核電站反應(yīng)堆功率控制系統(tǒng)信號試驗范文

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摘要:反應(yīng)堆功率控制系統(tǒng)是核電廠最重要的非安全級控制系統(tǒng)之一。海陽核電站功率控制系統(tǒng)在快速降功率系統(tǒng)、旁排控制系統(tǒng)、汽機(jī)功率給定系統(tǒng)的協(xié)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(guān)人員加深對功率控制系統(tǒng)的理解，提高他們對機(jī)組狀態(tài)的響應(yīng)能力。

關(guān)鍵詞:反應(yīng)堆功率;旁排控制系統(tǒng);快速降功率

反應(yīng)堆功率控制系統(tǒng)是核電廠最重要的非安全級控制系統(tǒng)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(yīng)堆功率控制系統(tǒng)(以下簡稱功率控制系統(tǒng))在反應(yīng)堆快速降功率系統(tǒng)、旁排控制系統(tǒng)、汽機(jī)功率給定系統(tǒng)、棒控系統(tǒng)配合下，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆正常啟動、功率運(yùn)行、停堆及電站功率瞬態(tài)的控制。本文將單一反應(yīng)堆功率控制系統(tǒng)稱為狹義的控制系統(tǒng)，將反應(yīng)堆控制系統(tǒng)、快速降功率系統(tǒng)、旁排控制系統(tǒng)、汽機(jī)功率給定系統(tǒng)稱為廣義的反應(yīng)堆功率控制系統(tǒng)。

1控制信號分析

1.1反應(yīng)堆功率信號/軸向功率分布偏差信號的處理反應(yīng)堆功率信號來自于保護(hù)與安全監(jiān)視系統(tǒng)(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(tài)快速反應(yīng)及調(diào)節(jié)信號。反應(yīng)堆軸向功率分布偏差信號AFD同樣來自于PMS系統(tǒng)，在PMS系統(tǒng)內(nèi)由不同位置的量程探測器信號計算得到。該信號是反應(yīng)堆軸向功率分布偏差控制的過程量。棒控系統(tǒng)的補(bǔ)償功能保留在堆芯的一些灰棒中，用來補(bǔ)償氙和功率虧損的變化。這會造成燃料的蔭蔽效應(yīng)，進(jìn)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(tǒng)使用了堆內(nèi)信號對堆外信號的控制作用進(jìn)行補(bǔ)償。由于自給能中子探測器固有的滯后效應(yīng)，在動態(tài)過程開始時優(yōu)先使用反應(yīng)更快的堆外信號進(jìn)行控制，隨著時間推移，堆內(nèi)信號開始加入對控制作用進(jìn)行補(bǔ)償，減小隱蔽效應(yīng)造成的控制誤差，以達(dá)到穩(wěn)態(tài)下的精確控制。而堆內(nèi)信號開始補(bǔ)償?shù)臅r機(jī)則依賴于堆內(nèi)信號的加速算法參數(shù)和信號本身的變化情況。AFD信號和反應(yīng)堆功率信號的處理流程如圖1所示。AFD信號具體的的補(bǔ)償作用如圖2所示。反應(yīng)堆功率信號的補(bǔ)償與AFD信號補(bǔ)償相同

1.2反應(yīng)堆冷卻劑平均溫度信號的處理反應(yīng)堆冷卻劑平均溫度信號Tavg來自于反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)的探測器，由每個環(huán)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(jìn)行功率控制計算之前，要經(jīng)過超前/滯后運(yùn)算的補(bǔ)償，傳遞函數(shù)如下:超前/滯后補(bǔ)償運(yùn)算放大Tavg信號的快速改變，加速系統(tǒng)響應(yīng)。τ1和τ2常數(shù)選擇值要使功率控制系統(tǒng)在瞬態(tài)響應(yīng)中可達(dá)到快速和穩(wěn)定的目的。τ1的選擇主要考慮探測器和控制系統(tǒng)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(tǒng)本身固有的滯后，以及進(jìn)一步根據(jù)溫度變化的趨勢提前動作，減少功率控制系統(tǒng)的超調(diào)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(yīng)快于要溫度通道，因此超前補(bǔ)償作用強(qiáng)度是有限的。

