Controllo reattore turbina di impianti nucleari con reattori ad acqua in pressione

In the first part of this thesis, a first-principle dynamic model of the main components of a PWR (Pressurized Water Reactor) nuclear power plant is realized. In particular we focus on a French CP2 PWR plant with 900 MW electric power and especially on the reactor, the primary circuit, the steam generator, the turbine and the alternator. For this purpose we use nonlinear lumped-parameter differential equations, implemented by means of MatLab® - Simulink® S-functions written in the C language. In the second part of the work, the reactor - turbine automatic control problem in normal operating conditions is dealt with, by two different approaches. On the one hand, classical Proportional Integral (PI) Single-Input-Single-Output (SISO) controllers are designed, together with feed-forward actions; on the other hand, an advanced “H∞ loop shaping” technique is employed for control design. So, a controller which is robust and efficient at the same time is obtained. This is usually a difficult feature to guarantee. Finally, the power plant behaviour in the hypothesis that it is connected with the Italian electric grid is analyzed. For that purpose, models of the Italian and the foreign grid are realized, especially to catch the action of the primary and secondary frequency regulation. Introducing also the primary regulation for the nuclear power plant, the proposed controllers performance is verified when a difference between the generated and the consumed power arises inside the Italian grid, for example when a high-tension transmission line breaks, so that power imported from foreign countries drops. Simulation results show that the proposed “H∞ loop shaping” controller allows better reference tracking than the traditional controller. This is also proved by an analysis of the designed controller with a more detailed simulator of the plant.

Nella prima fase del lavoro, si è realizzato un modello dinamico, ai principi primi, di un impianto nucleare con reattore ad acqua in pressione (PWR, Pressurized Water Reactor), in particolare un modello che comprende il reattore, il circuito primario, il generatore di vapore e il gruppo turbina - alternatore. Si sono usate equazioni differenziali non lineari a parametri concentrati, implementate mediante S-function in ambiente MatLab® - Simulink® scritte in linguaggio C. I dati utilizzati sono relativi ad un impianto PWR francese da 900 MWe della classe CP2. Nella seconda fase, si è progettato il controllo reattore – turbina dell’impianto, in condizioni operative normali, secondo due approcci: il primo, tradizionale, mediante i classici controllori industriali Proporzionali – Integrali (PI) Single-Input-Single-Output (SISO) coadiuvati da opportune azioni di feed-forward; il secondo, avanzato, mediante una tecnica di controllo multivariabile: il cosiddetto approccio “H∞ loop shaping”. Questa seconda metodologia permette, in generale, di realizzare un controllore robusto e, nel contempo, in grado di garantire prestazioni ottimali sia in termini di inseguimento dei riferimenti sia in termini di reiezione dei disturbi. Si è in seguito considerata l’ipotesi di funzionamento dell’impianto connesso con la rete elettrica italiana, aggiungendo un semplicissimo modello della rete italiana e della rete estera, entrambe dotate di regolazione primaria e secondaria. Inserendo la regolazione primaria anche per l’impianto nucleare considerato, si è testato il comportamento dei controllori progettati, in caso di sbilanciamento fra la potenza prodotta e la potenza assorbita dalla rete italiana, ad esempio quando viene meno parte dell’energia importata dall’estero, a causa di un guasto a una linea di trasmissione. Dall’analisi dei risultati di simulazione ottenuti, è emerso che l’approccio H∞ loop shaping permette, nel caso specifico, di inseguire i segnali di riferimento in modo più efficiente rispetto all’approccio tradizionale. Inoltre, l’efficacia e le prestazioni di uno dei controllori multivariabili progettati sono state verificate su un simulatore real-time più dettagliato dell’impianto, reso disponibile dall’azienda ove è stata svolta la tesi.