AP1000壓水堆功率控制模式淺析

孫林寧

摘 要：反應(yīng)堆功率控制是維持反應(yīng)堆穩(wěn)定的核心控制，該文通過(guò)結(jié)合反應(yīng)堆反應(yīng)性控制的基本原理對(duì)AP1000采用的功率控制模式進(jìn)行了簡(jiǎn)要的介紹，分析了AP1000核功率控制關(guān)于功率水平和功率分布的控制方式及約束條件，功率水平控制系統(tǒng)從低功率控制和高功率控制兩個(gè)部分展開(kāi)，功率分布則主要分析其軸向功率的控制信號(hào)及其限制條件。同時(shí)簡(jiǎn)要減少了反應(yīng)堆功率控制模塊中的快速降功率功能。最后將AP1000反應(yīng)堆功率控制模式與其他模式進(jìn)行了對(duì)比，在功率水平和功率分布調(diào)節(jié)方面進(jìn)行了比較分析。

關(guān)鍵詞：核電站 反應(yīng)性 反應(yīng)堆功率控制 AP1000模式

中圖分類(lèi)號(hào)：TM44 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）02（c）-0042-02

目前，壓水堆核電廠(chǎng)因其功率密度高、結(jié)構(gòu)緊湊、安全易控、技術(shù)成熟、造價(jià)和發(fā)電成本相對(duì)較低等特點(diǎn)，成為目前國(guó)際上最廣泛采用的商用核電堆型。而在我國(guó)，絕大部分商運(yùn)核電以及在建核電也都采用了這種主流堆型。隨著壓水堆的不斷完善和發(fā)展，其反應(yīng)堆功率控制系統(tǒng)也在不斷的優(yōu)化，目的是可以保證一、二回路的溫度、壓力等熱工參數(shù)及堆芯功率分布等參數(shù)能滿(mǎn)足一定的跟蹤電網(wǎng)負(fù)荷變化的要求，并且能夠避免造成過(guò)大的堆芯功率分布畸變。

1 反應(yīng)堆功率控制基本原理

反應(yīng)堆功率控制中最重要的就是要保持反應(yīng)堆臨界（穩(wěn)定工況），也即中子數(shù)量保持不變。為此，就必須補(bǔ)償在負(fù)荷變化中產(chǎn)生的各種反應(yīng)性效應(yīng)。這些反應(yīng)性效應(yīng)主要有：慢化劑溫度效應(yīng)（水的溫度效應(yīng)）、燃料溫度效應(yīng)（多普勒效應(yīng)）、燃耗、硼溶液的濃度、控制棒束（黑棒和灰棒）。當(dāng)反應(yīng)堆從一個(gè)臨界狀態(tài)過(guò)渡到另一個(gè)臨界狀態(tài)時(shí)，這些反應(yīng)性必須滿(mǎn)足：

Σρ=Δρ多普勒+Δρ棒+Δρ硼+Δρ溫+Δρ毒=0

其中，Δρ多普勒、Δρ毒、Δρ溫為被控量，Δρ硼、Δρ棒為控制量。如果Σρ>0，則功率上升；如果Σρ<0，則功率下降。

為了控制反應(yīng)堆的鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)，即調(diào)節(jié)堆內(nèi)的自由中子數(shù)，也叫中子通量控制，一般有兩種互為補(bǔ)充的控制手段。

（1）控制棒束（用于快速動(dòng)作）。

（2）溶解硼（用于慢速動(dòng)作）。

2 AP1000反應(yīng)堆功率控制方式

基于反應(yīng)堆控制原理中對(duì)短期中子通量值以及中子通量分布的控制，反應(yīng)堆功率控制方式也對(duì)應(yīng)的表現(xiàn)為對(duì)功率水平和堆芯內(nèi)的功率分布的控制。AP1000壓水堆的69組控制棒中包括了16組灰體控制棒組（MA，MB，MC，MD棒），53組黑體控制棒組（其中M1、M2棒組共12組，AO棒組9組，以及S1，S2，S3，S4停堆棒組32組）。功率控制通過(guò)自動(dòng)調(diào)節(jié)M棒組來(lái)實(shí)現(xiàn)，而軸向功率偏差控制則由AO棒組完成。AP1000反應(yīng)堆穩(wěn)定運(yùn)行和瞬態(tài)過(guò)程中，功率水平與功率分布控制同時(shí)采集不同的堆芯參數(shù)，響應(yīng)不同的控制要求，邏輯上獨(dú)立運(yùn)算，最終輸出控制指令至不同類(lèi)型的棒組。

2.1 功率水平控制系統(tǒng)