1.3反應(yīng)堆功率控制/軸向功率分布偏差控制反應(yīng)堆功率控制的目的是保持反應(yīng)堆的功率輸出與二回路的功率需求相平衡，并保證反應(yīng)堆軸向功率分布不偏離設(shè)計值。一、二回路熱量交換點(diǎn)在蒸汽發(fā)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(jī)功率需求對應(yīng)著較高的冷卻劑平均溫度。在較低的功率條件下，如反應(yīng)堆功率處于3%～15%額定功率，停堆裕度較大，控制系統(tǒng)處于低功率模式下，控制棒提出和插入堆芯活性深度依據(jù)核功率測量值和設(shè)定值的偏差來確定，此時旁排系統(tǒng)已經(jīng)處于壓力模式下的自動調(diào)節(jié)。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(jī)組總體上可以認(rèn)為是堆跟機(jī)的控制模式［2］。當(dāng)電網(wǎng)要求功率升高時，汽輪發(fā)電機(jī)組可以利用系統(tǒng)蓄熱量快速響應(yīng)發(fā)出較高的電功率，同時冷卻劑平均溫度Tavg將會下降，偏離設(shè)計值，慢化劑的負(fù)反應(yīng)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(shù)，控制系統(tǒng)的機(jī)械補(bǔ)償控制棒M，得到提棒指令增加反應(yīng)性，Tavg回到當(dāng)前汽機(jī)功率要求的數(shù)值。該值由一回路到二回路熱功率傳遞函數(shù)公式計算得到，在3.1節(jié)的啟動試驗中進(jìn)行驗證和修正。熱功率公式如下:αNt=KF(Tavg－Ts)式中，α———常數(shù);Nt———一回路熱功率;K———蒸汽發(fā)生器傳熱系數(shù);F———蒸汽發(fā)生器傳熱面積;Tavg———冷卻劑平均溫度;Ts———蒸汽發(fā)生器出口蒸汽飽和溫度的設(shè)計值，由汽輪機(jī)廠家提供［3］。當(dāng)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(dāng)?shù)亩研局凶臃逯涤嗔俊Ｓ幂S向功率分布偏差A(yù)FD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(biāo)值需要調(diào)整。由于設(shè)計基準(zhǔn)的負(fù)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(wěn)定的，棒速為固定的8步/min。為了保證功率調(diào)節(jié)優(yōu)先于功率分布調(diào)節(jié)，M棒的移動優(yōu)先于AO棒。在M棒調(diào)節(jié)期間可能發(fā)生軸向功率分布偏差變大，根據(jù)改進(jìn)的控制方式，若Tavg控制和AFD控制各自的控制棒響應(yīng)方向相反時，AO棒受聯(lián)鎖的限制不能立即移動。而當(dāng)AO棒開始動作糾正軸向功率分布偏差將可能導(dǎo)致Tavg再次偏離設(shè)定值，進(jìn)而M棒又開始調(diào)節(jié)，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(dá)到設(shè)定值。在TAVG“控制和AFD控制各自的控制棒響應(yīng)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(dāng)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(jié)束，M棒才可以動作［4］。這樣AO棒的調(diào)節(jié)動作不但使軸向功率分布偏差得到糾正，同時對Tavg進(jìn)行了一定程度的調(diào)節(jié)，這樣既保證了Tavg的調(diào)節(jié)優(yōu)先于AFD的調(diào)節(jié)，又對AFD的調(diào)節(jié)可減少延遲和干擾，減小了AFD的動態(tài)超調(diào)量，減小了這兩個參數(shù)的調(diào)節(jié)過渡時間和動作次數(shù)。

