某壓水堆核電站控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)電流負(fù)載特性淺析

穆昌洪，方 郁，牛新祥，齊宇博

(中廣核研究院有限公司，廣東 深圳 518000)

0 引言

某百萬(wàn)千瓦級(jí)壓水堆核電站棒控棒位系統(tǒng)(rod position indication and rod control，RGL)的控制機(jī)柜由控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)電源(rod drive mechanism power,RAM)系統(tǒng)260 V AC和220 V AC交流電源系統(tǒng)(220 V AC normal power source and distribution system,LMA)提供冗余控制電。將RAM三相260 V AC動(dòng)力電經(jīng)三相半波整流為特定時(shí)序電流來(lái)驅(qū)動(dòng)控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(control rod drive mechanism,CRDM)，可實(shí)現(xiàn)控制棒的提升、下插、保持及故障雙保持。

如RGL失去全部冗余控制電或RAM三相動(dòng)力電，將直接導(dǎo)致控制棒落入堆芯。因此，電源系統(tǒng)的可靠、穩(wěn)定將直接影響機(jī)組的可用率和經(jīng)濟(jì)性。本文假定新RGL技術(shù)方案維持現(xiàn)有的供電方式，分析在核電站極限負(fù)載工況下RAM系統(tǒng)的最大負(fù)載特性及電源需求，并提出合理、可行的供電改進(jìn)方案，以避免潛在的不利影響。

1 RGL系統(tǒng)簡(jiǎn)介及供電方案

1.1 RGL系統(tǒng)簡(jiǎn)介

百萬(wàn)千瓦級(jí)核電站RGL系統(tǒng)儀控部分由1個(gè)邏輯柜、16個(gè)電源柜、1個(gè)處理柜及3個(gè)測(cè)量柜構(gòu)成。

其中，處理柜和測(cè)量柜完成棒位測(cè)量及棒位監(jiān)視功能；邏輯柜執(zhí)行反應(yīng)堆功率控制、功率監(jiān)視功能，向電源柜發(fā)出提棒、插棒控制指令；電源柜循環(huán)控制器執(zhí)行邏輯柜控制指令，并產(chǎn)生特定時(shí)序的定值信號(hào)，使動(dòng)力機(jī)架(LC/MG/SG)產(chǎn)生控制棒提升、下插及保持所需的CRDM線圈時(shí)序電流[1]，驅(qū)動(dòng)控制棒在反應(yīng)堆中的提升、下插及保持。

1.2 系統(tǒng)供電方案

RGL由棒控子系統(tǒng)和棒位子系統(tǒng)構(gòu)成。其中：棒控子系統(tǒng)包含1個(gè)邏輯柜和16個(gè)電源柜，實(shí)現(xiàn)控制棒的提升/下插/保持邏輯控制和驅(qū)動(dòng)；棒位子系統(tǒng)包含處理柜和測(cè)量柜，實(shí)現(xiàn)棒位測(cè)量及棒位監(jiān)視功能。RGL供電如圖1所示。

圖1 RGL供電示意圖

(1)棒位子系統(tǒng)。

①控制電電源：220 V AC不間斷電源系統(tǒng)(uninterruptible power supply system,LNE)。

②接口電源：48 V DC電源系統(tǒng)(48 V DC power supply system train A,LCA)。

(2)棒控子系統(tǒng)。

①控制電電源：冗余設(shè)計(jì)(LMA和RAM)。其中，RAM控制電取自RAM發(fā)電機(jī)組的A相和B相。

②接口電源：LCA。

③動(dòng)力電源：由RAM 三相260 V AC電源經(jīng)停堆斷路器后提供。

百萬(wàn)千瓦級(jí)核電站RAM供電系統(tǒng)由2臺(tái)100%容量的RAM發(fā)電機(jī)組構(gòu)成。每臺(tái)機(jī)組由異步電動(dòng)機(jī)、惰轉(zhuǎn)飛輪、發(fā)電機(jī)等構(gòu)成。其平均容量約為79 kW、短時(shí)峰值功率為124 kW、視在功率為400 kVA、功率因數(shù)ψ=0.25、電動(dòng)機(jī)機(jī)械功率為135 kW[2]。該設(shè)計(jì)可防止運(yùn)行期間RAM發(fā)電機(jī)組因檢修、單一故障或瞬時(shí)失電而導(dǎo)致的控制棒意外落棒停堆，可提高電源系統(tǒng)的可靠性。

