反應(yīng)堆控制策略研究分析

郭俊偉 陳啟卷

（1.福建寧德核電公司，福建 寧德 355200；2.武漢大學(xué) 動(dòng)力與機(jī)械學(xué)院，湖北 武漢 430072）

0 引言

反應(yīng)堆控制系統(tǒng)是核電站最核心的控制系統(tǒng)，反應(yīng)堆控制的基本目的是使一回路所產(chǎn)生的功率與二回路所吸收的功率相等，而一回路功率的變化實(shí)際上是通過控制反應(yīng)性的變化來實(shí)現(xiàn)的，同時(shí)保證一回路的各項(xiàng)熱工、物理參數(shù)能滿足各方面要求。反應(yīng)堆控制系統(tǒng)的控制策略（也稱控制模式）從第一代核電站到當(dāng)今正在建設(shè)的第三代核電站一直在不斷演進(jìn)。本文對早期壓水堆核電站反應(yīng)堆控制策略和具有典型意義的代表二代加技術(shù)的CPR1000（來源于M310）堆型，以及代表第三代核電技術(shù)的AP1000堆型的反應(yīng)堆控制策略進(jìn)行了研究闡述。

1 早期核電站反應(yīng)堆控制策略

早期壓水堆核電機(jī)組一般都是帶基本負(fù)荷運(yùn)行，即連續(xù)以可行的最大功率運(yùn)行，不參與負(fù)荷調(diào)節(jié)與跟蹤，因此其控制模式一般為A模式控制策略。

壓水堆核電站在發(fā)展初期是帶基本負(fù)荷運(yùn)行的，因而A模式運(yùn)行的特點(diǎn)是采用強(qiáng)吸收中子的調(diào)節(jié)棒組——黑棒束，它能以較大的功率變化速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，但引起的中子通量密度畸變將是很大的，因此需要嚴(yán)格控制軸向功率偏差保證堆芯燃料組件安全。

在A模式下，用來控制功率和功率分布的手段主要包括：

（1）反應(yīng)堆控制采用以冷卻劑平均溫度為主調(diào)節(jié)量的冷卻劑平均溫度控制策略，控制回路由平均溫度定值回路、溫度測量回路、功率失配前置回路構(gòu)成的三通道閉環(huán)控制邏輯組成。

（2）移動(dòng)控制棒（A、B、C、D 組）：該方式的特點(diǎn)是調(diào)節(jié)速度快，但由于A模式中控制棒均為吸收中子能力較強(qiáng)的黑棒，因此單純的控制棒調(diào)節(jié)會(huì)導(dǎo)致功率在軸向分布的畸變，長時(shí)間運(yùn)行可能危及燃料組件的安全。為確保堆芯安全，實(shí)現(xiàn)恒定軸向功率偏移（AO）的控制目標(biāo)，必須把控制棒的移動(dòng)限制在一定范圍之內(nèi)。

（3）調(diào)節(jié)反應(yīng)堆冷卻劑中硼酸的濃度：該方式的調(diào)節(jié)速度較慢，且會(huì)導(dǎo)致大量廢液的產(chǎn)生，尤其是在壽期末接近換料時(shí)，由于硼酸濃度比較低，產(chǎn)生的廢液量更大。

在實(shí)際運(yùn)行中，為了滿足反應(yīng)性控制要求，控制棒的移動(dòng)必須與硼酸濃度的調(diào)節(jié)聯(lián)合運(yùn)行，即在功率變化初期通過反應(yīng)性變化量預(yù)測值來增加或減小冷卻劑中硼酸的濃度，以補(bǔ)償功率虧損及氙毒效應(yīng)引起的反應(yīng)性變化，從而縮小控制棒的移動(dòng)范圍。

