CPR1000機組溫度調(diào)節(jié)控制棒頻繁動作的原因分析①

李國仁 曹廣玉 袁瀟 李昕潔 丁兆建

(廣西防城港核電站 廣西防城港 53800)

中國改進(jìn)型三環(huán)路壓水堆（CPR1000）機組是我國目前在運壓水堆最多的一種堆型。該機組從商運開始會逐步從年度換料過渡到18個月?lián)Q料。目的是為了增加循環(huán)長度，減少大修次數(shù)，增加經(jīng)濟(jì)效益。由于增加了循環(huán)長度，相比于年度換料，反應(yīng)堆堆芯徑向功率分布不均勻會增加，造成堆芯出口冷卻劑溫度不均勻增加，反應(yīng)堆冷熱段溫度波動增加。最終，導(dǎo)致用于調(diào)節(jié)反應(yīng)堆冷卻劑平均溫度的控制棒會出現(xiàn)頻繁動作（頻率動作大約在1000次/d）。

反應(yīng)堆冷卻劑溫度調(diào)節(jié)控制棒頻繁波動對反應(yīng)堆運行的影響主要有以下幾點：(1)控制棒控制鉤爪及控制棒驅(qū)動桿磨損增加；(2)控制棒頻繁波動會導(dǎo)致棒控系統(tǒng)（RGL）動力機柜失效概率增大；(3)控制棒滑步及落棒風(fēng)險加大；(4)增加反應(yīng)堆控制難度，壽期末溫度調(diào)節(jié)控制棒擾動容易產(chǎn)生氙震蕩（由于氙135核密度空間分布和中子注量率空間分布的時間特性之間的耦合）。同時，溫度調(diào)節(jié)控制棒頻繁波動對機組的控制也會造成影響，會嚴(yán)重危險到反應(yīng)堆的安全。

1 工作原理

反應(yīng)堆冷卻劑溫度調(diào)節(jié)棒組的調(diào)節(jié)系統(tǒng)是一個閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，主要控制溫度調(diào)節(jié)棒維持冷卻劑平均溫度在參考定值附近。平均溫度偏差信號由實測平均溫度、參考平均溫度和功率偏差信號之間的差值產(chǎn)生。實測平均溫度是反應(yīng)堆冷卻系統(tǒng)（RCP）3個環(huán)路平均溫度的最大值。該實測平均溫度通過補償電路進(jìn)行校正。包括濾除噪音干擾和超前滯后濾波環(huán)節(jié)來對平均溫度的變化進(jìn)行動態(tài)響應(yīng)；參考平均溫度是根據(jù)汽機一級進(jìn)汽壓力和最終功率整定值之間的最大值通過函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的。平均溫度測量值是由3個環(huán)路中選出的平均溫度最大值，經(jīng)由放大器、濾波器和超前滯后濾波器作了電氣處理后接入加法器405ZO。極性的選擇原則是增加時使執(zhí)行機構(gòu)向正方向運動的極性為正。設(shè)溫度調(diào)節(jié)棒提升為正，插入為負(fù)，溫度調(diào)節(jié)棒動作就是溫差加法器輸出的溫差超出±0.83℃，平均溫度超出±0.83℃時應(yīng)插入溫度調(diào)節(jié)棒，故取極性為負(fù)，主要由XUI407、XUI408來控制。GD404模塊使用來控制溫度調(diào)節(jié)棒的棒移動速度。如圖1所示。

2 原因分析及排查

2.1 平均溫度對比分析

從圖1冷卻劑平均溫度控制原理分析，溫度調(diào)節(jié)棒動作就是溫差加法器輸出的溫差超出±0.83℃。調(diào)取歷史數(shù)據(jù)，可知溫度調(diào)節(jié)棒動作時，加法器輸出信號都超出0.83℃，且波動與平均溫度波動基本一致。

通過建模計算（如表1），對比機組前3個循環(huán)的溫度控制棒波動情況和各因素對加法器輸出的影響，參考溫度與開環(huán)前饋功率偏差對溫差信號的貢獻(xiàn)占比很小，所以，溫度調(diào)節(jié)棒動作主要是由于一回路冷卻劑平均溫度波動引起。

圖1 溫度調(diào)節(jié)棒控制系統(tǒng)流程圖

圖2 前一循環(huán)3個環(huán)路熱腿溫度波動情況

圖3 本循環(huán)3個環(huán)路熱腿溫度波動情況

一回路冷卻劑平均溫度主要是由反應(yīng)堆三個環(huán)路的冷熱腿溫度決定。通過對反應(yīng)堆本循環(huán)（年度換料）3個環(huán)路的冷熱腿溫度進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)與前二個循環(huán)相比，3個環(huán)路的冷熱腿溫度的波動幅度明顯增加。