1.4蒸汽旁排、反應(yīng)堆快速降功率、汽機(jī)功率給定的控制蒸汽旁排系統(tǒng)通過測量汽輪機(jī)壓力來確定汽輪機(jī)負(fù)荷降低的速率。當(dāng)汽機(jī)甩負(fù)荷超過10%階躍降負(fù)荷或甩負(fù)荷速率大于5%/min的連續(xù)降負(fù)荷時，開啟蒸汽旁排閥。海陽核電廠蒸汽旁排系統(tǒng)容量設(shè)計較小，只有40%。考慮穩(wěn)壓器壓力裕量，只有在核功率達(dá)到較高的功率水平(70%以上時)，發(fā)生汽機(jī)快速減負(fù)荷超過40%，快速降功率系統(tǒng)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(yīng)堆功率，大概在50%核功率［5］，這個功率水平下蒸汽旁排系統(tǒng)和反應(yīng)堆功率控制系統(tǒng)協(xié)同工作可以控制反應(yīng)堆的能量產(chǎn)生和二回路的耗能達(dá)到平衡，使Tavg與此時的參考溫度值Tref相對應(yīng)。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(fù)反應(yīng)性產(chǎn)生，可能導(dǎo)致堆芯過冷，將會啟動汽輪機(jī)的負(fù)荷返回(RB)動作降低汽機(jī)功率來避免堆芯過冷。然后，汽輪機(jī)將在較低的負(fù)荷(例如僅帶廠用電)下繼續(xù)運(yùn)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(jī)甩負(fù)荷對功率控制系統(tǒng)、穩(wěn)壓器的的擾動較大，停堆裕量較小。快速降功率動作后，反應(yīng)堆如果需要穩(wěn)定在低功率運(yùn)行，就必須進(jìn)行稀釋操作，以避免氙累積造成的反應(yīng)堆進(jìn)入次臨界。圖3為快速降功率動作后由氙引入負(fù)反應(yīng)性的示意圖。如果在較高的功率水平下運(yùn)行，失去一個給水泵，汽機(jī)會發(fā)生RB。RB限值的確定主要考慮蒸汽發(fā)生器窄量程液位調(diào)節(jié)相對于反應(yīng)堆緊急停堆的裕量。仿真表明，降低降負(fù)荷限值能帶來更短的恢復(fù)時間，然而，太低的限值會導(dǎo)致出現(xiàn)反應(yīng)堆快速降功率系統(tǒng)動作。當(dāng)超溫或者超功率停堆裕量低于低1值，汽機(jī)功率給定系統(tǒng)會發(fā)出信號停止汽機(jī)加載。當(dāng)裕量更小達(dá)到低2設(shè)定值時，會發(fā)出一個汽機(jī)RB信號，直到裕量回升才清除RB信號。

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

2與二代核電控制系統(tǒng)的比較

本文介紹的海陽核電站功率控制系統(tǒng)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(tǒng)解耦程度，降低了運(yùn)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(yùn)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(tǒng)設(shè)置了快速降功率系統(tǒng)，降低了對蒸汽旁排系統(tǒng)的要求，旁排系統(tǒng)的設(shè)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(yīng)堆造成較大的沖擊［8］。快速降功率系統(tǒng)與其它一、二回路系統(tǒng)協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)電站從100%核功率下甩負(fù)荷到較低的功率水平，可以穩(wěn)定運(yùn)行而無需停堆［9］，避免了碘坑對重啟反應(yīng)堆的影響，從而提高了電站的可利用時間和經(jīng)濟(jì)性。再次，該功率控制系統(tǒng)的一大特色是采取機(jī)械補(bǔ)償策略，一回路無須通過調(diào)節(jié)硼濃度來調(diào)節(jié)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(yīng)，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(guān)試驗