2 CPR1000反應(yīng)堆控制策略

隨著核電在電力生產(chǎn)中所占的比重越來越大，核電機(jī)組將不能只帶基本負(fù)荷運(yùn)行，核電機(jī)組也需要參與負(fù)荷調(diào)節(jié)和頻率調(diào)節(jié)，以提高電站運(yùn)行的靈活性和電網(wǎng)的穩(wěn)定性，這對核電機(jī)組的控制提出了更高的要求。G模式控制策略隨之被提出并應(yīng)用，目前國內(nèi)在役的二代及二代加核電機(jī)組及法國大型核電機(jī)組（功率≥1300MW）反應(yīng)堆控制一般都采用G模式控制策略。

如果機(jī)組需要進(jìn)行快速負(fù)荷跟蹤或參與電網(wǎng)的頻率調(diào)節(jié)，就必須具備快速負(fù)荷調(diào)節(jié)能力。在目前的技術(shù)條件下，快速的負(fù)荷調(diào)節(jié)必須通過控制棒來實(shí)現(xiàn)。為了使控制棒對功率進(jìn)行快速調(diào)節(jié)時(shí)不對功率分布產(chǎn)生過大的擾動(dòng)，引入了灰棒。采用灰棒可以在較快調(diào)節(jié)功率的同時(shí)實(shí)現(xiàn)功率分布的控制目標(biāo)，這種模式即為G模式。在G模式下，反應(yīng)性功率效應(yīng)的補(bǔ)償通過功率補(bǔ)償棒組（包括黑棒和灰棒）來完成，較慢的反應(yīng)性效應(yīng)（如燃耗及氙毒效應(yīng)等）則由硼酸濃度的調(diào)節(jié)來完成[1]。G模式控制策略的特點(diǎn)是：

（1）設(shè)有功率補(bǔ)償棒組（棒組）和溫度調(diào)節(jié)棒組（棒組），通過調(diào)節(jié)G棒組、R棒組和調(diào)節(jié)硼濃度來協(xié)調(diào)控制反應(yīng)性，使電站具有一定的參與電網(wǎng)調(diào)峰、負(fù)荷變化跟蹤的能力。在功率補(bǔ)償棒組中有一些稱為“灰棒”的棒束，這種棒束由8根Ag-In-Cd吸收棒和16根不銹鋼棒組成，而黑棒束由24根Ag-In-Cd吸收棒組成。需要指出的是，并非所有控制棒均為灰棒，從既滿足核安全設(shè)計(jì)要求又盡可能滿足功率調(diào)節(jié)需要的角度，灰棒共設(shè)有兩組，其中G1組由4個(gè)灰棒束組成，G2組由8個(gè)灰棒束組成。具體配置信息見表1。

表1 CPR1000控制棒配置

（2）控制邏輯上設(shè)有兩個(gè)獨(dú)立的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，以G棒組為調(diào)節(jié)對象的反應(yīng)堆功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)，和以R棒組為調(diào)節(jié)對象的平均溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

（3）反應(yīng)堆功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)是開環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，它使反應(yīng)堆的功率迅速跟蹤二回路的功率。它根據(jù)二回路的工況、控制模式和方式在幾個(gè)代表二回路功率需求值或操縱員設(shè)定值中選擇一個(gè)作為功率整定值，在一定燃耗下，每個(gè)功率水平對應(yīng)于有一個(gè)棒位。在負(fù)荷跟蹤運(yùn)行時(shí)，功率調(diào)節(jié)棒組G1、G2、N1、N2依次插入堆芯并有一定的重疊，以減少對軸向功率分布的擾動(dòng)。

