核电站反应堆功率控制系统信号试验范文

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摘要:反应堆功率控制系统是核电厂最重要的非安全级控制系统之一。海阳核电站功率控制系统在快速降功率系统、旁排控制系统、汽机功率给定系统的协同下完成各个工况的功率控制。本文分析了主要控制策略及主要试验，帮助核电站相关人员加深对功率控制系统的理解，提高他们对机组状态的响应能力。

关键词:反应堆功率;旁排控制系统;快速降功率

反应堆功率控制系统是核电厂最重要的非安全级控制系统之一，包括冷却剂平均温度控制、轴向功率偏移控制两大主要功能。海阳核电站反应堆功率控制系统(以下简称功率控制系统)在反应堆快速降功率系统、旁排控制系统、汽机功率给定系统、棒控系统配合下，实现反应堆正常启动、功率运行、停堆及电站功率瞬态的控制。本文将单一反应堆功率控制系统称为狭义的控制系统，将反应堆控制系统、快速降功率系统、旁排控制系统、汽机功率给定系统称为广义的反应堆功率控制系统。

1控制信号分析

1.1反应堆功率信号/轴向功率分布偏差信号的处理反应堆功率信号来自于保护与安全监视系统(PMS)的功率探测器。低功率模式下作为功率控制器的一个量，高功率模式下作为动态快速反应及调节信号。反应堆轴向功率分布偏差信号AFD同样来自于PMS系统，在PMS系统内由不同位置的量程探测器信号计算得到。该信号是反应堆轴向功率分布偏差控制的过程量。棒控系统的补偿功能保留在堆芯的一些灰棒中，用来补偿氙和功率亏损的变化。这会造成燃料的荫蔽效应，进而造成堆外中子通量测量的误差［1］。为了解决这一问题，系统使用了堆内信号对堆外信号的控制作用进行补偿。由于自给能中子探测器固有的滞后效应，在动态过程开始时优先使用反应更快的堆外信号进行控制，随着时间推移，堆内信号开始加入对控制作用进行补偿，减小隐蔽效应造成的控制误差，以达到稳态下的精确控制。而堆内信号开始补偿的时机则依赖于堆内信号的加速算法参数和信号本身的变化情况。AFD信号和反应堆功率信号的处理流程如图1所示。AFD信号具体的的补偿作用如图2所示。反应堆功率信号的补偿与AFD信号补偿相同

1.2反应堆冷却剂平均温度信号的处理反应堆冷却剂平均温度信号Tavg来自于反应堆保护系统的探测器，由每个环路的冷腿温度和热腿温度信号取平均值得到，是功率控制器的主要输入信号。在进行功率控制计算之前，要经过超前/滞后运算的补偿，传递函数如下:超前/滞后补偿运算放大Tavg信号的快速改变，加速系统响应。τ1和τ2常数选择值要使功率控制系统在瞬态响应中可达到快速和稳定的目的。τ1的选择主要考虑探测器和控制系统的噪声滤除、减少瞬变，τ2的选择主要考虑抵消温度传感器和系统本身固有的滞后，以及进一步根据温度变化的趋势提前动作，减少功率控制系统的超调量。为保证功率和温度两个通道不能耦合，功率失配通道响应快于要温度通道，因此超前补偿作用强度是有限的。