當(dāng)前，RGL系統(tǒng)控制電負(fù)荷約為2.7 kW，系統(tǒng)同時(shí)上電的沖擊電流不超過(guò)360 A。通過(guò)前期調(diào)研并考慮一定的裕度，新的數(shù)字化控制系統(tǒng)的控制電功率需求約為11 kW，同時(shí)上電沖擊電流將可能達(dá)到900 A。因此，有必要對(duì)現(xiàn)有供電系統(tǒng)的容量及特性進(jìn)行全面的論證分析。

2 RAM負(fù)載容量特性分析

2.1 系統(tǒng)供電模型分析和簡(jiǎn)化

目前，控制棒驅(qū)動(dòng)技術(shù)主要采用“一拖一”控制技術(shù)(即1個(gè)整流控制回路控制1個(gè)CRDM線圈)，基于可控硅三相半波整流或絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)進(jìn)行整流。整流控制電路根據(jù)循環(huán)控制器的定值信號(hào)，將RAM三相電源整流為直流后驅(qū)動(dòng)CRDM線圈。

假定新系統(tǒng)供電方案保持不變，RGL新系統(tǒng)簡(jiǎn)化后的系統(tǒng)動(dòng)力回路模型如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)動(dòng)力回路模型

假設(shè)CRDM線圈的電感和電阻在動(dòng)作過(guò)程中不變[3]，則其端口電壓和電流的復(fù)頻域方程為：

(1)

式中：I(s)為線圈電流，s為拉氏變換的復(fù)頻域算子；U(s)為整流電路輸出電壓；i(0_)為線圈初始時(shí)刻電流；R為線圈等效電阻；L為線圈等效電感。

對(duì)整流原理進(jìn)行分析可知，U(s)與RAM三相動(dòng)力電的波形和整流電路的導(dǎo)通角或觸發(fā)脈沖寬度有關(guān)，其電壓包含直流分量(等于I×R)、電源頻率3倍(即150 Hz)的基波頻率和高次諧波頻率[4]，最大瞬時(shí)電壓不超過(guò)其相電壓。因此，CRDM線圈電流不存在沖擊變化，且同一時(shí)刻單個(gè)線圈的整流電路對(duì)A、B、C三相而言僅有一相有導(dǎo)通電流。

圖2中，1個(gè)電源柜同時(shí)控制1個(gè)子棒組的4個(gè)CRDM運(yùn)行。每個(gè)CRDM的提升、傳遞、保持線圈由不同的整流電站分別控制。因此，核電站61個(gè)CRDM由分布在16個(gè)電源柜內(nèi)的183個(gè)整流電路驅(qū)動(dòng)。RAM系統(tǒng)N相電流復(fù)頻域方程為：

(2)

式中：IN為N相總電流；In為各個(gè)線圈電流;Un為各個(gè)線圈電壓;Ln為各個(gè)線圈等效電感;Rn為各個(gè)線圈等效電阻;in(0_)為各個(gè)線圈初始電流。

根據(jù)RAM系統(tǒng)電源接法，其N(xiāo)相電流與其他各相電流間的關(guān)系如式(3)所示。

(3)

式中：IN為RAM發(fā)電機(jī)N相電流；IA為RAM發(fā)電機(jī)A相電流；IB為RAM發(fā)電機(jī)B相電流；IC為RAM發(fā)電機(jī)C相電流；IA1為整流電路對(duì)RAM系統(tǒng)A相總電流；IB1為整流電路對(duì)RAM系統(tǒng)B相總電流;IC1為整流電路對(duì)RAM系統(tǒng)C相總電流；IAB為RAM控制電電流。

對(duì)整流原理和上述電流方程進(jìn)行分析可知，RGL系統(tǒng)對(duì)RAM動(dòng)力電流IA1、IB1、IC1的有效值相等，并含有大的直流分量和高次諧波，且同一時(shí)刻A、B、C三相動(dòng)力電中最多有兩相存在電流。RAM系統(tǒng)的N相電流IN大小等于所有CRDM線圈電流之和。在控制棒動(dòng)棒的動(dòng)態(tài)過(guò)程中，通過(guò)改變各個(gè)整流電路導(dǎo)通角或觸發(fā)脈沖寬度，使CRDM線圈電流由當(dāng)前狀態(tài)至?xí)r序定值目標(biāo)變化，線圈電壓為相應(yīng)相導(dǎo)通電壓。

