一种基于数据驱动的小型铅冷堆智能控制方法及系统

本发明属于反应堆工程，具体涉及一种基于数据驱动的小型铅冷堆智能控制方法及系统。

背景技术：

1、铅冷快堆是指采用液态铅或者铅铋作为冷却剂的快中子反应堆其结构如图1所示，具有中子经济性好、固有安全性高、应用范围广的优点。

2、为满足远海地区的能源需求，提出了离岸固定式多用途一体化全自然循环小型铅冷快堆方案，反应堆系统主要由两大部分组成：

3、一回路采用全自然循环和池式结构设计，克服了液态金属泵的制造和运行难题，二回路采用超临界co2布雷顿循环，具有结构简单，热源匹配性好，效率较高的优点。二者结合能够显著提高海洋核能平台的安全性、可靠性和经济性。

4、然而小型铅冷快堆虽然取消了金属屏蔽泵，降低了生产和制造难度，在安全性上有着显著优势，但由于核功率与冷却剂流量存在强耦合关系，在一定程度上给控制带来了难题。二回路采用再压缩sco2布雷顿循环，较普通布雷顿循环系统不仅具有高的热效率，还通过低温回热器热侧出口sco2分流解决了“夹点”问题，但系统复杂程度增加也给控制带来了难题。同时，由于一二回路之间存在着强耦合，且两者的时间特性有明显差异，一回路采用自然循环，时间响应较慢，而二回路为布雷顿循环，时间响应快。同时，在不同功率水平，一二回路系统的特性具有差异，表现出较强的非线性。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于数据驱动的小型铅冷堆智能控制方法及系统，用于解决小型铅冷堆在少人值守的应用场景下需要高可靠智能化自主控制的技术问题。

2、本发明采用以下技术方案：

3、一种基于数据驱动的小型铅冷堆智能控制方法，包括以下步骤：

4、s1、采集小型铅冷快堆系统工作过程中的数据；

5、s2、基于步骤s1得到的小型铅冷快堆系统运行产生的数据，在正常工况下，采用负荷跟踪的控制策略，当外界负荷发生变化时，小型铅冷快堆系统自动跟随外界负荷的变化；当出现故障时，采用主动容错控制方法以保证小型铅冷堆的安全运行。

6、优选地，步骤s1中，小型铅冷快堆系统采用全自然循环池式结构，采用堆芯入口温度控制模型确定小型铅冷快堆系统的运行参数。

7、更优选地，堆芯入口温度控制模型具体为：

8、将堆芯入口温度目标值与测量值的偏差作为控制器的输入，同时引入前馈控制加快一回路调节速度，共同输出控制棒反应性，在输出信号上加入反应性速率限值，获得堆芯入口温度的测量值，构成闭环控制系统。

9、优选地，步骤s2中，在正常工况下，采用调节透平进口处的sco2流量控制电功率，通过透平入口管路的节流阀调节sco2流量。

10、更优选地，布雷顿循环系统运行过程中，二氧化碳维持在超临界状态，当负荷发生变化时，通过冷却水流量调节冷凝器sco2侧出口温度。

11、优选地，步骤s2中，当出现故障时，基于卡尔曼滤波器的容错控制系统确认传感器是否发生故障，并利用传感器对应卡尔曼滤波器的估计值对传感器测量值进行重构，实现容错控制。

12、更优选地，在故障发生后，不改变控制率，通过重构故障传感器的输出，用重构的测量值代替故障测量值进行闭环控制，实现容错。

13、更优选地，当传感器出现故障时，故障传感器所对应的滤波器只用正确的测量子集进行状态估计，该滤波器得到系统的实际状态估计值用来重构故障传感器的输出值。

14、第二方面，本发明实施例提供了一种基于数据驱动的小型铅冷堆智能控制系统，包括：

15、采集模块，采集小型铅冷快堆系统工作过程中的数据；

16、故障诊断模块，基于采集模块得到的小型铅冷快堆系统运行产生的数据，在正常工况下，采用负荷跟踪的控制策略，当外界负荷发生变化时，小型铅冷快堆系统自动跟随外界负荷的变化；当出现故障时，采用主动容错控制方法以保证小型铅冷堆的安全运行。

17、优选地，故障诊断模块具体为：

18、在正常工况下，采用调节透平进口处的sco2流量控制电功率，通过透平入口管路的节流阀调节sco2流量；布雷顿循环系统运行过程中，二氧化碳维持在超临界状态，当负荷发生变化时，通过冷却水流量调节冷凝器sco2侧出口温度；

19、当出现故障时，基于卡尔曼滤波器的容错控制系统确认传感器是否发生故障，并利用传感器对应卡尔曼滤波器的估计值对传感器测量值进行重构，实现容错控制，在故障发生后，不改变控制率，通过重构故障传感器的输出，用重构的测量值代替故障测量值进行闭环控制，实现容错；当传感器出现故障时，故障传感器所对应的滤波器用正确的测量子集进行状态估计，该滤波器得到系统的实际状态估计值用来重构故障传感器的输出值。

