秦二廠CNP600堆芯降功率過(guò)程軸向功率偏差的控制研究

沈亞杰，高永恒，詹勇杰，劉 臻，楊 嗣，王澄瀚，王勇智

(中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 海鹽 314300)

隨著核電在電網(wǎng)中比重的增長(zhǎng)以及負(fù)荷峰谷差的日益增大，電力系統(tǒng)調(diào)峰形勢(shì)越來(lái)越嚴(yán)峻，對(duì)核電機(jī)組參與電網(wǎng)調(diào)峰降功率運(yùn)行的需求日益增加[1-3]。降功率期間，軸向功率偏差ΔI的控制存在較大難度[4]。國(guó)內(nèi)機(jī)組降功率期間軸向功率偏差ΔI超帶的運(yùn)行事件時(shí)有發(fā)生[5]。因此，降功率期間軸向功率偏差ΔI的控制是一個(gè)迫切需要研究的課題。

秦二廠4臺(tái)機(jī)組均為CNP600堆型，采用Mode-A(常軸向功率偏移)控制模式[6]。在該模式下，由調(diào)節(jié)可溶硼濃度和控制棒來(lái)共同完成降功率調(diào)峰。降功率期間，控制棒置于自動(dòng)，通過(guò)調(diào)節(jié)堆芯硼濃度引入反應(yīng)性使得堆芯過(guò)冷或過(guò)熱，產(chǎn)生溫差信號(hào)，從而驅(qū)動(dòng)控制棒動(dòng)作。因此，通過(guò)調(diào)節(jié)堆芯硼濃度驅(qū)動(dòng)控制棒是控制ΔI的主要手段。

本文首先通過(guò)Tulip程序?qū)η囟SCNP600堆芯降功率期間的實(shí)際ΔI與計(jì)算ΔI進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證Tulip程序滿(mǎn)足模擬計(jì)算的精度；然后，通過(guò)Tulip程序計(jì)算，給出更加優(yōu)化的ΔI控制方案；最后，考慮到實(shí)際運(yùn)行操作和理論計(jì)算的差異性，對(duì)比不同的降功率方案，分析其對(duì)降功率后ΔI的影響。

1 軸向功率偏差影響因素

1.1 軸向功率偏差定義

堆芯軸向功率分布采用軸向功率偏差ΔI來(lái)表征，定義為[7-9]：

ΔI=PT-PB

式中：PT、PB——堆芯上部、下部相對(duì)功率。

由此可見(jiàn)，軸向功率偏差ΔI與堆芯軸向功率分布的關(guān)系為：

ΔI>0，堆芯上部功率PT大于堆芯下部功率PB；

ΔI<0，堆芯上部功率PT小于堆芯下部功率PB。

1.2 運(yùn)行技術(shù)規(guī)范要求

圖1為運(yùn)行梯形圖，ΔI必須保持在參考軸向功率偏差ΔIref±5%運(yùn)行帶內(nèi)運(yùn)行。ΔIref隨相對(duì)功率Pr而變化。

圖1 堆芯運(yùn)行梯形圖

(1)Pr≤15%FP時(shí)

運(yùn)行不受限制。

(2)15%FP

ΔI要求維持在運(yùn)行帶中。在某些特殊情況下(如啟動(dòng)試驗(yàn))可能會(huì)偏離運(yùn)行帶，但是在12 h內(nèi)，偏離運(yùn)行帶的累計(jì)時(shí)間禁止超過(guò)1 h；超出運(yùn)行圖的運(yùn)行會(huì)導(dǎo)警或引起自動(dòng)快速降負(fù)荷動(dòng)作甚至停堆。

(3)在不同功率水平運(yùn)行時(shí)

可通過(guò)調(diào)節(jié)控制棒組的棒位使ΔI保持在運(yùn)行帶內(nèi)。

1.3 主要影響因素

反應(yīng)堆機(jī)組降功率期間，影響ΔI的主要因素有：慢化劑溫度、可溶硼濃度和控制棒、燃耗、氙毒[5，10-11]。

(1)慢化劑溫度

降功率過(guò)程中，堆芯慢化劑平均溫度降低。其中，堆芯慢化劑入口溫度降低較少，出口溫度明顯降低，如圖2所示。堆芯上部由于負(fù)的慢化劑溫度系數(shù)引入的正反應(yīng)性大于堆芯下部。因此，降功率過(guò)程中堆芯上部功率的降低速度慢于堆芯下部，軸向功率偏差ΔI向正向偏移。

圖2 堆芯慢化劑溫度隨功率變化關(guān)系

另外，降功率過(guò)程，若ΔI一直保持不變，即堆芯上下部功率同步下降，由于氙的產(chǎn)生和消耗的不同步性，堆芯氙毒先漲毒后消毒。漲毒過(guò)程，由于慢化劑溫度負(fù)反饋效應(yīng)，堆芯上部中子通量減少慢于下部，堆芯上氙漲毒速度大于下部，AOxe向負(fù)向偏移。這樣導(dǎo)致堆芯上部氙毒吸收中子少，下部吸收中子少，加劇AOxe向更負(fù)向偏移，ΔI向正向偏移，直到漲毒過(guò)程結(jié)束。消毒過(guò)程，則相反。