此外，由于新系統(tǒng)RAM控制電電流IAB增大，并由A、B相間引出，將導(dǎo)致RAM發(fā)電機(jī)三相間功率不斷增大，影響RAM發(fā)電機(jī)組的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

2.2 CRDM動(dòng)棒瞬時(shí)功耗計(jì)算

結(jié)合前文分析可知，在線圈電流上升階段，CRDM動(dòng)棒和插棒的理論波形[5]可包絡(luò)實(shí)際波形，線圈電壓U上升，并需要RAM動(dòng)力系統(tǒng)提供有功功率；在線圈電流穩(wěn)定階段，線圈電壓和電流相對(duì)穩(wěn)定，動(dòng)力系統(tǒng)補(bǔ)償線圈電阻消耗的功率；在線圈電流下降階段，電壓U下降，無(wú)需動(dòng)力系統(tǒng)提供有功功率。

由于CRDM動(dòng)棒過(guò)程中，線圈電壓在相電壓范圍內(nèi)變化，電流建立時(shí)間一般在100 ms內(nèi)[6]。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，線圈穩(wěn)態(tài)電流與理論電流誤差在4%以內(nèi)[7]，因此可忽略線圈動(dòng)棒波形各個(gè)階段的瞬時(shí)功率誤差。單個(gè)CRDM有功功率可簡(jiǎn)化為：

PCRDM=ILC×ULC+IMG×UMG+ISG×USG

(4)

式中：ILC為提升線圈理論定值電流；IMG為傳遞線圈理論定值電流；ISG為保持線圈理論定值電流；ULC為提升線圈穩(wěn)態(tài)有效電壓；UMG為傳遞線圈穩(wěn)態(tài)有效電壓；USG為保持線圈穩(wěn)態(tài)有效電壓。

假設(shè)在25 ℃時(shí)：傳遞、保持線圈電阻為9.45 Ω，連接電阻約為0.4 Ω；提升線圈電阻為1.45 Ω，連接電阻約為0.2 Ω。在機(jī)組功率運(yùn)行期間，CRDM線圈設(shè)計(jì)工作溫度約為200 ℃[8]。根據(jù)線圈電阻和溫度間的關(guān)系式，有：

(5)

式中：R2為換算電阻；R1為測(cè)量電阻；T為電阻溫度常數(shù)；t2為換算溫度；t1為測(cè)量溫度。

CRDM線圈一般采用銅導(dǎo)體，其電阻溫度常數(shù)取234.5 ℃。則根據(jù)式(5)，可得CRDM在反應(yīng)堆功率運(yùn)行(約200 ℃)時(shí)的電阻計(jì)算式：

(6)

式中:R200為CRDM線圈在200 ℃時(shí)的回路等效電阻；R25為CRDM線圈在25 ℃時(shí)的回路等效電阻；rl為CRDM與整流電路間的連接電阻。

根據(jù)式(6)計(jì)算可知，功率運(yùn)行時(shí)的CRDM傳遞、保持線圈回路等效電阻約為16.2 Ω；提升線圈等效電阻約為2.63 Ω。

穩(wěn)態(tài)時(shí)，CRDM線圈有效電壓可估算為等效電阻×電流。因此，在反應(yīng)堆功率運(yùn)行時(shí)，根據(jù)式(4)編程仿真，傳遞、保持線圈全電流等效電壓約為129.6 V，提升線圈全電流等效電壓約為105 V。綜合考慮實(shí)際工況、損耗等因素，為簡(jiǎn)化計(jì)算，ULC、UMG、USG取120 V，ILC、IMG、ISG根據(jù)理論波形取值計(jì)算CRDM線圈的動(dòng)棒功率。該計(jì)算所得功率可包絡(luò)實(shí)際的功率波形。CRDM動(dòng)棒瞬時(shí)功率波形如圖3所示。