（4）平均溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)是閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其作用是補(bǔ)償由于因灰棒組整定不準(zhǔn)確或弱的局部氙變化而產(chǎn)生的小范圍的反應(yīng)性變化。通過測量一回路平均溫度，與代表二回路功率的參考溫度整定值比較后，經(jīng)調(diào)節(jié)器產(chǎn)生調(diào)節(jié)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)R棒組，改變反應(yīng)堆的反應(yīng)性，從而維持一、二回路功率準(zhǔn)確匹配，即使一回路平均溫度等于其整定值。為了提高響應(yīng)速度，控制邏輯中設(shè)計(jì)了功率失配前饋通道，此通道的輸入信號(hào)為核功率與汽輪機(jī)功率失配信號(hào)，這個(gè)控制信號(hào)使得控制系統(tǒng)能夠在功率失配時(shí)迅速反應(yīng)，為控制系統(tǒng)提供超前調(diào)節(jié)作用，從而減小瞬態(tài)峰值。為了避免減少對軸向功率分布的不合適的影響以及產(chǎn)生不恰當(dāng)?shù)娜己?，R棒組只限于堆芯上部的一個(gè)很窄的調(diào)節(jié)帶內(nèi)移動(dòng)。

（5）R棒組除了調(diào)節(jié)平均溫度以外，還有兩個(gè)作用，在負(fù)荷瞬變期間（負(fù)荷階躍變化，切換到廠用負(fù)荷運(yùn)行和負(fù)荷以大于每分鐘2-3%額定功率的速率變化）協(xié)助G棒組控制反應(yīng)性，在一定范圍內(nèi)配合硼化或稀釋限制軸向功率偏差。后面的這兩個(gè)功能棒組的位置可以短時(shí)間超出調(diào)節(jié)帶的范圍，但不能超出插入低-低限值，遵守這個(gè)低-低限值（插入位置的極限值）以滿足核安全分析要求的安全裕度，并且需要盡快采取措施使R棒恢復(fù)到調(diào)節(jié)帶運(yùn)行區(qū)間。

（6）G模式情況下必須遵守如下運(yùn)行限制[2]：在大于30%Pn低功率水平的負(fù)荷跟蹤或頻率控制運(yùn)行期間，在任何24小時(shí)內(nèi)，上限功率運(yùn)行的持續(xù)時(shí)間至少為12小時(shí)。如果功率補(bǔ)償棒組插入運(yùn)行的持續(xù)時(shí)間大于12小時(shí)，就會(huì)對軸向功率分布產(chǎn)生擾動(dòng)，并且在堆芯的上部形成燃耗陰影現(xiàn)象，這在堆芯安全分析中是沒有考慮的。例外情況，對于極特殊的運(yùn)行需要（上限功率可以迅速返回的情況），功率補(bǔ)償棒插入的低功率水平運(yùn)行可延長到12小時(shí)以上，但無論如何不得超過24小時(shí)。在大于12小時(shí)的低功率水平運(yùn)行之后，要求持續(xù)7天的上限功率水平運(yùn)行，在此期間，禁止日負(fù)荷跟蹤，但允許頻率控制。這是由于持續(xù)的上限功率水平運(yùn)行能夠消除堆芯上部形成的燃耗陰影，恢復(fù)正常的軸向功率分布，而且7天是必須的包絡(luò)時(shí)間。

3 AP1000反應(yīng)堆控制策略

AP1000核電機(jī)組的反應(yīng)堆控制模式不同于A模式及G模式，AP1000控制模式采用革新的功率水平與功率分布獨(dú)立控制思想[3]，進(jìn)一步提高了機(jī)組運(yùn)行的靈活性和安全性。

AP1000反應(yīng)堆控制模式的特點(diǎn)是：

（1）最大的特點(diǎn)在于將功率水平的控制與功率分布的控制區(qū)分開，采用不同的控制回路分別控制各自的控制對象。AP1000反應(yīng)堆功率控制系統(tǒng)包括功率水平控制系統(tǒng)和功率分布控制系統(tǒng)。控制棒包括M棒及AO控制棒，具體配置信息見表2。