1.3反应堆功率控制/轴向功率分布偏差控制反应堆功率控制的目的是保持反应堆的功率输出与二回路的功率需求相平衡，并保证反应堆轴向功率分布不偏离设计值。一、二回路热量交换点在蒸汽发生器，功率需求是否平衡的信号就是冷却剂平均温度。较高的汽机功率需求对应着较高的冷却剂平均温度。在较低的功率条件下，如反应堆功率处于3%～15%额定功率，停堆裕度较大，控制系统处于低功率模式下，控制棒提出和插入堆芯活性深度依据核功率测量值和设定值的偏差来确定，此时旁排系统已经处于压力模式下的自动调节。在高一些的功率水平如15%～100%额定功率，控制棒的移动依赖于2个偏差信号(温度失配信号和功率失配信号)的组合来确定。机组总体上可以认为是堆跟机的控制模式［2］。当电网要求功率升高时，汽轮发电机组可以利用系统蓄热量快速响应发出较高的电功率，同时冷却剂平均温度Tavg将会下降，偏离设计值，慢化剂的负反应性又会提供部分需求的功率。为了通过维持冷却剂平均温度来维持二回路参数，控制系统的机械补偿控制棒M，得到提棒指令增加反应性，Tavg回到当前汽机功率要求的数值。该值由一回路到二回路热功率传递函数公式计算得到，在3.1节的启动试验中进行验证和修正。热功率公式如下:αNt=KF(Tavg－Ts)式中，α———常数;Nt———一回路热功率;K———蒸汽发生器传热系数;F———蒸汽发生器传热面积;Tavg———冷却剂平均温度;Ts———蒸汽发生器出口蒸汽饱和温度的设计值，由汽轮机厂家提供［3］。当M棒插入和提出堆芯以维持Tavg时，轴向功率分布将会变化。轴向功率分布控制的目的是维持适当的堆芯中子峰值余量。用轴向功率分布偏差AFD来描述轴向功率分布。AFD为一线性变化值，且因为燃耗的变化，AFD目标值需要调整。由于设计基准的负荷跟踪过程引起的轴向偏移量变化是缓慢的，因此轴向功率控制棒AO棒的控制是缓慢而稳定的，棒速为固定的8步/min。为了保证功率调节优先于功率分布调节，M棒的移动优先于AO棒。在M棒调节期间可能发生轴向功率分布偏差变大，根据改进的控制方式，若Tavg控制和AFD控制各自的控制棒响应方向相反时，AO棒受联锁的限制不能立即移动。而当AO棒开始动作纠正轴向功率分布偏差将可能导致Tavg再次偏离设定值，进而M棒又开始调节，AO棒的动作又被闭锁。最终AO棒及M棒交替动作，直至Tavg和AFD都达到设定值。在TAVG“控制和AFD控制各自的控制棒响应方向相同时，AFD控制策略允许AO棒控制Tavg，并减轻AFD的控制。当M棒有的动作方向与AO棒相同时，只允许AO棒动作，直至AO棒动作结束，M棒才可以动作［4］。这样AO棒的调节动作不但使轴向功率分布偏差得到纠正，同时对Tavg进行了一定程度的调节，这样既保证了Tavg的调节优先于AFD的调节，又对AFD的调节可减少延迟和干扰，减小了AFD的动态超调量，减小了这两个参数的调节过渡时间和动作次数。

1.4蒸汽旁排、反应堆快速降功率、汽机功率给定的控制蒸汽旁排系统通过测量汽轮机压力来确定汽轮机负荷降低的速率。当汽机甩负荷超过10%阶跃降负荷或甩负荷速率大于5%/min的连续降负荷时，开启蒸汽旁排阀。海阳核电厂蒸汽旁排系统容量设计较小，只有40%。考虑稳压器压力裕量，只有在核功率达到较高的功率水平(70%以上时)，发生汽机快速减负荷超过40%，快速降功率系统将释放事先选定的停堆棒组SD棒或者AO中心棒，快速减少反应堆功率，大概在50%核功率［5］，这个功率水平下蒸汽旁排系统和反应堆功率控制系统协同工作可以控制反应堆的能量产生和二回路的耗能达到平衡，使Tavg与此时的参考温度值Tref相对应。由于快速降功率过程对功率的控制是快速和不精确的，堆芯如有过量的负反应性产生，可能导致堆芯过冷，将会启动汽轮机的负荷返回(RB)动作降低汽机功率来避免堆芯过冷。然后，汽轮机将在较低的负荷(例如仅带厂用电)下继续运行。选择70%核功率以上才会有快速降功率的动作，是因为较高的核功率下，汽机甩负荷对功率控制系统、稳压器的的扰动较大，停堆裕量较小。快速降功率动作后，反应堆如果需要稳定在低功率运行，就必须进行稀释操作，以避免氙累积造成的反应堆进入次临界。图3为快速降功率动作后由氙引入负反应性的示意图。如果在较高的功率水平下运行，失去一个给水泵，汽机会发生RB。RB限值的确定主要考虑蒸汽发生器窄量程液位调节相对于反应堆紧急停堆的裕量。仿真表明，降低降负荷限值能带来更短的恢复时间，然而，太低的限值会导致出现反应堆快速降功率系统动作。当超温或者超功率停堆裕量低于低1值，汽机功率给定系统会发出信号停止汽机加载。当裕量更小达到低2设定值时，会发出一个汽机RB信号，直到裕量回升才清除RB信号。

1.5功率控制系统的负荷调节模式相对于功率控制系统的基本负荷模式，负荷调节模式允许反应堆功率变化更快。受功率瞬变影响最大的一回路设备就是棒控系统和稳压器。为了减少设备的寿命损失，控制系统采取了一些必要的措施。在负荷调节模式下，通过扩大控制死区来减少高功率模式下M棒的移动频度，通过增加滞后环节来减少AO棒的移动频度。这样扩大了Tavg变化范围，可以通过慢化剂的负反应性和热力系统的蓄热量来提供一部分功率改变。在负荷调节模式下，稳压器会投入一组或者多组后备加热器来保持对稳压器的持续加热，这样喷淋阀能保持在打开状态，加快了稳压器压力的调节速度，减少了压力波动，同时减少了稳压器喷雾管嘴以及其他构件受到的热冲击。在出现较大的扰动或者不合适的工况下，如出现汽机RB，为了确保停堆裕量，会退出负荷调节模式。

