работе

Актуальность темы диссертационного исследования: важнейшим направлением обеспечения безопасности и экономичности эксплуатации АЭС является совершенствование автоматизированных систем управления технологическими процессами.

Эффективность каждого инновационного решения — технологического, конструктивного, по автоматическому управлению и т.п. — должна быть проверена на модели, основу которой составляет математическая модель объекта управления. Модель объекта можно получить двумя способами: в результате проведения специального эксперимента на действующем объекте или аналитическим (теоретическим) способом.

В условиях рыночной экономики экспериментальный подход становится весьма проблематичным, т.к. он сопряжен с нарушением нормального режима работы, т.е. не только со снижением экономичности, но и с риском потери надежности действия оборудования. Поэтому аналитический подход становится практически единственным способом получения математической модели объекта управления. Таким образом, развитие и совершенствование аналитического моделирования является, безусловно, актуальной задачей.

В зависимости от типа задачи выделяют главные свойства и связи (внутренние и внешние) объекта, которые непременно следует учесть, и второстепенные свойства и связи, которые можно отбросить, не причинив заметного ущерба точности решения исследовательской задачи. Таким образом, для решения каждой задачи целесообразно разрабатывать свою математическую модель.

Для аварийных режимов, режимов пусков и остановов энергоблока характерны глубокие отклонения технологических параметров объекта, а поэтому модель должна быть нелинейной динамической с распределенными параметрами. Разработкой таких моделей занимаются специалисты по ядерной физике таких организаций как ИБРАЭ РАН, АЭП, НИЦ «Курчатовский институт», ФЭИ, ЭНИЦ, ОКБ «Гидропресс», ВНИИАЭС, НИТИ им. Александрова, АТЭП, НИКИЭТ и др.

К кодам нелинейных моделей второго поколения относятся RELAP4, STCP, ТРАП; к кодам третьего поколения — RELAP5, САПФИР_95, MELCOR, ASTEC, СОКРАТ, КОРСАР, РАДУГА. Эти коды непрерывно совершенствуются и верифицируются по экспериментальным данным. В рамках этих кодов разрабатываются нелинейные модели

реакторов с распределенными по высоте и радиусу параметрами (в том числе и реакторов типа ВВЭР).

Идет создание кодов нелинейных моделей нового поколения, включающих интеграцию различных процессов (мультифизичность), детальные трёхмерные расчёты (CFD-методы для гидродинамических течений, 3-D нейтронно-физические, термомеханические расчёты и т.д.), современную гибкую архитектуру, позволяющую объединять, управлять и организовывать обмен данными разнородных программных модулей.

Хотя нелинейные цифровые модели перечисленных кодов дают высокую точность но, к сожалению, они не могут быть использованы для синтеза систем автоматического регулирования в силу их сложности.

Используемые методы классической теории параметрического синтеза ориентированы на линейные модели, реализуют поиск решения в частотной области, и поэтому требуют задания динамики объекта в виде передаточных функций.

Современная теория автоматического управления, допускающая использование нелинейных моделей объекта, требует задания модели в виде системы обыкновенных дифференциальных уравнений относительно невысокой размерности; с уравнениями в частных производных она справиться не может.

К настоящему времени из доступных публикаций известна по существу лишь одна модель, предназначенная для задач автоматического регулирования. Это — модель активной зоны реактора ВВЭР с сосредоточенными параметрами и мощностным коэффициентом реактивности. Как известно, модель такого типа не может обеспечить желаемую точность синтеза, а, следовательно, необходимо дальнейшее развитие и совершенствование моделирования.

В процессе развития моделирования оборудования атомных станций целесообразно использовать полученные достижения в тепловой энергетике.

Цель диссертационной работы: Развитие теории и методологии линейного моделирования реактора типа ВВЭР в целях решения задач синтеза системы автоматического регулирования тепловой мощности.

Разработка нового метода получения высокоточных моделей с сосредоточенными параметрами невысокого порядка, предназначенных для моделирования системы автоматического регулирования.

Проведение компьютерного моделирования системы автоматического регулирования тепловой мощности энергоблока с реактором типа ВВЭР-440.

Проверка адекватности разработанных линейных моделей экспериментальным процессам и нелинейным кодам ТРАП-КС, DYN3D реактора ВВЭР-1000 Хмельницкой АЭС.