20、与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

21、一种基于数据驱动的小型铅冷堆智能控制方法，使用该方法设计的小型铅冷堆智能与自主控制系统采用分层结构，由决策层、控制层、测量和执行层组成。小型铅冷堆在运行过程中，将测量的数据传输给决策层，决策层使用工况自动识别方法识别反应堆的运行状态，判断系统处于正常运行工况还是故障运行工况，根据运行工况智能决策并自适应选择相应的控制方法。当系统处于正常运行工况时，建立电功率和核功率稳定对应关系的数据库，采用基于数据驱动的反应堆自适应控制技术，建立前馈反馈混合控制系统，提高负荷跟踪能力，并采用基于模糊逻辑的自适应调节技术实现不同功率水平的自适应调节。当系统处于故障工况时，利用传感器数据通过故障诊断模块识别故障类型，实现对传感器故障的主动容错控制。

22、进一步的，小型铅冷堆采用全自然循环池式结构设计，取消了金属屏蔽泵，降低了生产和制造难度，在安全性上有着显著优势。主要由堆芯、冷池、热池、4个主换热器组成，液态铅作为冷却剂，通过自然循环实现堆芯热量导出。冷却剂经堆芯加热，在自然循环驱动力作用下流向热池，再通过换热器与二回路能量转换系统中的冷却剂进行热量交换，最后从主换热器出口流回冷池，实现了一回路全自然循环。

23、进一步的，堆芯入口温度作为反应堆系统的关键运行参数，是系统运行过程中的被控量之一。反应堆采用全自然循环池式结构设计，因此通过控制棒反应性控制堆芯入口温度是最佳的控制方式。同时因为该型反应堆一回路为池式自然循环结构，具有较大的热惯性，传统pid控制系统中在阶跃降负荷工况下存在核功率、堆芯入口温度等一回路关键参数波动偏大的情况。为了减小电功率调节过程中一回路参数的超调量，设计了基于前馈反馈的自适应协调控制方法，首先根据稳态运行方案确定不同电功率设定值和它所对应的堆芯热功率，并建立数据库进行存储，在电功率变化时通过数据库实时查找对应核功率的目标值，能够比核功率测量值实际变化更早获得核功率目标值，并通过核功率测量值和目标值间的偏差实现前馈控制。

24、进一步的，sco2动力循环是一种闭式循环，与其他类型的开式循环存在很多不同之处。由于在功率变化过程中，布雷顿循环系统的压力和温度存在较大变化，sco2在靠近临界点处，物性会发生剧烈变化，影响系统的稳定性。因此在启停堆、变负荷等工况下，对控制系统提出了很高的要求。根据国内外研究机构和学者对sco2布雷顿循环控制方法的研究，对于sco2闭式布雷顿循环，电功率变化过程主要采用容积控制、透平旁路控制、透平进口节流阀控制。根据各种控制方法的不同适宜功率范围，小型铅冷堆采用透平进口节流阀控制表型更优，因此so2布雷顿循环系统采用节流阀和充排气的控制策略。

25、进一步的，小型铅冷快堆通常布置在远洋或沿海地区，工作环境恶劣且少人值守，需要通过传感器对反应堆中的物理量进行测量而传感器又容易发生故障，故需要能够及时对小型铅冷快堆中的传感器进行故障诊断与容错控制，保证反应堆的安全稳定运行。因此当传感器出现故障时，通过基于卡尔曼滤波器的容错控制系统确认传感器是否发生故障，并利用传感器对应卡尔曼滤波器的估计值对传感器测量值进行重构，从而实现容错控制，可以有效避免操作人员进行误判，并对操作人员发出警示，以便于及时检查故障传感器，将可能造成的损失降到最低。

26、进一步的，在基于卡尔曼滤波器的容错控制系统中，由于卡尔曼滤波器自身设计时的原理，在输入受限的情况下依然能够输出所有变量的估计值。因此采用卡尔曼滤波器之后，即使传感器发生故障导致输出值失真，该容错控制系统依然能够根据估计值来重构故障传感器的输出值，这样就能保证对故障传感器进行隔离。

27、可以理解的是，上述第二方面的有益效果可以参见上述第一方面中的相关描述，在此不再赘述。

28、综上所述，本发明通过采集小型铅冷快堆系统工作过程中的数据；基于小型铅冷快堆系统运行产生的数据，在正常工况下，采用负荷跟踪的控制策略，当外界负荷发生变化时，小型铅冷快堆系统自动跟随外界负荷的变化；当出现故障时，采用主动容错控制方法以保证小型铅冷堆的安全运行，能够满足海洋偏远环境下的生活生产、军队保障、油气开采等能源需求，具有运行成本低、能源供给可靠等特点。

29、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。