(2)硼濃度和控制棒

硼的微分價(jià)值隨溫度的升高而減小。這是因?yàn)榕鹗?/v吸收體，慢化劑溫度升高使密度減小，堆內(nèi)中子譜硬化，硼微分價(jià)值減小。在降功率過(guò)程中，堆芯上下部溫度變化不一致，使得堆芯上、下部引入的反應(yīng)性不平衡，從而影響軸向功率偏差ΔI。但由于影響較小，在降功率過(guò)程中可以忽略。

調(diào)節(jié)控制棒是控制軸向功率偏差ΔI的主要手段。一般情況下，插棒使ΔI向負(fù)向偏移，提棒使ΔI向正向偏移。但控制棒位于在反作用帶時(shí)，控制棒下插可能導(dǎo)致ΔI向正向偏移，對(duì)ΔI的控制帶來(lái)一定難度。因此，降功率期間控制棒盡量避免插到反作用帶。

(3)堆芯燃耗

堆芯燃耗對(duì)ΔI的影響分為兩方面：功率虧損和慢化劑溫度系數(shù)。功率虧損引入的負(fù)反應(yīng)性隨堆芯燃耗加深而增加，即燃耗加深，由于降功率引起的總反應(yīng)性變化增加，需更多的硼化量和棒位來(lái)補(bǔ)償，從而對(duì)ΔI的控制產(chǎn)生一定影響；慢化劑溫度系數(shù)隨燃耗加深而更負(fù)，ΔI向正向偏移量必然增大，使得ΔI的控制難度也相應(yīng)增大。

(4)氙毒

降功率期間，氙毒對(duì)ΔI的影響也分為兩方面：總反應(yīng)性變化和軸向氙分布AOXe。

降功率過(guò)程中，總反應(yīng)性變化量取決于氙毒反應(yīng)性變化和功率虧損反應(yīng)性變化量，其變化如圖3所示。降功率過(guò)程時(shí)間較短，一般只有1～3 h左右，氙毒處于漲毒階段，引入負(fù)反應(yīng)性。因此，控制棒位置相對(duì)于無(wú)氙毒情況偏高，ΔI相對(duì)偏正。降功率完成后，氙毒繼續(xù)漲毒后轉(zhuǎn)變?yōu)橄荆瑸榫S持堆芯臨界，控制棒需先提棒后插棒，導(dǎo)致ΔI先往正偏移，后往負(fù)偏移。

圖3 降功率過(guò)程中，反應(yīng)性隨時(shí)間的變化

軸向氙分布AOXe對(duì)ΔI的影響主要為降功率完成后的穩(wěn)定階段。軸向功率分布的不同步，會(huì)影響氙毒的軸向分布變化。根據(jù)氙的產(chǎn)生和消耗機(jī)理，若降功率后ΔI位于初始位置偏正/負(fù)，AOXe將繼續(xù)向負(fù)/正向偏移，ΔI往正/負(fù)向偏。

2 降功率過(guò)程ΔI控制方案

2.1 ΔI控制方案

機(jī)組降功率前，根據(jù)降功率計(jì)劃可通過(guò)Tulip程序制定ΔI的控制方案。但由于硼化稀釋搖勻和溫度驅(qū)動(dòng)的延遲性，控制棒難以完全準(zhǔn)確的按Tulip程序計(jì)算的ΔI控制方案進(jìn)行控制，引起堆芯軸向功率分布和軸向氙分布的改變，使得降功率期間ΔI出現(xiàn)一定的偏移或波動(dòng)。

對(duì)此，本文對(duì)以下4種降功率過(guò)程中ΔI在預(yù)極限±3%區(qū)間波動(dòng)的控制方案進(jìn)行分析，研究其對(duì)降功率后ΔI的影響：

1)F1：ΔI快速向±3%預(yù)極限偏移；

2)F2：ΔI逐漸向±3%預(yù)極限偏移

3)F3：ΔI快速偏移至±3%預(yù)極限后快速拉回；

4)F4：ΔI以A、B、C三種不同方式振蕩，方式A：振幅為3%，降功率結(jié)束ΔI約為-3%；方式B：振幅為3%，降完功率ΔI約為0%；方式C：振幅為1.5%，降功率結(jié)束ΔI約為-1.5%。

2.2 不同控制方案對(duì)ΔI的影響

圖4為方案F1降功率過(guò)程中，ΔI快速向±3%預(yù)極限偏移。該情況下，由于上下部中子通量相比于降功率前減少量不一致，降功率后軸向氙毒分布AOXe向降功率過(guò)程ΔI偏移的相反方向偏移，使得ΔI在降功率后向相對(duì)于原來(lái)位置更正或更負(fù)的方向偏移。另外，慢化劑溫度負(fù)反饋效應(yīng)也會(huì)使降功率后ΔI向正向偏移，導(dǎo)致正向偏移加劇，負(fù)向偏移減弱。因此，降功率后ΔI向正向偏移量最大為2%，ΔI向負(fù)向偏移量最大為1.08%，向正向偏移程度明顯大于向負(fù)向偏移。