Для достижения цели решается ряд задач

1. разработка моделей с распределенными (РП) и сосредоточенными параметрами (СП), с мощностным коэффициентом реактивности, с учетом и без учета диссипации, с шестью группами запаздывающих нейтронов;

2. разработка моделей аналогичных п.1, но с температурными коэффициентами реактивности;

3. проведение расчетов динамических характеристик реакторов ВВЭР-440 и ВВЭР-1000 в целях выбора наилучшей модели из предложенных;

4. проверка адекватности разработанных линейных моделей по экспериментальным процессам аварийного режима Хмельницкой АЭС и процессам нелинейных кодов ТРАП-КС и DYN3D;

5. разработка нового метода получения высокоточных моделей с сосредоточенными параметрами невысокого порядка для последующего компьютерного моделирования АСР тепловой нагрузки;

6. проведение компьютерного моделирования систем регулирования тепловой нагрузки энергоблока ВВЭР с анализом качества моделей различной степени приближения.

Научная новизна

1) предложены восемь аналитических линейных моделей, предназначенных для син
теза систем автоматического регулирования: с мощностным и температурными ко
эффициентами, с распределенными и сосредоточенными параметрами, с учетом и
без учета диссипации в теплоносителе;

2. получены передаточные функции моделей по главным каналам с помощью двойного преобразования Лапласа и теории сигнальных графов;

3. следуя системному подходу, проведено компьютерное моделирование систем регулирования тепловой нагрузки в целях проверки качества разработанных линейных моделей;

4. разработаны и апробированы методы получения высокоточных моделей невысокого порядка;

5) доказана адекватность предложенной аналитической модели с температурными коэффициентами реактивности экспериментальным процессам реактора ВВЭР-1000. Основные положения и результаты, выносимые на защиту

1. модели с распределенными параметрами, с мощностным и с температурными коэффициентами реактивности, с учетом и без учета диссипации в теплоносителе;

2. результаты расчетов динамических характеристик реакторов ВВЭР-440 и ВВЭР-1000 в целях выбора наилучшей из предложенных моделей;

3. результаты адекватности разработанных линейных моделей экспериментальным процессам Хмельницкой АЭС и нелинейным кодам ТРАП-КС, DYN3D;

4. новый метод получения высокоточных моделей невысокого порядка для компьютерного моделирования;

5. процессы компьютерного моделирования систем регулирования тепловой нагрузки энергоблока ВВЭР с анализом влияния типа модели на качество стабилизации параметров энергоблока.

Практическая значимость

6. предложены более совершенные модели по сравнению с ранее известными, позволяющие с большей точностью и надежностью выполнять синтез и исследования систем автоматического регулирования;

7. разработан и апробирован новый метод получения высокоточных, невысокого порядка моделей целесообразно использовать при компьютерном моделировании любых систем автоматического регулирования;

8. доказана адекватность разработанных моделей реальным процессам;

9. результаты работы могут быть использованы при чтении курсов по математическому моделированию в технических вузах, а также инженерами и научными работниками при создании моделей теплоэнергетических процессов для решения широкого круга задач: синтез систем автоматического регулирования, построение алгоритмов оптимального управления, разработка тренажеров различного назначения.

Достоверность доказана

10. строгостью применения математического аппарата;

11. асимптотическим движением при уменьшении нагрузки комплексных частотных характеристик реактора в энергетическом диапазоне к характеристике кинетики;

3) хорошим совпадением динамических характеристик аналитических моделей с экспериментальными характеристиками и нелинейными кодами в диапазоне изменения нагрузок ±(10—15)%.

Апробация работы и публикации: Выступление с докладами на двух зарубежных конференциях: 10th IEEE conference on Industrial Electronics & Applications ICIEA, 15 Jun - 17 Jun 2015, Auckland, New Zealand; International Conference on Design and Production Engineering, 25 July - 27 July, Berlin, Germany и участки с докладом на трех международных конференциях: на девятнадцатой и двадцатой международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов “Радиоэлектроника, электротехника и энергетика” (г. Москва, 2013, 2014 гг.), на Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации "XXIV международная научно-техническая конференция" (Алушта, Крым, Россия, 2015 г.) и The 11th IEEE International Conference on “Application of Information and Communication Technologies” (AICT), 20-22 Sep 2017, Moscow, Russia.

Основные положения диссертации отражены в 12-ти публикациях, три из которых прошли проверку рецензированием ведущих специалистов журналах, входящих в перечень ВАК: «Вестник МЭИ», «Проблемы машиностроения и автоматизации» и «Новое в российской электроэнергетике», четыре из которых включены в Scopus. Материалы работы использовались студентами старших курсов в их научно-исследовательских работах. Планируется внедрение в учебный процесс по курсу «Математические модели технологических объектов».

Личный вклад: все аналитические разработки, программные реализации и научные результаты, выносимые на защиту и изложенные в тексте диссертации, получены при непосредственном участии соискателя.

Структура и объем работы: работа состоит из введения, четырех основных глав, заключения. Исследование включает в себя 60 рисунков и 8 таблиц. Объем работы составляет 138 страниц, список литературы содержит 76 наименования.