2与二代核电控制系统的比较

本文介绍的海阳核电站功率控制系统与二代核电最大的不同在于将冷却剂平均温度控制、轴向功率偏移控制分开，采用不同的控制器分别控制［6］，提高了控制系统解耦程度，降低了运行操作的难度，解决了二代核电功率分布难以自动控制的问题，特别是在满功率运行时更难控制的问题，减少了人因失误的隐患［7］。另外，该功率控制系统设置了快速降功率系统，降低了对蒸汽旁排系统的要求，旁排系统的设计容量减少到40%，降低了电站造价，但快速降功率动作会对反应堆造成较大的冲击［8］。快速降功率系统与其它一、二回路系统协同工作，实现电站从100%核功率下甩负荷到较低的功率水平，可以稳定运行而无需停堆［9］，避免了碘坑对重启反应堆的影响，从而提高了电站的可利用时间和经济性。再次，该功率控制系统的一大特色是采取机械补偿策略，一回路无须通过调节硼浓度来调节功率，因而需要一些灰棒一直留在堆芯中。由于燃料荫蔽效应，控制逻辑需要周期性的交换控制棒插入顺序，来避免径向功率峰值因子超限。

3主要相关试验

由于海阳核电站满功率下的反应堆冷却剂平均温度低于二代核电站的冷却剂平均温度［3］，功率控制系统的主要试验项目与二代核电站略有不同，增加了反应堆控制系统调节启动试验。该试验验证反应堆控制系统能够将Tavg控制在参考温度Tref，且对应功率水平的主蒸汽压力满足二回路设备的设计需求值，若不满足设计值可能会修改对应功率水平的Tref的数值，使对应功率水平的蒸汽发生器出口压力Ps满足设计值。而满功率甩负荷带厂用电试验是对反应堆功率控制系统的全面验证的重要试验。下面将简要介绍这两个试验。

3.1反应堆控制系统调节启动试验在反应堆功率0%、25%、50%、75%、90%和100%各个功率水平都要进行。试验方法如下。当反应堆维持在0%功率状态下，反应堆控制棒处于手动，使用蒸汽旁排系统压力模式来控制Tavg满足0%功率设计值。当反应堆处于模式1，进入功率提升阶段，反应堆热功率分别稳定在25%，50%，75%，90%和100%额定功率水平，此时控制棒由高功率模式下的反应堆功率控制系统控制，验证可以维持Tavg在Tref水平，并记录各个功率阶段对应Tavg以及Ps的数值，生成对应曲线。在75%功率，使用已完成至75%额定功率的数据表中的信息的数据绘制Tavg与额定功率的关系曲线，Ps与额定功率曲线，分别外推出Tavg、Ps至100%RTP的曲线，推算出100%额定功率的满功率Tavg期望值、Ps期望值，验证推算100%额定功率的Ps期望值是否符合设计。若满功率Ps期望值不在要求范围内，则根据Ps实际推算值及饱和温度Ts值、设计压力下饱和温度的差值进行计算，以决定在100%RTP下，Tref的修正值。在90%功率，继续使用上述方法进行推算和验证、和计算修正值。在100%功率，用100%功率下的各实际值代替推算值，继续使用上述方法进行验证、计算修正值，在100%额定功率下Tref的设定值将会根据修正值进行修正。图4为Tavg、Ts、Ps与反应堆热功率之间的关系示意图。

3.2满功率甩负荷带厂用电试验满功率甩负荷带厂用电试验是对反应堆功率控制等系统的全面验证。试验方法及验收准则:在反应堆达到额定满功率时，将主变高压侧断路器手动断开，汽机超速保护OPC将会触发，保证汽机转速不超过108%额定转速。快速降功率系统选定的停堆棒全部下插，且在动作一段时间内降低反应堆功率至少40%。M棒组以最快速率下插，因核功率负变化率高于15%/s，信号P17“控制棒提升闭锁”将会触发。蒸汽旁排阀在温度模式下自动调节，为一回路提供热阱，且随着温度偏差信号变小而自动关闭，一、二回路各项调节参数趋于稳定。在反应堆功率降低到20%前，无须人为干预。当反应堆功率下降到20%额定功率，操纵员复位P17闭锁信号，手动将反应堆功率稳定在12%～15%额定功率，将蒸汽旁排控制系统切换至压力控制模式，并根据需要进行一回路稀释操作［10］。在此期间，一、二回路安全阀及大气释放阀不应打开，反应堆未停堆，汽机未停机，汽机至少带厂用电持续运行30分钟。图5—图7为该试验的动态响应曲线示意图。

4结论

三代核电功率控制系统设计完善，运行灵活，但系统较为复杂，需要调整的参数众多，国内调试运行经验较少，调试运行人员需要加大培训力度，从容应对出现的各种问题。

参考文献

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作者：赵宏 刘大虎 单位：山东核电有限公司