AP1000壓水堆功率控制模式淺析

孫林寧

摘 要：反應堆功率控制是維持反應堆穩(wěn)定的核心控制，該文通過結合反應堆反應性控制的基本原理對AP1000采用的功率控制模式進行了簡要的介紹，分析了AP1000核功率控制關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部分展開，功率分布則主要分析其軸向功率的控制信號及其限制條件。同時簡要減少了反應堆功率控制模塊中的快速降功率功能。最后將AP1000反應堆功率控制模式與其他模式進行了對比，在功率水平和功率分布調節(jié)方面進行了比較分析。

關鍵詞：核電站 反應性 反應堆功率控制 AP1000模式

中圖分類號：TM44 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）02（c）-0042-02

目前，壓水堆核電廠因其功率密度高、結構緊湊、安全易控、技術成熟、造價和發(fā)電成本相對較低等特點，成為目前國際上最廣泛采用的商用核電堆型。而在我國，絕大部分商運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、壓力等熱工參數及堆芯功率分布等參數能滿足一定的跟蹤電網負荷變化的要求，并且能夠避免造成過大的堆芯功率分布畸變。

1 反應堆功率控制基本原理

反應堆功率控制中最重要的就是要保持反應堆臨界（穩(wěn)定工況），也即中子數量保持不變。為此，就必須補償在負荷變化中產生的各種反應性效應。這些反應性效應主要有：慢化劑溫度效應（水的溫度效應）、燃料溫度效應（多普勒效應）、燃耗、硼溶液的濃度、控制棒束（黑棒和灰棒）。當反應堆從一個臨界狀態(tài)過渡到另一個臨界狀態(tài)時，這些反應性必須滿足：

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。

為了控制反應堆的鏈式裂變反應，即調節(jié)堆內的自由中子數，也叫中子通量控制，一般有兩種互為補充的控制手段。

（1）控制棒束（用于快速動作）。

（2）溶解硼（用于慢速動作）。

2 AP1000反應堆功率控制方式

基于反應堆控制原理中對短期中子通量值以及中子通量分布的控制，反應堆功率控制方式也對應的表現為對功率水平和堆芯內的功率分布的控制。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）。功率控制通過自動調節(jié)M棒組來實現，而軸向功率偏差控制則由AO棒組完成。AP1000反應堆穩(wěn)定運行和瞬態(tài)過程中，功率水平與功率分布控制同時采集不同的堆芯參數，響應不同的控制要求，邏輯上獨立運算，最終輸出控制指令至不同類型的棒組。

2.1 功率水平控制系統(tǒng)

反應堆在3%～100%功率運行時會進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，當汽輪機停機，蒸汽排放閥門未被閉鎖可控制一回路平均溫度時，操縱員輸入目標功率值及功率變化速率來控制棒移動方向和移動速度。而高功率模式則主要用于調節(jié)15%以上的功率運行，高功率水平控制主要有2個控制通道：閉環(huán)通道以及前饋通道。閉環(huán)通道的控制信號主要來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沖動級壓力轉換而來，是汽輪機負荷的函數。為了防止控制棒頻繁移動對控制棒造成的磨損及對堆芯穩(wěn)定性帶來的不良影響，平均溫度的控制設置了一定的死區(qū)，在不同的運行模式下（負荷跟蹤、頻率調節(jié)、基本負荷運行），控制系統(tǒng)的死區(qū)是不一樣的，負荷跟蹤和頻率調節(jié)模式下的死區(qū)比帶基本負荷模式下的死區(qū)比較寬，當溫度偏差位于死區(qū)內時，控制棒不移動，利用反應堆自身的反應性反饋來穩(wěn)定反應堆，當偏差在死區(qū)范圍以外時，控制系統(tǒng)溫度偏差信號的大小和極性來確定M棒組的移動速率和移動方向。前饋通道的控制信號來自于反應堆功率與汽輪機功率的失配信號，在負荷降低較大幅度時，它能使控制棒在一回路平均溫度變化前適當動作，為系統(tǒng)提供超前調節(jié)作用，減少瞬態(tài)峰值。

2.2 功率分布控制系統(tǒng)

