AP1000機組反應堆功率控制邏輯

郭述志

【摘 要】 AP1000機組反應堆功率控制系統是電廠控制系統的子系統，由模式選擇、低功率和高功率模塊組成；本文重點介紹了AP1000機組反應堆功率控制中的低功率模式控制和高功率模式控制邏輯，列舉了對各個控制模式的輸入信號，并分別對其進行了簡要的分析。總結了AP1000機組反應堆功率控制邏輯的特點以及相較于二代核電站的改進及優勢等。

【關鍵詞】 AP1000 功率控制 控制邏輯

1 前言

反應堆功率控制系統的主要任務是抑制反應堆的功率擾動，使得反應堆功率維持在一定水平，保證一回路與二回路的功率相匹配，并保證堆芯功率分布能滿足限制要求，使反應堆的功率輸出穩定。

2 AP1000功率控制系統的組成

AP1000反應堆功率控制系統是電廠控制系統的子系統，采用了機械補償運行控制策略，其主要特點是日常運行時利用高、低價值的控制棒對反應性進行機械調節，極少需要調節硼濃度。

AP1000的控制棒組件包括M棒組、AO棒組以及停堆棒組，M棒組用于控制反應堆的功率水平，AO棒組控制反應堆的軸向功率分布，功率控制系統動作的主要是M棒組。

反應堆功率控制系統通過自動調節M棒組，實現對反應堆功率水平的自動控制，其通過向控制棒控制系統發送控制命令來實現這些功能，控制棒控制系統根據來自于功率控制系統的信號對反應堆內的控制棒位置進行調節。

AP1000的功率控制邏輯包括模式選擇、低功率模式和高功率模式三個部分：

（1）高功率控制邏輯適用于15%-100%FP的功率范圍。功率控制系統對一回路冷卻劑平均溫度Tavg進行監測，并通過溫度失配偏差和功率失配偏差信號來驅動控制棒按特定的速率和方向移動，從而實現堆芯功率的自動控制；（2）低功率控制邏輯適用于3%-15%FP的功率范圍。操縱員手動設定目標功率值及功率變化速率，以實現對反應堆功率的直接控制；（3）模式選擇邏輯用于反應堆控制系統控制模式的判斷及切換。

3 低功率模式控制邏輯

當功率控制系統處于低功率模式時（0-15%額定功率），電廠通常處于啟動和停堆工況，故控制邏輯比較簡單。

低功率模式控制邏輯輸入信號有以下幾個：（1）“最終功率目標”：操縱員可在主控室操縱員工作站操作界面中輸入需要達到的最終功率目標值，其范圍為0%-15%額定功率；（2）“功率改變時間”：操縱員可在主控室操縱員工作站操作界面中輸入期望的功率改變時間，從而控制功率改變的速率；（3）“開始/暫停/繼續/退出”：操縱員可在主控室操縱員工作站操作界面中控制低功率模式下的功率改變進程，有開始/暫停/繼續/退出四個選項，可用于開始、暫停、繼續或退出功率改變過程；（4）“核功率”：與模式選擇邏輯中的核功率信號相同。

低功率模式下，操縱員首先需要輸入最終功率目標和功率改變時間，核功率定值計算環節利用最終功率目標值、功率改變時間以及實測的核功率值，計算出功率變化過程中的動態定值（QNSP（t））及其變化速率（DQNDT）。

核功率信號首先送入一個滯后環節進行濾波，除去噪聲信號，之后分別送往核功率定值計算環節、加法器及動態增益環節，用于低功率模式的后續計算。

核功率定值計算環節計算出的定值信號，送往加法器，與核功率值信號求差值，得到功率失配差值信號。功率失配差值信號之后經過動態增益環節，用于改善信號質量。動態增益環節會根據輸入的核功率值不同而變化，是實測核功率值的函數。

功率失配差值信號最終被送往棒控單元，轉換成控制棒移動方向、速率信號，驅動M棒組移動，從而向堆芯引入反應性以改變反應堆功率。

4 高功率控制模式

當功率控制系統處于高功率模式時（15%-100%額定功率），電廠處在正常運行工況，此時功率控制系統的主要任務是保證一、二回路功率的匹配，使一回路平均溫度Tavg保持在其目標帶寬內并保持穩定。

高功率模式控制邏輯輸入信號有以下幾個：（1）“核功率”：堆外核測量系統功率量程儀表的信號送至核電廠保護和監視系統（PMS）處理，之后經過中值選擇處理得到此核功率輸入信號。（2）“汽輪機負荷”：主蒸汽系統安裝在汽輪機第一級內的壓力儀表測得的壓力信號，經過中值選擇后輸入高功率模式控制邏輯，被換算為汽輪機當前負荷；（3）“一回路平均溫度”：一回路冷段溫度和熱段溫度經過PMS處理，得到一回路平均溫度信號，其代表了一回路實際輸出的功率。

高功率控制模式的控制邏輯含有平均溫度控制通道和功率失配的前饋通道：

（1）平均溫度控制通道。系統利用預設曲線得到與堆芯目標功率相對應的平均溫度整定值Tref，再與實測一回路冷卻劑平均溫度Tavg相比較，得到偏差值，從而計算出控制棒的移動方向和速率，直至偏差消除。

（2）功率失配通道。該通道的目的是加速反應堆對汽輪機負荷需求的響應。當出現快速功率失配而平均溫度Tavg尚無明顯變化時，失配通道的信號可以直接對控制棒進行移動，以加快平均溫度控制系統的響應速度并降低瞬態峰值，提高系統性能。

此外，AP1000還設有快速降功率系統。在甩負荷>50%時，快速降功率系統使選定的控制棒落入堆芯，迅速引入大量的負反應性，將堆芯功率快速降至與二回路負荷匹配的水平[3]。

5 結語

AP1000反應堆功率控制系統包括高功率模式和低功率控制模式，實現了高功率和低功率情況下的反應堆的功率控制。相對于傳統二代核電堆型，其將堆芯功率的粗調和精調進行了整合，在保證控制精度的前提下簡化了功率控制系統的控制邏輯。

參考文獻

[1]林樺，林萌，侯東，楊燕華.反應堆功率控制系統的建模及閉環驗證[J].核動力工程，2009，30（4）.

[2]林誠格，郁祖盛.非能動安全先進壓水堆核電技術[M].北京：原子能出版社，2010.

[3]馮俊婷，黃曉津，張良駒.核反應堆功率調節系統控制特性研究[J].原子能科學技術，2006，（40）3.

[4]顧軍.AP1000核電廠系統與設備[M].北京：原子能出版社，2010.