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      秦二廠CNP600堆芯降功率過(guò)程軸向功率偏差的控制研究

      2021-08-25 02:45:24沈亞杰高永恒詹勇杰王澄瀚王勇智
      中國(guó)核電 2021年4期
      關(guān)鍵詞:控制棒偏移量堆芯

      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。

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