核電站反應堆功率控制系統信號試驗范文

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摘要:反應堆功率控制系統是核電廠最重要的非安全級控制系統之一。海陽核電站功率控制系統在快速降功率系統、旁排控制系統、汽機功率給定系統的協同下完成各個工況的功率控制。本文分析了主要控制策略及主要試驗，幫助核電站相關人員加深對功率控制系統的理解，提高他們對機組狀態的響應能力。

關鍵詞:反應堆功率;旁排控制系統;快速降功率

反應堆功率控制系統是核電廠最重要的非安全級控制系統之一，包括冷卻劑平均溫度控制、軸向功率偏移控制兩大主要功能。海陽核電站反應堆功率控制系統(以下簡稱功率控制系統)在反應堆快速降功率系統、旁排控制系統、汽機功率給定系統、棒控系統配合下，實現反應堆正常啟動、功率運行、停堆及電站功率瞬態的控制。本文將單一反應堆功率控制系統稱為狹義的控制系統，將反應堆控制系統、快速降功率系統、旁排控制系統、汽機功率給定系統稱為廣義的反應堆功率控制系統。

1控制信號分析

1.1反應堆功率信號/軸向功率分布偏差信號的處理反應堆功率信號來自于保護與安全監視系統(PMS)的功率探測器。低功率模式下作為功率控制器的一個量，高功率模式下作為動態快速反應及調節信號。反應堆軸向功率分布偏差信號AFD同樣來自于PMS系統，在PMS系統內由不同位置的量程探測器信號計算得到。該信號是反應堆軸向功率分布偏差控制的過程量。棒控系統的補償功能保留在堆芯的一些灰棒中，用來補償氙和功率虧損的變化。這會造成燃料的蔭蔽效應，進而造成堆外中子通量測量的誤差［1］。為了解決這一問題，系統使用了堆內信號對堆外信號的控制作用進行補償。由于自給能中子探測器固有的滯后效應，在動態過程開始時優先使用反應更快的堆外信號進行控制，隨著時間推移，堆內信號開始加入對控制作用進行補償，減小隱蔽效應造成的控制誤差，以達到穩態下的精確控制。而堆內信號開始補償的時機則依賴于堆內信號的加速算法參數和信號本身的變化情況。AFD信號和反應堆功率信號的處理流程如圖1所示。AFD信號具體的的補償作用如圖2所示。反應堆功率信號的補償與AFD信號補償相同

1.2反應堆冷卻劑平均溫度信號的處理反應堆冷卻劑平均溫度信號Tavg來自于反應堆保護系統的探測器，由每個環路的冷腿溫度和熱腿溫度信號取平均值得到，是功率控制器的主要輸入信號。在進行功率控制計算之前，要經過超前/滯后運算的補償，傳遞函數如下:超前/滯后補償運算放大Tavg信號的快速改變，加速系統響應。τ1和τ2常數選擇值要使功率控制系統在瞬態響應中可達到快速和穩定的目的。τ1的選擇主要考慮探測器和控制系統的噪聲濾除、減少瞬變，τ2的選擇主要考慮抵消溫度傳感器和系統本身固有的滯后，以及進一步根據溫度變化的趨勢提前動作，減少功率控制系統的超調量。為保證功率和溫度兩個通道不能耦合，功率失配通道響應快于要溫度通道，因此超前補償作用強度是有限的。