對熱腿、冷腿溫度波動的幅度進(jìn)行具體分析，本循環(huán)較前一循環(huán)熱腿段及平均溫度波動幅度明顯增大，冷腿段波動幅度變化不明顯，熱腿段波動幅度明顯高于冷腿段。如圖2、3、4、5所示，反應(yīng)堆本循環(huán)3個環(huán)路冷熱腿溫度波動幅度都明顯高于過渡循環(huán)，尤其是熱腿溫度波動對平均溫度影響較大。所以進(jìn)一步推斷引起一回路平均溫度波動的主要原因是環(huán)路中熱腿溫度波動所導(dǎo)致。同時未經(jīng)函數(shù)發(fā)生器的冷熱腿溫度大小順序為：2環(huán)路（LOOP 2）＞1環(huán)路（LOOP 1）＞3環(huán)路（LOOP 3）。

圖4 3個環(huán)路溫度保護(hù)探頭熱段溫度波動情況

圖5 3個環(huán)路溫度控制探頭熱段溫度波動情況

2.2 熱段溫度波動原因分析

反應(yīng)堆在實施18個月?lián)Q料后均出現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)控制頻繁動作的現(xiàn)象。由于從前一循環(huán)開始采用低泄漏燃料管理模式，堆芯徑向功率分布不均勻度增大及堆芯上腔室攪混不充分，導(dǎo)致熱管段冷卻劑流動層化現(xiàn)象加劇，進(jìn)而引起熱管段溫度波動增大。

利用反應(yīng)堆各循環(huán)首次滿功率后全堆芯通量圖數(shù)據(jù)，分析堆芯功率離散度（157組組件功率相對于堆芯平均功率的標(biāo)準(zhǔn)偏差），統(tǒng)計結(jié)果如表2所示。

從表2對比可以看出，首循環(huán)經(jīng)過過渡循環(huán)直到18個月?lián)Q料平衡循環(huán)（本循環(huán)），反應(yīng)堆堆芯功率離散度逐漸增加，溫度調(diào)節(jié)控制棒擾動次數(shù)也隨之增加。

18個月?lián)Q料實施低泄漏裝載后，堆芯功率離散度增加，造成反應(yīng)堆堆芯功率分布不均勻性增加及堆芯出口冷卻劑溫度分布不均勻增加，經(jīng)過上腔室攪混不充分，最終反映為反應(yīng)堆冷卻劑熱段溫度波動增加，溫度調(diào)節(jié)控制棒擾動次數(shù)增加。

2.3 溫度探頭的原因分析

反應(yīng)堆冷卻劑溫度測量探頭共有18支窄量程溫度測量探頭，每個環(huán)路冷、熱段各有3支探頭，分別參與保護(hù)、備用、控制。參與保護(hù)和控制探頭信號分別送往反應(yīng)堆控制棒系統(tǒng)。

圖6 不同功率平臺溫度調(diào)節(jié)棒的波動情況

圖7 環(huán)路試驗后差異分析情況

表1 反應(yīng)堆前2個循環(huán)各參數(shù)影響分析

反應(yīng)堆冷卻劑溫度測量分別位于每個環(huán)路的熱段和冷段，為了區(qū)分探頭所測的數(shù)據(jù)為環(huán)路真實溫度，故設(shè)置了溫度保護(hù)探頭和溫度控制探頭來監(jiān)測。當(dāng)三個環(huán)路的溫度保護(hù)探頭和溫度控制探頭對應(yīng)的熱段和冷段變化趨勢不同時，可預(yù)知溫度波動可能是探頭自身設(shè)備的問題引起波動。

如圖4、5比對，3個環(huán)路熱段和冷段的保護(hù)與控制探頭溫度曲線波動一致，可排除自身設(shè)備問題引起的波動。

2.4 GRE閥門波動的影響分析

在滿功率下，反應(yīng)堆供給汽機調(diào)節(jié)系統(tǒng)（GRE）的蒸汽量由高壓調(diào)節(jié)閥門控制，其開度約50%左右，閥門開度波動范圍在3%左右。閥門的波動對主蒸汽調(diào)節(jié)系統(tǒng)（VVP）的流量有一定的影響，進(jìn)而影響一回路冷熱腿溫度變化。根據(jù)不同的功率平臺，GRE閥門的波動結(jié)果來分析，功率降低，GRE閥門波動變小，平均溫度波動變小，溫度調(diào)節(jié)棒次數(shù)明顯減少。如圖6所示。