反應(yīng)堆在3%～100%功率運(yùn)行時(shí)會(huì)進(jìn)行低功率控制模式與高功率控制模式的切換。低功率模式下，當(dāng)汽輪機(jī)停機(jī)，蒸汽排放閥門(mén)未被閉鎖可控制一回路平均溫度時(shí)，操縱員輸入目標(biāo)功率值及功率變化速率來(lái)控制棒移動(dòng)方向和移動(dòng)速度。而高功率模式則主要用于調(diào)節(jié)15%以上的功率運(yùn)行，高功率水平控制主要有2個(gè)控制通道：閉環(huán)通道以及前饋通道。閉環(huán)通道的控制信號(hào)主要來(lái)自于一回路平均溫度與參考溫度的偏差，而參考溫度由汽輪機(jī)沖動(dòng)級(jí)壓力轉(zhuǎn)換而來(lái)，是汽輪機(jī)負(fù)荷的函數(shù)。為了防止控制棒頻繁移動(dòng)對(duì)控制棒造成的磨損及對(duì)堆芯穩(wěn)定性帶來(lái)的不良影響，平均溫度的控制設(shè)置了一定的死區(qū)，在不同的運(yùn)行模式下（負(fù)荷跟蹤、頻率調(diào)節(jié)、基本負(fù)荷運(yùn)行），控制系統(tǒng)的死區(qū)是不一樣的，負(fù)荷跟蹤和頻率調(diào)節(jié)模式下的死區(qū)比帶基本負(fù)荷模式下的死區(qū)比較寬，當(dāng)溫度偏差位于死區(qū)內(nèi)時(shí)，控制棒不移動(dòng)，利用反應(yīng)堆自身的反應(yīng)性反饋來(lái)穩(wěn)定反應(yīng)堆，當(dāng)偏差在死區(qū)范圍以外時(shí)，控制系統(tǒng)溫度偏差信號(hào)的大小和極性來(lái)確定M棒組的移動(dòng)速率和移動(dòng)方向。前饋通道的控制信號(hào)來(lái)自于反應(yīng)堆功率與汽輪機(jī)功率的失配信號(hào)，在負(fù)荷降低較大幅度時(shí)，它能使控制棒在一回路平均溫度變化前適當(dāng)動(dòng)作，為系統(tǒng)提供超前調(diào)節(jié)作用，減少瞬態(tài)峰值。

2.2 功率分布控制系統(tǒng)

AP1000通過(guò)軸向功率偏移控制棒AO棒組來(lái)進(jìn)行功率分布控制。軸向功率偏差控制系統(tǒng)的主要功能是：在負(fù)荷跟蹤及電網(wǎng)頻率改變的瞬態(tài)下，將軸向功率偏移控制在規(guī)定范圍內(nèi)。當(dāng)軸向功率偏移測(cè)量超出預(yù)定范圍時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出控制信號(hào)使AO棒移動(dòng)，從而達(dá)到功率分布的控制目標(biāo)。AO棒組的控制信號(hào)來(lái)自于實(shí)測(cè)的軸向功率偏差信號(hào)ΔI，其中：

ΔI=（P上部-P下部）/（P上部+P下部）

若ΔI為正值，則表示堆芯上部功率大于下部功率，若ΔI為負(fù)值，則表示堆芯上部功率小于下部功率。

實(shí)測(cè)ΔI送去與ΔI控制帶上下限值作比較，若在合理范圍內(nèi)，那么AO棒對(duì)移動(dòng)方向和速率做出響應(yīng)。ΔI控制帶如圖2所示。參考線(xiàn)是過(guò)原點(diǎn)的直線(xiàn)（0，0）和（ΔIT，100%），ΔIT：額定功率下的ΔI目標(biāo)值，運(yùn)行帶的上下限是與參考線(xiàn)的平行線(xiàn)。ΔIL：額定功率下的ΔI運(yùn)行下限；ΔIH：額定功率下的ΔI運(yùn)行上限。ΔIT，ΔIL和ΔIH由操縱員設(shè)定，上述三個(gè)數(shù)值每個(gè)對(duì)應(yīng)有三個(gè)設(shè)定值，分別對(duì)應(yīng)以下三種機(jī)組模式：（1）基本負(fù)荷模式；（2）負(fù)荷跟蹤模式；（3）負(fù)荷調(diào)節(jié)模式。

為了防止M棒與AO棒之間可能出現(xiàn)的干擾，當(dāng)二者控制信號(hào)出現(xiàn)沖突時(shí)，M棒控制信號(hào)占主導(dǎo)地位，M棒移動(dòng)時(shí)，AO棒被閉鎖移動(dòng)。在瞬態(tài)下的調(diào)節(jié)過(guò)程中，如果M棒與AO棒之間的閉鎖功能不完善，則可能出現(xiàn)二者動(dòng)作相互干擾而引起控制的混亂，使得功率分布出現(xiàn)較大的變化。