1.3反應堆功率控制/軸向功率分布偏差控制反應堆功率控制的目的是保持反應堆的功率輸出與二回路的功率需求相平衡，并保證反應堆軸向功率分布不偏離設計值。一、二回路熱量交換點在蒸汽發生器，功率需求是否平衡的信號就是冷卻劑平均溫度。較高的汽機功率需求對應著較高的冷卻劑平均溫度。在較低的功率條件下，如反應堆功率處于3%～15%額定功率，停堆裕度較大，控制系統處于低功率模式下，控制棒提出和插入堆芯活性深度依據核功率測量值和設定值的偏差來確定，此時旁排系統已經處于壓力模式下的自動調節。在高一些的功率水平如15%～100%額定功率，控制棒的移動依賴于2個偏差信號(溫度失配信號和功率失配信號)的組合來確定。機組總體上可以認為是堆跟機的控制模式［2］。當電網要求功率升高時，汽輪發電機組可以利用系統蓄熱量快速響應發出較高的電功率，同時冷卻劑平均溫度Tavg將會下降，偏離設計值，慢化劑的負反應性又會提供部分需求的功率。為了通過維持冷卻劑平均溫度來維持二回路參數，控制系統的機械補償控制棒M，得到提棒指令增加反應性，Tavg回到當前汽機功率要求的數值。該值由一回路到二回路熱功率傳遞函數公式計算得到，在3.1節的啟動試驗中進行驗證和修正。熱功率公式如下:αNt=KF(Tavg－Ts)式中，α———常數;Nt———一回路熱功率;K———蒸汽發生器傳熱系數;F———蒸汽發生器傳熱面積;Tavg———冷卻劑平均溫度;Ts———蒸汽發生器出口蒸汽飽和溫度的設計值，由汽輪機廠家提供［3］。當M棒插入和提出堆芯以維持Tavg時，軸向功率分布將會變化。軸向功率分布控制的目的是維持適當的堆芯中子峰值余量。用軸向功率分布偏差AFD來描述軸向功率分布。AFD為一線性變化值，且因為燃耗的變化，AFD目標值需要調整。由于設計基準的負荷跟蹤過程引起的軸向偏移量變化是緩慢的，因此軸向功率控制棒AO棒的控制是緩慢而穩定的，棒速為固定的8步/min。為了保證功率調節優先于功率分布調節，M棒的移動優先于AO棒。在M棒調節期間可能發生軸向功率分布偏差變大，根據改進的控制方式，若Tavg控制和AFD控制各自的控制棒響應方向相反時，AO棒受聯鎖的限制不能立即移動。而當AO棒開始動作糾正軸向功率分布偏差將可能導致Tavg再次偏離設定值，進而M棒又開始調節，AO棒的動作又被閉鎖。最終AO棒及M棒交替動作，直至Tavg和AFD都達到設定值。在TAVG“控制和AFD控制各自的控制棒響應方向相同時，AFD控制策略允許AO棒控制Tavg，并減輕AFD的控制。當M棒有的動作方向與AO棒相同時，只允許AO棒動作，直至AO棒動作結束，M棒才可以動作［4］。這樣AO棒的調節動作不但使軸向功率分布偏差得到糾正，同時對Tavg進行了一定程度的調節，這樣既保證了Tavg的調節優先于AFD的調節，又對AFD的調節可減少延遲和干擾，減小了AFD的動態超調量，減小了這兩個參數的調節過渡時間和動作次數。

1.4蒸汽旁排、反應堆快速降功率、汽機功率給定的控制蒸汽旁排系統通過測量汽輪機壓力來確定汽輪機負荷降低的速率。當汽機甩負荷超過10%階躍降負荷或甩負荷速率大于5%/min的連續降負荷時，開啟蒸汽旁排閥。海陽核電廠蒸汽旁排系統容量設計較小，只有40%。考慮穩壓器壓力裕量，只有在核功率達到較高的功率水平(70%以上時)，發生汽機快速減負荷超過40%，快速降功率系統將釋放事先選定的停堆棒組SD棒或者AO中心棒，快速減少反應堆功率，大概在50%核功率［5］，這個功率水平下蒸汽旁排系統和反應堆功率控制系統協同工作可以控制反應堆的能量產生和二回路的耗能達到平衡，使Tavg與此時的參考溫度值Tref相對應。由于快速降功率過程對功率的控制是快速和不精確的，堆芯如有過量的負反應性產生，可能導致堆芯過冷，將會啟動汽輪機的負荷返回(RB)動作降低汽機功率來避免堆芯過冷。然后，汽輪機將在較低的負荷(例如僅帶廠用電)下繼續運行。選擇70%核功率以上才會有快速降功率的動作，是因為較高的核功率下，汽機甩負荷對功率控制系統、穩壓器的的擾動較大，停堆裕量較小。快速降功率動作后，反應堆如果需要穩定在低功率運行，就必須進行稀釋操作，以避免氙累積造成的反應堆進入次臨界。圖3為快速降功率動作后由氙引入負反應性的示意圖。如果在較高的功率水平下運行，失去一個給水泵，汽機會發生RB。RB限值的確定主要考慮蒸汽發生器窄量程液位調節相對于反應堆緊急停堆的裕量。仿真表明，降低降負荷限值能帶來更短的恢復時間，然而，太低的限值會導致出現反應堆快速降功率系統動作。當超溫或者超功率停堆裕量低于低1值，汽機功率給定系統會發出信號停止汽機加載。當裕量更小達到低2設定值時，會發出一個汽機RB信號，直到裕量回升才清除RB信號。

1.5功率控制系統的負荷調節模式相對于功率控制系統的基本負荷模式，負荷調節模式允許反應堆功率變化更快。受功率瞬變影響最大的一回路設備就是棒控系統和穩壓器。為了減少設備的壽命損失，控制系統采取了一些必要的措施。在負荷調節模式下，通過擴大控制死區來減少高功率模式下M棒的移動頻度，通過增加滯后環節來減少AO棒的移動頻度。這樣擴大了Tavg變化范圍，可以通過慢化劑的負反應性和熱力系統的蓄熱量來提供一部分功率改變。在負荷調節模式下，穩壓器會投入一組或者多組后備加熱器來保持對穩壓器的持續加熱，這樣噴淋閥能保持在打開狀態，加快了穩壓器壓力的調節速度，減少了壓力波動，同時減少了穩壓器噴霧管嘴以及其他構件受到的熱沖擊。在出現較大的擾動或者不合適的工況下，如出現汽機RB，為了確保停堆裕量，會退出負荷調節模式。