AP1000通過軸向功率偏移控制棒AO棒組來進行功率分布控制。軸向功率偏差控制系統(tǒng)的主要功能是：在負荷跟蹤及電網頻率改變的瞬態(tài)下，將軸向功率偏移控制在規(guī)定范圍內。當軸向功率偏移測量超出預定范圍時，系統(tǒng)發(fā)出控制信號使AO棒移動，從而達到功率分布的控制目標。AO棒組的控制信號來自于實測的軸向功率偏差信號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為負值，則表示堆芯上部功率小于下部功率。

實測ΔI送去與ΔI控制帶上下限值作比較，若在合理范圍內，那么AO棒對移動方向和速率做出響應。ΔI控制帶如圖2所示。參考線是過原點的直線（0，0）和（ΔIT，100%），ΔIT：額定功率下的ΔI目標值，運行帶的上下限是與參考線的平行線。ΔIL：額定功率下的ΔI運行下限；ΔIH：額定功率下的ΔI運行上限。ΔIT，ΔIL和ΔIH由操縱員設定，上述三個數值每個對應有三個設定值，分別對應以下三種機組模式：（1）基本負荷模式；（2）負荷跟蹤模式；（3）負荷調節(jié)模式。

為了防止M棒與AO棒之間可能出現的干擾，當二者控制信號出現沖突時，M棒控制信號占主導地位，M棒移動時，AO棒被閉鎖移動。在瞬態(tài)下的調節(jié)過程中，如果M棒與AO棒之間的閉鎖功能不完善，則可能出現二者動作相互干擾而引起控制的混亂，使得功率分布出現較大的變化。

2.3 快速降功率系統(tǒng)

AP1000功率控制模式中還設置了快速降功率系統(tǒng)，如汽輪機負荷大幅度降低時，反應堆功率與汽輪機功率失配，通過前饋通道，一定數量的預選控制棒下插，核功率快速降低，與此同時，蒸汽排放控制系統(tǒng)開啟保證一回路熱阱。在選定的控制棒下插后，通過閉環(huán)回路的調節(jié)作用來調節(jié)一回路平均溫度，將反應堆穩(wěn)定在正常狀態(tài)。

3 AP1000反應堆功率控制模式與其他模式的比較分析

壓水堆核電站已經發(fā)展了50多年，已實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。核功率水平的調節(jié)是通過硼酸濃度調節(jié)和黑體控制棒組位置調節(jié)來實現的，而核功率分布的控制則是通過調節(jié)硼酸濃度和限制控制棒的移動操作，使熱點因子FQT低于限值來實現的。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，沒有專門的控制系統(tǒng)，只是在核功率水平控制過程中通過調節(jié)硼酸濃度和限制控制棒的移動操作（甚至用人工控制的方式）來保證核功率分布在限定范圍內。但在K模式中，功率水平與功率分布通過兩個閉環(huán)的自動控制系統(tǒng)分別進行控制，降低了兩者的耦合作用，進一步提升了核電機組的負荷跟蹤能力。而硼酸濃度則由開環(huán)控制系統(tǒng)按照預定負荷跟蹤形式實現。

AP1000模式采用灰棒和黑棒進行功率水平調節(jié)，功率調節(jié)速率較快，功率分布則由AO棒組來調節(jié)。AP1000的控制模式使得本身負責的控制系統(tǒng)變?yōu)閹讉€簡單的控制回路，很大程度上降低了控制對象之間的耦合程度，使得反應堆自動化控制程度更高，有利于數字化自動控制系統(tǒng)的應用，同時也減少了運行操縱員的工作，降低了發(fā)生人因事故的概率。AP1000的功率調節(jié)主要由控制棒來完成，而硼酸濃度調節(jié)主要是用來補償燃耗以及氙毒引起的一系列長期的反應性變化。

4 結語

目前，AP1000壓水堆尚無運行經驗，其實際應用情況、發(fā)展形勢以及最新技術應用都有不確定的因素，盡管AP1000的設計允許負荷跟蹤，仍建議AP1000機組能夠帶基本負荷運行，少量參與負荷跟蹤。AP1000的功率控制自動化程度較以往模式大幅度提高，同時對堆芯設計及裝料也提出了更高的要求。隨著技術的更新和經驗的不斷積累，運行人員也將會更加從容的應對在運行過程中出現的各種問題。

參考文獻

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