表2 AP1000控制棒配置

（2）功率水平控制系統(tǒng)有閉環(huán)調(diào)節(jié)通道和前饋通道組成[4]，這一設(shè)計(jì)思路與CPR1000控制R棒組移動(dòng)的反應(yīng)堆溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)一致。閉環(huán)調(diào)節(jié)通道通過實(shí)測平均一回路溫度與表征二回路功率的參考平均溫度之間的偏差來進(jìn)行控制。平均溫度控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)為M棒組，棒控系統(tǒng)根據(jù)溫度偏差信號(hào)的大小及極性來確定控制棒的移動(dòng)速度及移動(dòng)方向。同樣為了提高響應(yīng)性能，設(shè)計(jì)了功率失配前饋通道，如在甩負(fù)荷工況下，負(fù)荷突然降低，核功率與電功率失配，此時(shí)，前饋通道的作用可以使系統(tǒng)在一回路平均溫度變化之前使控制棒提前動(dòng)作。

（3）AP1000采用單獨(dú)的功率分布控制系統(tǒng)，通過設(shè)置軸向功率偏移控制棒（AO棒）來進(jìn)行控制。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)軸向功率偏移測量值超出預(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棒分為2組，一組包含4束控制棒，一組包含5束控制棒，這2組AO棒在上提和下插的過程中遵循交替移動(dòng)原則[5]。

（4）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)。

4 比較分析

A模式控制策略具有如下優(yōu)缺點(diǎn)：

優(yōu)點(diǎn)：①在正常運(yùn)行時(shí)，只需要調(diào)節(jié)硼酸濃度來補(bǔ)償燃耗和調(diào)節(jié)軸向功率偏差使其在運(yùn)行梯形圖的運(yùn)行帶之內(nèi)，機(jī)組在額定功率運(yùn)行，經(jīng)濟(jì)性好；②棒控系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)較為簡單，便于控制；③運(yùn)行設(shè)備在運(yùn)行過程中受到的熱應(yīng)力較小，有利于安全和延長機(jī)組壽命。

缺點(diǎn)：①在反應(yīng)堆升降功率時(shí)，都需要投入化學(xué)和容積控制系統(tǒng)來調(diào)節(jié)硼酸濃度，以補(bǔ)償反應(yīng)性變化，但硼酸濃度的調(diào)節(jié)速率受到稀釋及硼化流量的限制，較為被動(dòng)。而且，隨著壽期的深入，當(dāng)硼酸濃度變得很小時(shí)，升功率速率變得很慢并且產(chǎn)生大量的廢液，不僅加重廢液處理系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，廢液量的接收能力還受到廢液處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力的限制。②控制棒移動(dòng)時(shí)，同時(shí)對功率水平及功率分布產(chǎn)生影響，需要對硼酸濃度進(jìn)行調(diào)節(jié)，以滿足軸向功率偏差的控制要求。③在滿功率運(yùn)行時(shí)，軸向功率偏差的運(yùn)行范圍較窄，而軸向功率偏差不能自動(dòng)控制，需要操縱員及時(shí)監(jiān)視其變化趨勢，存在人因隱患。

G模式控制策略具有如下優(yōu)缺點(diǎn)：

優(yōu)點(diǎn)：①由灰棒進(jìn)行功率反應(yīng)性補(bǔ)償，使得機(jī)組具備快速負(fù)荷跟蹤能力，同時(shí)能夠保證機(jī)組功率分布的控制目標(biāo)；②在功率下降后的功率回升過程中，不存在硼稀釋困難的問題；③機(jī)組具有較靈活的功率調(diào)節(jié)性能，在一定條件下可以參與負(fù)荷跟蹤和電網(wǎng)調(diào)頻運(yùn)行。

