毛文禮
(中核遼寧核電有限公司,遼寧 葫蘆島 125100)
AP1000 快速降功率系統(tǒng)與二代核電站有很大的不同,在滿(mǎn)功率情況下出現(xiàn)汽輪機(jī)故障跳閘時(shí),通過(guò)快速降功率系統(tǒng)動(dòng)作,將反應(yīng)堆功率降低到汽輪機(jī)旁排系統(tǒng)和反應(yīng)堆功率控制系統(tǒng)能夠控制的水平,避免反應(yīng)堆停堆和主蒸汽安全閥打開(kāi)。
汽輪機(jī)旁排系統(tǒng)為一回路提供一個(gè)人為的負(fù)荷,將主蒸汽旁路到凝汽器,排放能力為40%額定蒸汽流量。反應(yīng)堆控制系統(tǒng)能夠調(diào)節(jié)10%的階躍降負(fù)荷或負(fù)荷每分鐘線(xiàn)性變化5%。汽輪機(jī)旁排系統(tǒng)和反應(yīng)堆功率控制系統(tǒng)總共能夠滿(mǎn)足50%的機(jī)組甩負(fù)荷。大于50%的階躍甩負(fù)荷或汽輪機(jī)在50 %負(fù)荷以上的跳閘工況,超過(guò)了上述兩個(gè)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力,會(huì)導(dǎo)致一回路過(guò)熱。這些工況下,快速降功率系統(tǒng)需要?jiǎng)幼?,快速降低核功率,防止一回路過(guò)熱。
AP1000 反應(yīng)堆有69 束棒束控制組件,按功能可分為功率控制棒組(M 棒組)、軸向偏移棒組(AO 棒組)和停堆棒組(SD 棒組)。負(fù)荷跟蹤時(shí),反應(yīng)堆功率控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)M 棒組的提升和下插,保持一、二回路的功率匹配。AO 棒組用于調(diào)整堆芯軸向功率分布。停堆棒組用于保證反應(yīng)堆停堆后具有足夠的停堆裕度。快速降功率系統(tǒng)也是通過(guò)棒束控制組件來(lái)實(shí)現(xiàn)其功能的,快速降功率系統(tǒng)動(dòng)作信號(hào)產(chǎn)生后,釋放預(yù)先選定的停堆棒組和中心的AO 棒。
快速降功率系統(tǒng)釋放的棒組由操縱員依據(jù)BEACON(堆芯核運(yùn)行最佳評(píng)估分析器)來(lái)選定。通過(guò)對(duì)持續(xù)監(jiān)測(cè)的堆芯熱功率數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總得到堆芯的燃耗分布情況,根據(jù)堆芯燃耗分布情況和堆功率水平給出推薦的快速降功率時(shí)需要插入堆芯的停堆棒組和中心的AO 棒,經(jīng)操縱員確認(rèn)后,最終選定棒組。
圖1 AP1000 快速降功率系統(tǒng)示意圖
只有在發(fā)生階躍甩負(fù)荷超過(guò)50%額定功率或汽輪機(jī)在50%以上負(fù)荷跳機(jī)時(shí)才會(huì)觸發(fā)快速降功率系統(tǒng)動(dòng)作,因此快速降功率系統(tǒng)的觸發(fā)有兩個(gè)條件:1)核功率大于50%額定功率;2)汽輪機(jī)甩負(fù)荷超過(guò)50%額定負(fù)荷(如圖1 所示)。以100 %功率時(shí)汽輪機(jī)跳閘來(lái)說(shuō)明快速降功率系統(tǒng)的運(yùn)行。該工況下產(chǎn)生保持的快速降功率信號(hào),系統(tǒng)觸發(fā),將預(yù)先選定的棒組斷電,棒組在重力作用下插入堆芯,迅速將反應(yīng)堆功率降至50%左右。反應(yīng)堆功率控制系統(tǒng)根據(jù)一回路平均溫度Tavg與二回路參考溫度Tref之間的偏差信號(hào)將M 棒組插入堆芯,反應(yīng)堆功率逐漸降低。此時(shí)由于反應(yīng)堆有功率存在,而汽輪發(fā)電機(jī)組已跳閘,因此一、二回路熱量不平衡。然后判斷二回路是否可用,若二回路不可用,則需要將反應(yīng)堆停堆;若二回路可用(主給水泵在運(yùn)行,蒸汽發(fā)生器液位維持正常穩(wěn)定,汽輪機(jī)旁排系統(tǒng)可用,凝汽器可用等),則在各系統(tǒng)的協(xié)作下,導(dǎo)出一回路多余的熱量,維持一回路溫度。當(dāng)反應(yīng)堆功率下降到低于15%,反應(yīng)堆功率控制系統(tǒng)將進(jìn)入低功率模式,操縱員設(shè)定一個(gè)目標(biāo)功率和速率,維持反應(yīng)堆功率在12%~15%之間,此時(shí)熱量通過(guò)汽輪機(jī)旁排系統(tǒng)帶走。
核功率負(fù)變化率高于15%/秒時(shí),產(chǎn)生P-17 信號(hào),如圖1 所示。該信號(hào)閉鎖了M 棒組的自動(dòng)和手動(dòng)提升,AO 棒組的自動(dòng)下插,AO 棒組的自動(dòng)和手動(dòng)提升。這樣就避免了快速降功率觸發(fā)時(shí),由于停堆棒組的落棒導(dǎo)致處于自動(dòng)狀態(tài)的M 棒組和AO 棒組提出。該閉鎖信號(hào)未閉鎖M 棒組的自動(dòng)插棒,在快速降功率觸發(fā)后,M 棒組將根據(jù)一回路平均溫度Tavg與二回路參考溫度Tref的偏差進(jìn)行插棒。P-17 是一個(gè)保持的信號(hào),若要進(jìn)行棒的提升操作,需要手動(dòng)進(jìn)行復(fù)位。