由圖3可知，在CRDM的1個(gè)動(dòng)棒循環(huán)過(guò)程中，其峰值功率約為7 kW,且有功功率存在較大變化。

2.3 RAM最大負(fù)載容量分析及仿真

核電站采用G模式運(yùn)行，通過(guò)功率棒和溫度棒的協(xié)調(diào)控制，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆功率的快速調(diào)整。在機(jī)組以±5%FP/min持續(xù)負(fù)荷變化[9]或通過(guò)汽機(jī)旁路系統(tǒng)旁路甩負(fù)荷等正常I類運(yùn)行瞬態(tài)時(shí)，需要棒控系統(tǒng)快速提升或下插控制棒，使反應(yīng)堆的反應(yīng)性與需求功率相匹配。為保證功率調(diào)整過(guò)程中對(duì)軸向功率分布的擾動(dòng)最小，N2、N1、G2、G1這4個(gè)功率棒組采用疊步方式運(yùn)行。

RAM系統(tǒng)設(shè)計(jì)滿足1臺(tái)RAM發(fā)電機(jī)組停運(yùn)檢修或故障跳閘時(shí)，另外1臺(tái)RAM發(fā)電機(jī)必須能保證同時(shí)提升或下插最多的控制棒，且提供保持其他控制棒所需的最大瞬時(shí)功率的要求。假定CRDM線圈工作溫度維持不變，在快速瞬態(tài)的極限負(fù)載工況下，RAM系統(tǒng)將驅(qū)動(dòng)3個(gè)棒組。2個(gè)功率控制棒組在疊步區(qū)內(nèi)運(yùn)行，且溫度棒組(R棒組)也參與調(diào)節(jié)，同時(shí)動(dòng)棒(其他控制棒保持)，則此時(shí)RAM系統(tǒng)負(fù)荷最大，可承受極限的功率負(fù)載。

在棒控系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，考慮對(duì)RAM系統(tǒng)的沖擊及帶載能力，每個(gè)棒組包含8根控制棒(4根控制棒為子棒組1，另外4根控制棒為子棒組2)，同一棒組的2個(gè)子棒組CRDM的電流波形相差半個(gè)棒速周期(半步)。在快速瞬態(tài)的極限負(fù)載工況下，最多3個(gè)棒組CRDM(16功率棒疊步+8 R棒)同時(shí)動(dòng)作。為簡(jiǎn)化分析，假設(shè)2個(gè)功率棒組和R棒組同時(shí)動(dòng)作且方向相同，則子棒組1由12個(gè)CRDM 驅(qū)動(dòng)3棒組×4根控制棒、子棒組2包含12個(gè)CRDM。子棒組間的控制棒相差半個(gè)動(dòng)棒周期，其他37根控制棒保持。則CRDM最大負(fù)載功率可由式(7)獲得：

Pmax=12Pg1+12Pg2+37Pstay

(7)

式中：Pmax為CRDM對(duì)RAM的最大負(fù)載功率；Pg1為子棒組1單個(gè)CRDM動(dòng)棒功率；Pg2為子棒組2單個(gè)CRDM動(dòng)棒功率；Pstay為保持控制棒所需的功率。

同理，CRDM對(duì)RAM的最大負(fù)載電流(N相)可由式(8)獲得：

Imax=12Ig1+12Ig2+37Istay

(8)

式中：Imax為CRDM對(duì)RAM的最大負(fù)載電流；Ig1為子棒組1單個(gè)CRDM的負(fù)載電流；Ig2為子棒組2單個(gè)CRDM的負(fù)載電流；Istay為保持控制棒所需的負(fù)載電流，即提升、傳遞線圈電流為零，保持線圈電流約為4.8A[10]。

根據(jù)CRDM工作原理，控制棒棒速在6～72步/分變化。由單個(gè)CRDM動(dòng)棒電流波形和功率波形、式(7)和式(8)仿真，在不同控制棒棒速下提棒，CRDM對(duì)RAM的最大負(fù)載電流和最大負(fù)載功率進(jìn)行仿真。RAM負(fù)載電流隨棒速的變化如圖4所示。RAM負(fù)載功率隨棒速的變化如圖5所示所示。