由于海陽核電站滿功率下的反應(yīng)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(tǒng)的主要試驗項目與二代核電站略有不同，增加了反應(yīng)堆控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)啟動試驗。該試驗驗證反應(yīng)堆控制系統(tǒng)能夠?qū)avg控制在參考溫度Tref，且對應(yīng)功率水平的主蒸汽壓力滿足二回路設(shè)備的設(shè)計需求值，若不滿足設(shè)計值可能會修改對應(yīng)功率水平的Tref的數(shù)值，使對應(yīng)功率水平的蒸汽發(fā)生器出口壓力Ps滿足設(shè)計值。而滿功率甩負(fù)荷帶廠用電試驗是對反應(yīng)堆功率控制系統(tǒng)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(yīng)堆控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)啟動試驗在反應(yīng)堆功率0%、25%、50%、75%、90%和100%各個功率水平都要進(jìn)行。試驗方法如下。當(dāng)反應(yīng)堆維持在0%功率狀態(tài)下，反應(yīng)堆控制棒處于手動，使用蒸汽旁排系統(tǒng)壓力模式來控制Tavg滿足0%功率設(shè)計值。當(dāng)反應(yīng)堆處于模式1，進(jìn)入功率提升階段，反應(yīng)堆熱功率分別穩(wěn)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(yīng)堆功率控制系統(tǒng)控制，驗證可以維持Tavg在Tref水平，并記錄各個功率階段對應(yīng)Tavg以及Ps的數(shù)值，生成對應(yīng)曲線。在75%功率，使用已完成至75%額定功率的數(shù)據(jù)表中的信息的數(shù)據(jù)繪制Tavg與額定功率的關(guān)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(shè)計。若滿功率Ps期望值不在要求范圍內(nèi)，則根據(jù)Ps實(shí)際推算值及飽和溫度Ts值、設(shè)計壓力下飽和溫度的差值進(jìn)行計算，以決定在100%RTP下，Tref的修正值。在90%功率，繼續(xù)使用上述方法進(jìn)行推算和驗證、和計算修正值。在100%功率，用100%功率下的各實(shí)際值代替推算值，繼續(xù)使用上述方法進(jìn)行驗證、計算修正值，在100%額定功率下Tref的設(shè)定值將會根據(jù)修正值進(jìn)行修正。圖4為Tavg、Ts、Ps與反應(yīng)堆熱功率之間的關(guān)系示意圖。

3.2滿功率甩負(fù)荷帶廠用電試驗滿功率甩負(fù)荷帶廠用電試驗是對反應(yīng)堆功率控制等系統(tǒng)的全面驗證。試驗方法及驗收準(zhǔn)則:在反應(yīng)堆達(dá)到額定滿功率時，將主變高壓側(cè)斷路器手動斷開，汽機(jī)超速保護(hù)OPC將會觸發(fā)，保證汽機(jī)轉(zhuǎn)速不超過108%額定轉(zhuǎn)速。快速降功率系統(tǒng)選定的停堆棒全部下插，且在動作一段時間內(nèi)降低反應(yīng)堆功率至少40%。M棒組以最快速率下插，因核功率負(fù)變化率高于15%/s，信號P17“控制棒提升閉鎖”將會觸發(fā)。蒸汽旁排閥在溫度模式下自動調(diào)節(jié)，為一回路提供熱阱，且隨著溫度偏差信號變小而自動關(guān)閉，一、二回路各項調(diào)節(jié)參數(shù)趨于穩(wěn)定。在反應(yīng)堆功率降低到20%前，無須人為干預(yù)。當(dāng)反應(yīng)堆功率下降到20%額定功率，操縱員復(fù)位P17閉鎖信號，手動將反應(yīng)堆功率穩(wěn)定在12%～15%額定功率，將蒸汽旁排控制系統(tǒng)切換至壓力控制模式，并根據(jù)需要進(jìn)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(yīng)打開，反應(yīng)堆未停堆，汽機(jī)未停機(jī)，汽機(jī)至少帶廠用電持續(xù)運(yùn)行30分鐘。圖5—圖7為該試驗的動態(tài)響應(yīng)曲線示意圖。

4結(jié)論

三代核電功率控制系統(tǒng)設(shè)計完善，運(yùn)行靈活，但系統(tǒng)較為復(fù)雜，需要調(diào)整的參數(shù)眾多，國內(nèi)調(diào)試運(yùn)行經(jīng)驗較少，調(diào)試運(yùn)行人員需要加大培訓(xùn)力度，從容應(yīng)對出現(xiàn)的各種問題。

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作者：趙宏 劉大虎 單位：山東核電有限公司