汽輪機(jī)大的甩負(fù)荷工況時(shí),由于快速降功率系統(tǒng)的動(dòng)作向堆芯插入了停堆棒組和AO 棒,可能引入過(guò)量的負(fù)反應(yīng)性,使反應(yīng)堆功率的下降多于汽輪機(jī)功率的下降。AP1000 的反應(yīng)堆設(shè)計(jì)中,在沒(méi)有主動(dòng)控制干預(yù)時(shí),堆芯功率跟隨汽機(jī)功率運(yùn)行。一、二回路功率失配引起冷卻劑平均溫度Tavg增加或降低,由于負(fù)的慢化劑的溫度系數(shù),Tavg的改變反過(guò)來(lái)影響堆芯功率,直到達(dá)到新平衡。也就是說(shuō)快速降功率系統(tǒng)動(dòng)作時(shí),即使引入了過(guò)量的負(fù)反應(yīng)性,堆芯功率最終會(huì)恢復(fù)到與汽機(jī)功率一致,但是降低了一回路平均溫度Tavg。導(dǎo)致一回路過(guò)冷。因此在快速降功率系統(tǒng)動(dòng)作后汽輪機(jī)需要Runback。
使用溫度/功率失配信號(hào)和快速降功率信號(hào)來(lái)控制汽輪機(jī)Runback。如圖1 所示,當(dāng)快速降功率信號(hào)出現(xiàn),且溫度/功率失配信號(hào)大于一個(gè)帶有回環(huán)的設(shè)定值時(shí),汽機(jī)負(fù)荷將會(huì)產(chǎn)生Runback,以一定速率降低汽機(jī)負(fù)荷。從快速降功率信號(hào)出現(xiàn)到Runback 有一個(gè)延時(shí),其目的是防止在甩負(fù)荷瞬態(tài)之初就觸發(fā)汽輪機(jī)Runback。當(dāng)溫度/功率偏差信號(hào)小于設(shè)定值減去一個(gè)回環(huán)值后,汽輪機(jī)Runback 信號(hào)消失。
圖2 反應(yīng)堆快速降功率動(dòng)作后硼濃度及氙價(jià)值變化示意圖
反應(yīng)堆功率由100%降到15%過(guò)程中,甩負(fù)荷后的反應(yīng)性由快速降功率棒組和M 棒組的下插來(lái)補(bǔ)償。反應(yīng)堆功率降到15%左右后,由于氙濃度的積累,向堆芯引入負(fù)反應(yīng)性。若要使功率穩(wěn)定在這一水平運(yùn)行,應(yīng)該在快速降功率觸發(fā)后立即對(duì)一回路進(jìn)行稀釋?zhuān)档团饾舛?,以補(bǔ)償氙毒引入的負(fù)反應(yīng)性。稀釋速率取決于穩(wěn)定在15%功率水平的時(shí)間長(zhǎng)短,在0~30 分鐘內(nèi)需要的稀釋流量是15.67m3/h。落棒恢復(fù)過(guò)程中,通過(guò)移動(dòng)M 棒組來(lái)補(bǔ)償快速降功率棒組提升引入的正反應(yīng)性和氙濃度增加引入的負(fù)反應(yīng)性。圖2所示為反應(yīng)堆穩(wěn)定在15%功率運(yùn)行1 小時(shí)后,進(jìn)行落棒恢復(fù)(持續(xù)2小時(shí)),一回路硼濃度及氙價(jià)值的變化示意圖。
在15%功率水平時(shí),若要將快速降功率系統(tǒng)動(dòng)作而掉落的棒組恢復(fù)到原先位置,首先要停止對(duì)一回路的稀釋。然后通過(guò)將控制棒置于單棒控制模式,手動(dòng)提升快速降功率棒組中的停堆棒,在停堆棒的提升過(guò)程中,控制M 棒的移動(dòng)來(lái)維持反應(yīng)堆功率恒定在15%。停堆棒恢復(fù)完畢后,再恢復(fù)掉落的AO 棒到其原先位置,當(dāng)M 棒組中的M1 棒組接近棒的插入限值時(shí),就需要進(jìn)行硼化。一回路硼濃度增加將M 棒組趕到需要的位置。
AP1000 快速降功率系統(tǒng)的設(shè)計(jì),以及與其它一、二回路系統(tǒng)的相互協(xié)作,實(shí)現(xiàn)了電站停機(jī)不停堆的功能,從而減少了機(jī)組再次投入并網(wǎng)運(yùn)行的時(shí)間,提高了電站的經(jīng)濟(jì)性。引用BEACON 系統(tǒng)進(jìn)行快速降功率系統(tǒng)的棒組選擇,提高了靈活性。由于BEACON 在國(guó)內(nèi)核電屬于首次應(yīng)用,且是一個(gè)非安全相關(guān)系統(tǒng),BEACON 系統(tǒng)的可靠性將影響快速降功率功能的實(shí)現(xiàn)。
快速降功率動(dòng)作后,核功率要穩(wěn)定在15%水平運(yùn)行,就要立即進(jìn)行稀釋操作。若操縱員由于耽擱而未能快速響應(yīng),氙濃度的積累將引起反應(yīng)堆進(jìn)入次臨界。一旦反應(yīng)堆處于次臨界且核功率下降到5%以下,操縱員就需要停堆。
[1]車(chē)濟(jì)堯.三門(mén)核電站停機(jī)不停堆的運(yùn)行分析[J].中國(guó)核電,2014(3).