2與二代核電控制系統的比較

本文介紹的海陽核電站功率控制系統與二代核電最大的不同在于將冷卻劑平均溫度控制、軸向功率偏移控制分開，采用不同的控制器分別控制［6］，提高了控制系統解耦程度，降低了運行操作的難度，解決了二代核電功率分布難以自動控制的問題，特別是在滿功率運行時更難控制的問題，減少了人因失誤的隱患［7］。另外，該功率控制系統設置了快速降功率系統，降低了對蒸汽旁排系統的要求，旁排系統的設計容量減少到40%，降低了電站造價，但快速降功率動作會對反應堆造成較大的沖擊［8］。快速降功率系統與其它一、二回路系統協同工作，實現電站從100%核功率下甩負荷到較低的功率水平，可以穩定運行而無需停堆［9］，避免了碘坑對重啟反應堆的影響，從而提高了電站的可利用時間和經濟性。再次，該功率控制系統的一大特色是采取機械補償策略，一回路無須通過調節硼濃度來調節功率，因而需要一些灰棒一直留在堆芯中。由于燃料蔭蔽效應，控制邏輯需要周期性的交換控制棒插入順序，來避免徑向功率峰值因子超限。

3主要相關試驗

由于海陽核電站滿功率下的反應堆冷卻劑平均溫度低于二代核電站的冷卻劑平均溫度［3］，功率控制系統的主要試驗項目與二代核電站略有不同，增加了反應堆控制系統調節啟動試驗。該試驗驗證反應堆控制系統能夠將Tavg控制在參考溫度Tref，且對應功率水平的主蒸汽壓力滿足二回路設備的設計需求值，若不滿足設計值可能會修改對應功率水平的Tref的數值，使對應功率水平的蒸汽發生器出口壓力Ps滿足設計值。而滿功率甩負荷帶廠用電試驗是對反應堆功率控制系統的全面驗證的重要試驗。下面將簡要介紹這兩個試驗。

3.1反應堆控制系統調節啟動試驗在反應堆功率0%、25%、50%、75%、90%和100%各個功率水平都要進行。試驗方法如下。當反應堆維持在0%功率狀態下，反應堆控制棒處于手動，使用蒸汽旁排系統壓力模式來控制Tavg滿足0%功率設計值。當反應堆處于模式1，進入功率提升階段，反應堆熱功率分別穩定在25%，50%，75%，90%和100%額定功率水平，此時控制棒由高功率模式下的反應堆功率控制系統控制，驗證可以維持Tavg在Tref水平，并記錄各個功率階段對應Tavg以及Ps的數值，生成對應曲線。在75%功率，使用已完成至75%額定功率的數據表中的信息的數據繪制Tavg與額定功率的關系曲線，Ps與額定功率曲線，分別外推出Tavg、Ps至100%RTP的曲線，推算出100%額定功率的滿功率Tavg期望值、Ps期望值，驗證推算100%額定功率的Ps期望值是否符合設計。若滿功率Ps期望值不在要求范圍內，則根據Ps實際推算值及飽和溫度Ts值、設計壓力下飽和溫度的差值進行計算，以決定在100%RTP下，Tref的修正值。在90%功率，繼續使用上述方法進行推算和驗證、和計算修正值。在100%功率，用100%功率下的各實際值代替推算值，繼續使用上述方法進行驗證、計算修正值，在100%額定功率下Tref的設定值將會根據修正值進行修正。圖4為Tavg、Ts、Ps與反應堆熱功率之間的關系示意圖。

3.2滿功率甩負荷帶廠用電試驗滿功率甩負荷帶廠用電試驗是對反應堆功率控制等系統的全面驗證。試驗方法及驗收準則:在反應堆達到額定滿功率時，將主變高壓側斷路器手動斷開，汽機超速保護OPC將會觸發，保證汽機轉速不超過108%額定轉速。快速降功率系統選定的停堆棒全部下插，且在動作一段時間內降低反應堆功率至少40%。M棒組以最快速率下插，因核功率負變化率高于15%/s，信號P17“控制棒提升閉鎖”將會觸發。蒸汽旁排閥在溫度模式下自動調節，為一回路提供熱阱，且隨著溫度偏差信號變小而自動關閉，一、二回路各項調節參數趨于穩定。在反應堆功率降低到20%前，無須人為干預。當反應堆功率下降到20%額定功率，操縱員復位P17閉鎖信號，手動將反應堆功率穩定在12%～15%額定功率，將蒸汽旁排控制系統切換至壓力控制模式，并根據需要進行一回路稀釋操作［10］。在此期間，一、二回路安全閥及大氣釋放閥不應打開，反應堆未停堆，汽機未停機，汽機至少帶廠用電持續運行30分鐘。圖5—圖7為該試驗的動態響應曲線示意圖。

4結論

三代核電功率控制系統設計完善，運行靈活，但系統較為復雜，需要調整的參數眾多，國內調試運行經驗較少，調試運行人員需要加大培訓力度，從容應對出現的各種問題。

參考文獻

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作者：趙宏 劉大虎 單位：山東核電有限公司