缺點(diǎn)：①由于控制棒與硼酸濃度的調(diào)節(jié)相互獨(dú)立，在降負(fù)荷后不能使用控制棒補(bǔ)償由氙毒效應(yīng)引起的功率效應(yīng)，使得運(yùn)行靈活性大為降低。在壽期末，當(dāng)硼酸濃度很小時(shí)，仍然會(huì)出現(xiàn)稀釋量大且速率慢的問題。②雖可以進(jìn)行電網(wǎng)負(fù)荷跟蹤和頻率控制，但必須遵守嚴(yán)格的運(yùn)行限制條件，以使核安全分析所得出的結(jié)論得以保證。③R棒組對軸向功率偏差的控制有限，在滿功率運(yùn)行時(shí)，軸向功率偏差的運(yùn)行范圍較窄，且不能自動(dòng)控制，因此需要操縱員及時(shí)監(jiān)視并手動(dòng)控制其變化趨勢。④功率水平與灰棒組棒位之間的關(guān)系曲線叫做有效標(biāo)定曲線，此曲線參數(shù)需要每60個(gè)滿等效功率日進(jìn)行一次修正，R棒組的調(diào)節(jié)帶參數(shù)也需要定期調(diào)整，這些在增加維護(hù)人員工作量的同時(shí)，也增加了人因隱患。

表3 反應(yīng)堆三種控制策略比較

AP1000反應(yīng)堆控制策略具有如下優(yōu)缺點(diǎn)：

優(yōu)點(diǎn)：①AP1000采用相互獨(dú)立的功率水平控制與功率分布控制兩個(gè)系統(tǒng)。功率水平控制系統(tǒng)采用閉環(huán)調(diào)節(jié)，相比于開環(huán)調(diào)節(jié)提高了控制的精準(zhǔn)度，功率分布控制系統(tǒng)可自動(dòng)控制軸向功率偏差。這些設(shè)計(jì)減少了對人的依賴，有效提高了自動(dòng)化控制水平和機(jī)組安全性能。②不同于CRP1000，由于無需定期修改有效標(biāo)定曲線和其他參數(shù)，避免了因頻繁修改參數(shù)引入的人因失誤風(fēng)險(xiǎn)。控制功率分布的AO棒，可實(shí)現(xiàn)功率分布的自動(dòng)控制，無需操縱員干預(yù)，降低了運(yùn)行時(shí)由于人因而發(fā)生安全事件的可能性；③由于負(fù)荷跟蹤是通過M棒來完成的，跟蹤時(shí)不需要進(jìn)行硼稀釋操作，因此跟蹤速度較快。硼酸濃度的調(diào)節(jié)主要是用來補(bǔ)償燃耗及氙毒引起的反應(yīng)性變化。AP1000采用M棒進(jìn)行功率調(diào)節(jié)的方法既能發(fā)揮M棒控制靈活的特點(diǎn)，又能使M棒的作用與硼酸濃度的調(diào)節(jié)作用相結(jié)合，使反應(yīng)堆的控制更為靈活。

缺點(diǎn)：①該控制模式為革新性的設(shè)計(jì)，還沒有此方面的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。②按照西屋公司的設(shè)計(jì)，功率水平控制與功率分布控制之間不會(huì)產(chǎn)生干擾，但其實(shí)現(xiàn)方式尚有待研究，設(shè)計(jì)可靠性有待運(yùn)行檢驗(yàn)。

以上對A模式、G模式及AP1000反應(yīng)堆控制策略的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析，表3列出了三種控制策略主要不同點(diǎn)的比較情況。

5 結(jié)論

不同的控制策略與當(dāng)時(shí)的控制技術(shù)、機(jī)組運(yùn)行要求、自動(dòng)化水平等相適應(yīng)，這些演變體現(xiàn)出了控制策略更加合理、自動(dòng)化水平不斷提高的過程。AP1000反應(yīng)堆控制策略尚需實(shí)踐檢驗(yàn)，但不可否認(rèn)的是，其控制策略在適應(yīng)功率控制和負(fù)荷跟蹤更高要求的同時(shí)，進(jìn)一步降低了人因失誤的概率，提高了機(jī)組的自動(dòng)化控制水平和反應(yīng)堆的安全性，代表了新一代核電機(jī)組反應(yīng)堆控制策略的發(fā)展趨勢。

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