圖4 方案F1降功率過(guò)程中，ΔI快速向±3%預(yù)極限偏移

圖5為方案F2降功率過(guò)程中，ΔI逐漸向±3%預(yù)極限偏移。在該情況下，同樣由于軸向氙分布AOXe及慢化劑溫度負(fù)反饋效應(yīng)，導(dǎo)致ΔI在完成降功率后，繼續(xù)沿原有的方向偏移且正向偏移大于負(fù)向偏移，但偏移幅度比方案F1大。降功率后ΔI向正向偏移量最大為2.50%，ΔI向負(fù)向偏移量最大為1.43%。

圖5 方案F2降功率過(guò)程中，ΔI逐漸向±3%預(yù)極限偏移

圖6為方案F3降功率過(guò)程中，ΔI快速偏移至±3%預(yù)極限后快速拉回。該情況下，對(duì)降功率后ΔI變化的影響較小。由于慢化劑溫度負(fù)反饋效應(yīng)，降功率后ΔI向正向小幅偏移，最大偏移量為0.93%，基本不需要進(jìn)行干預(yù)。

圖6 方案F3降功率過(guò)程中，ΔI快速偏移至±3%預(yù)極限后快速拉回

圖7為方案F4降功率過(guò)程中，ΔI以A、B、C三種不同方式振蕩。從圖中可知，ΔI振蕩停止?fàn)顟B(tài)的ΔI位置和振幅對(duì)降功率后ΔI的變化影響較大。由于氙軸向分布AOXe的影響，完成降功率時(shí)刻的ΔI位置相對(duì)初始位置偏正或偏負(fù)，ΔI將繼續(xù)沿著該方向偏移；若ΔI與初始位置一致，由于慢化劑溫度的負(fù)反饋效應(yīng)，ΔI向正向小幅偏移。

圖7 方案F4降功率過(guò)程中，ΔI以A、B、C三種不同方式振蕩

另外，降功率后ΔI的偏移程度主要受降功率完成時(shí)刻ΔI相對(duì)位置和降功率期間ΔI振幅兩個(gè)因素影響。由圖中可知：當(dāng)振幅為3%且降功率完成時(shí)刻ΔI=-3%時(shí)，降功率后ΔI向原有方向繼續(xù)偏移的最大偏移量為1.4%；當(dāng)振幅為3%且降功率完成時(shí)刻ΔI=0%時(shí)，降功率后ΔI向原有方向繼續(xù)偏移的最大偏移量為0.49%；當(dāng)振幅為3%且降功率完成時(shí)刻ΔI=1.5%時(shí)，降功率后ΔI向原有方向繼續(xù)偏移的最大偏移量為0.4%。因此，降功率后ΔI偏移量隨著降功率完成時(shí)刻ΔI位置與初始位置偏移量和降功率期間ΔI振幅的增加而增加。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)比實(shí)際和計(jì)算的降功率過(guò)程中ΔI的變化，驗(yàn)證了Tulip程序?qū)倒β蔬^(guò)程中ΔI的計(jì)算有較高的精度，滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)機(jī)組降功率ΔI的控制需求。同時(shí)，通過(guò)Tulip程序計(jì)算，給出了優(yōu)化的ΔI控制方案。另外，考慮實(shí)際運(yùn)行操作和ΔI的控制計(jì)算方案的差異性，對(duì)4種不同ΔI的控制方案進(jìn)行研究和分析，得到如下結(jié)論:

1)通過(guò)實(shí)際運(yùn)行ΔI和Tulip程序計(jì)算ΔI對(duì)比發(fā)現(xiàn)，最大絕對(duì)偏差約為1.0%，驗(yàn)證了Tulip程序具有較高計(jì)算精度。另外，經(jīng)過(guò)Tulip程序計(jì)算制定的優(yōu)化ΔI控制方案，可使ΔI保持在ΔIref的±0.5%偏差范圍內(nèi)，可為機(jī)組降功率提供有效的技術(shù)支持；

2)降功率過(guò)程中，ΔI快速或逐漸偏移ΔIref±3%，會(huì)使降功率后ΔI將繼續(xù)沿原來(lái)偏移的方向繼續(xù)偏移，最大偏移量分別為2.0%和2.5%，前者偏移程度大于后者。在該類(lèi)情況下，降功率后ΔI偏移程度仍較大，需要繼續(xù)關(guān)注并及時(shí)調(diào)整；

3)降功率過(guò)程中，ΔI出現(xiàn)波動(dòng)或振蕩，降功率后ΔI偏移的方向主要取決于完成降功率時(shí)刻的ΔI的相對(duì)位置：降功率后ΔI相對(duì)于初始狀態(tài)偏正/負(fù)，ΔI將繼續(xù)向正/負(fù)偏移。另外，降功率后ΔI偏移量隨著降功率完成時(shí)刻ΔI位置與初始位置偏移量和降功率期間ΔI振幅的增加而增加。