2.5 小結(jié)

綜上所述，一回路平均溫度波動原因分析，見表3所示。

3 解決方案

3.1 執(zhí)行RCP63試驗

在分析出反應(yīng)堆冷卻劑熱段溫度波動增加是RGL溫度調(diào)節(jié)控制棒擾動次數(shù)增加的主要原因后，通過執(zhí)行一回路溫度傳感交叉比較試驗（RCP63試驗），對溫度傳感器進(jìn)行交叉比較，重新修正了函數(shù)發(fā)生器的參數(shù)，避免探頭的誤差對環(huán)路的偏差造成影響。如圖7所示，在實施完RCP63試驗后，環(huán)路的差異減小，一環(huán)路（LOOP1）平均溫度降低，二環(huán)路（LOOP2）平均溫度升高，大選環(huán)路由一環(huán)路變?yōu)槎h(huán)路，由于二環(huán)路波動較一環(huán)路小，溫度調(diào)節(jié)控制棒動作次數(shù)由此前的1000次/d縮減為100次/d。

表2 堆芯功率離散度分析

表3 綜合原因分析

RCP63試驗僅僅修改下游增益函數(shù)，對冷熱管段溫度的波動不會改變，但因平均溫度的大選信號從一環(huán)路切換至二環(huán)路，二環(huán)路平均溫度波動幅度比一環(huán)路小，從而導(dǎo)致RGL溫度調(diào)節(jié)棒調(diào)節(jié)次數(shù)減小。

3.2 優(yōu)化RGL濾波及超前滯后參數(shù)

溫度調(diào)節(jié)棒頻繁波動是由于一回路平均溫度波動引起。一回路平均溫度信號經(jīng)過一階濾波環(huán)節(jié)T5和超前、滯后環(huán)節(jié)T3/T4處理后，參與溫度調(diào)節(jié)棒控制。一階濾波環(huán)節(jié)改變系統(tǒng)響應(yīng)時間，且T5越大，響應(yīng)時間越長，濾波環(huán)節(jié)改變系統(tǒng)的動態(tài)特性，不影響系統(tǒng)穩(wěn)定性；對于超前滯后環(huán)節(jié)，T3越大（T4不變），超調(diào)越大，但是響應(yīng)時間越短，T4越大（T3不變），超調(diào)越小，響應(yīng)時間越長，T3/T4相同時，T4（或T3）越大，超調(diào)相同，但響應(yīng)時間越長，超前滯后環(huán)節(jié)改變系統(tǒng)的動態(tài)特性，不影響系統(tǒng)穩(wěn)定性，所以T3/T4/T5時間常數(shù)均對調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動態(tài)特性有影響，關(guān)鍵是找到合適的數(shù)值。通過分析減小平均溫度波動峰值可降低R棒控制的動作次數(shù)，可通過優(yōu)化相關(guān)參數(shù)達(dá)到，包括優(yōu)化平均溫度測量通道濾波時間常數(shù)T5，超前、滯后環(huán)節(jié)參數(shù)T3/T4，降低冷卻劑系統(tǒng)溫度振蕩的幅度和頻率。

4 結(jié)語

根據(jù)多基地經(jīng)驗反饋，多數(shù)CPR1000機組在實施18個月?lián)Q料后均出現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)控制棒頻繁動作的現(xiàn)象。由于采用低泄漏燃料管理模式，堆芯徑向功率分布不均勻度增大，加上堆芯上腔室攪混不充分，導(dǎo)致熱管段冷卻劑流動層化現(xiàn)象加劇，進(jìn)而引起平均溫度波動增大。經(jīng)過平均溫度控制系統(tǒng)超前-滯后單元處理后，使得此波動被進(jìn)一步放大，加法器輸出超出了死區(qū)范圍，引起溫度調(diào)節(jié)控制棒頻繁動作現(xiàn)象。同時，堆芯燃料組件徑向功率分布變化引起熱段溫度偏移，進(jìn)而導(dǎo)致平均溫度大選信號控制邏輯切換，如果疊加切換環(huán)路出口溫度波動大，則會出現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)控制棒動作次數(shù)增加的現(xiàn)象。

實際現(xiàn)場可通過實施平均溫度控制參數(shù)優(yōu)化改造解決溫度調(diào)節(jié)控制棒頻繁動作。目前通用做法是通過優(yōu)化RGL系統(tǒng)中平均溫度大選信號后的濾波及超前滯后參數(shù)。改造后溫度調(diào)節(jié)控制棒動作頻次大幅降低，波動小于10次/d。