2.3 快速降功率系統(tǒng)

AP1000功率控制模式中還設(shè)置了快速降功率系統(tǒng)，如汽輪機(jī)負(fù)荷大幅度降低時(shí)，反應(yīng)堆功率與汽輪機(jī)功率失配，通過(guò)前饋通道，一定數(shù)量的預(yù)選控制棒下插，核功率快速降低，與此同時(shí)，蒸汽排放控制系統(tǒng)開(kāi)啟保證一回路熱阱。在選定的控制棒下插后，通過(guò)閉環(huán)回路的調(diào)節(jié)作用來(lái)調(diào)節(jié)一回路平均溫度，將反應(yīng)堆穩(wěn)定在正常狀態(tài)。

3 AP1000反應(yīng)堆功率控制模式與其他模式的比較分析

壓水堆核電站已經(jīng)發(fā)展了50多年，已實(shí)施的核功率控制方案，可大致歸為四種模式，即A模式，G模式，K模式，AP1000模式。

在A模式中，核功率控制手段只用了兩種——硼濃度和黑棒。核功率水平的調(diào)節(jié)是通過(guò)硼酸濃度調(diào)節(jié)和黑體控制棒組位置調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而核功率分布的控制則是通過(guò)調(diào)節(jié)硼酸濃度和限制控制棒的移動(dòng)操作，使熱點(diǎn)因子FQT低于限值來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在G模式中，核功率控制手段有3種，即：硼酸濃度，黑棒或灰棒，可燃毒物棒。其控制方法有了明顯的進(jìn)步，范圍更寬、精度更高。在核功率分布的控制方面，G模式與A模式基本相同，沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的控制系統(tǒng)，只是在核功率水平控制過(guò)程中通過(guò)調(diào)節(jié)硼酸濃度和限制控制棒的移動(dòng)操作（甚至用人工控制的方式）來(lái)保證核功率分布在限定范圍內(nèi)。但在K模式中，功率水平與功率分布通過(guò)兩個(gè)閉環(huán)的自動(dòng)控制系統(tǒng)分別進(jìn)行控制，降低了兩者的耦合作用，進(jìn)一步提升了核電機(jī)組的負(fù)荷跟蹤能力。而硼酸濃度則由開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)按照預(yù)定負(fù)荷跟蹤形式實(shí)現(xiàn)。

AP1000模式采用灰棒和黑棒進(jìn)行功率水平調(diào)節(jié)，功率調(diào)節(jié)速率較快，功率分布則由AO棒組來(lái)調(diào)節(jié)。AP1000的控制模式使得本身負(fù)責(zé)的控制系統(tǒng)變?yōu)閹讉€(gè)簡(jiǎn)單的控制回路，很大程度上降低了控制對(duì)象之間的耦合程度，使得反應(yīng)堆自動(dòng)化控制程度更高，有利于數(shù)字化自動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用，同時(shí)也減少了運(yùn)行操縱員的工作，降低了發(fā)生人因事故的概率。AP1000的功率調(diào)節(jié)主要由控制棒來(lái)完成，而硼酸濃度調(diào)節(jié)主要是用來(lái)補(bǔ)償燃耗以及氙毒引起的一系列長(zhǎng)期的反應(yīng)性變化。

4 結(jié)語(yǔ)

目前，AP1000壓水堆尚無(wú)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，其實(shí)際應(yīng)用情況、發(fā)展形勢(shì)以及最新技術(shù)應(yīng)用都有不確定的因素，盡管AP1000的設(shè)計(jì)允許負(fù)荷跟蹤，仍建議AP1000機(jī)組能夠帶基本負(fù)荷運(yùn)行，少量參與負(fù)荷跟蹤。AP1000的功率控制自動(dòng)化程度較以往模式大幅度提高，同時(shí)對(duì)堆芯設(shè)計(jì)及裝料也提出了更高的要求。隨著技術(shù)的更新和經(jīng)驗(yàn)的不斷積累，運(yùn)行人員也將會(huì)更加從容的應(yīng)對(duì)在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的各種問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)

[1] 張小東，劉琳.AP1000反應(yīng)堆控制系統(tǒng)特點(diǎn)分析[J].核動(dòng)力工程，2011（4）：62-65.

[2] 沈如剛.廣東核電機(jī)組設(shè)計(jì)運(yùn)行特性及其運(yùn)行模式[J].中國(guó)電力，1994（1）：29-34.

[3] 張建民.核反應(yīng)堆控制[M].北京：原子能出版社，2009.