根據(jù)圖4、圖5仿真結(jié)果分析，RAM動(dòng)力電的峰值電流和峰值功率隨棒速上升而上升。提棒棒速在6～69步/分時(shí)，RAM峰值電流和峰值功率分別為907.2 A和108.86 kW。提棒棒速在70～72步/分時(shí)，RAM峰值電流和峰值功率分別上升至1 041.6 A和124.99 kW。

圖4 RAM負(fù)載電流隨棒速的變化

圖5 RAM負(fù)載功率隨棒速的變化

同理，在不同棒速下插棒也將得到類似結(jié)論。在極限功率負(fù)載工況下，如果1臺(tái)RAM機(jī)組例行檢修或故障跳閘，同時(shí)LMA冗余控制電故障失去，則另1臺(tái)RAM機(jī)組將承擔(dān)所有負(fù)荷[2]，其控制電和動(dòng)力電總功率最大將達(dá)到135 kW，并大于RAM發(fā)電機(jī)額定功率(100 kW)。因此，RAM可能不滿足新系統(tǒng)的控制電及動(dòng)力電供電容量要求，存在潛在的風(fēng)險(xiǎn)。

3 新系統(tǒng)供電方案設(shè)計(jì)

為避免改進(jìn)后因控制電容量增大而帶來(lái)的潛在風(fēng)險(xiǎn)，并滿足控制電或電源模塊單一故障準(zhǔn)則的要求，新系統(tǒng)控制電由RAM/LMA變更為L(zhǎng)NE/LMA，并為處理柜增加1路LMA冗余控制電。

新系統(tǒng)供電方案如圖6所示。圖6中，虛線圈出部分為新方案中變化的電源負(fù)荷。

圖6 新系統(tǒng)供電方案

由于柴油機(jī)倒電定期試驗(yàn)將導(dǎo)致LMA短時(shí)失去，因此，LMA電源系統(tǒng)恢復(fù)時(shí)需能承受所有機(jī)柜同時(shí)上電引起的沖擊。鑒于原系統(tǒng)設(shè)備老化、故障診斷困難、設(shè)備停產(chǎn)等因素，需要對(duì)RGL系統(tǒng)的邏輯柜、處理柜、電源柜進(jìn)行整體數(shù)字化升級(jí)改進(jìn)。新系統(tǒng)設(shè)備控制電源容量由2.7 kW上升至11 kW，導(dǎo)致RGL004/005TB空開(kāi)容量不滿足新系統(tǒng)的要求，且上游LNE/LMA系統(tǒng)已接近額度荷。因此，新系統(tǒng)供電方案涉及RGL004/005TB空開(kāi)換型、LNE/LMA容量擴(kuò)容等改進(jìn)，并統(tǒng)籌考慮后續(xù)DCS等改進(jìn)的供電需求。

LNE系統(tǒng)為不間斷電源，由應(yīng)急母線和蓄電池逆變供電，可靠性較RAM更高。將原有RGL的RAM兩相控制電轉(zhuǎn)移至LNE，可有效降低RAM發(fā)電機(jī)組的三相不平衡現(xiàn)象，有利于RAM發(fā)電機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)可確保改進(jìn)后RGL控制電源系統(tǒng)的可靠性。

4 結(jié)論

某核電站RGL系統(tǒng)由RAM系統(tǒng)提供動(dòng)力電和控制電進(jìn)行供電。本文假設(shè)改進(jìn)后的RGL系統(tǒng)供電方式不變，通過(guò)簡(jiǎn)化RAM供電模型，分析極限負(fù)載工況下RAM系統(tǒng)可能的最大負(fù)載并進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果表明，隨著新系統(tǒng)控制電容量增大，原系統(tǒng)供電方案不利于RAM系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，存在潛在的風(fēng)險(xiǎn)。

改進(jìn)后的RGL系統(tǒng)控制電滿足單一故障準(zhǔn)則，由LNE/LMA進(jìn)行冗余供電。綜合RGL改進(jìn)和后續(xù)全廠DCS數(shù)字化改進(jìn)等電源需求，LNE/LMA系統(tǒng)需進(jìn)行擴(kuò)容改進(jìn)，并與RGL改進(jìn)同步規(guī)劃實(shí)施，保證改進(jìn)后RGL系統(tǒng)的供電容量和品質(zhì)滿足系統(tǒng)正常、穩(wěn)定運(yùn)行需求。