淺析AP1000核電站快速降功率和落棒恢復(fù)

毛文禮

(中核遼寧核電有限公司，遼寧 葫蘆島 125100)

0 引言

AP1000 快速降功率系統(tǒng)與二代核電站有很大的不同，在滿功率情況下出現(xiàn)汽輪機(jī)故障跳閘時(shí)，通過快速降功率系統(tǒng)動(dòng)作，將反應(yīng)堆功率降低到汽輪機(jī)旁排系統(tǒng)和反應(yīng)堆功率控制系統(tǒng)能夠控制的水平，避免反應(yīng)堆停堆和主蒸汽安全閥打開。

汽輪機(jī)旁排系統(tǒng)為一回路提供一個(gè)人為的負(fù)荷，將主蒸汽旁路到凝汽器，排放能力為40%額定蒸汽流量。反應(yīng)堆控制系統(tǒng)能夠調(diào)節(jié)10%的階躍降負(fù)荷或負(fù)荷每分鐘線性變化5%。汽輪機(jī)旁排系統(tǒng)和反應(yīng)堆功率控制系統(tǒng)總共能夠滿足50%的機(jī)組甩負(fù)荷。大于50%的階躍甩負(fù)荷或汽輪機(jī)在50 %負(fù)荷以上的跳閘工況，超過了上述兩個(gè)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力，會導(dǎo)致一回路過熱。這些工況下，快速降功率系統(tǒng)需要?jiǎng)幼鳎焖俳档秃斯β剩乐挂换芈愤^熱。

1 快速降功率系統(tǒng)的觸發(fā)

AP1000 反應(yīng)堆有69 束棒束控制組件，按功能可分為功率控制棒組（M 棒組）、軸向偏移棒組（AO 棒組）和停堆棒組（SD 棒組）。負(fù)荷跟蹤時(shí)，反應(yīng)堆功率控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)M 棒組的提升和下插，保持一、二回路的功率匹配。AO 棒組用于調(diào)整堆芯軸向功率分布。停堆棒組用于保證反應(yīng)堆停堆后具有足夠的停堆裕度。快速降功率系統(tǒng)也是通過棒束控制組件來實(shí)現(xiàn)其功能的，快速降功率系統(tǒng)動(dòng)作信號產(chǎn)生后，釋放預(yù)先選定的停堆棒組和中心的AO 棒。

快速降功率系統(tǒng)釋放的棒組由操縱員依據(jù)BEACON（堆芯核運(yùn)行最佳評估分析器）來選定。通過對持續(xù)監(jiān)測的堆芯熱功率數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總得到堆芯的燃耗分布情況，根據(jù)堆芯燃耗分布情況和堆功率水平給出推薦的快速降功率時(shí)需要插入堆芯的停堆棒組和中心的AO 棒，經(jīng)操縱員確認(rèn)后，最終選定棒組。

圖1 AP1000 快速降功率系統(tǒng)示意圖

只有在發(fā)生階躍甩負(fù)荷超過50%額定功率或汽輪機(jī)在50%以上負(fù)荷跳機(jī)時(shí)才會觸發(fā)快速降功率系統(tǒng)動(dòng)作，因此快速降功率系統(tǒng)的觸發(fā)有兩個(gè)條件：1）核功率大于50%額定功率；2）汽輪機(jī)甩負(fù)荷超過50%額定負(fù)荷（如圖1 所示）。以100 %功率時(shí)汽輪機(jī)跳閘來說明快速降功率系統(tǒng)的運(yùn)行。該工況下產(chǎn)生保持的快速降功率信號，系統(tǒng)觸發(fā)，將預(yù)先選定的棒組斷電，棒組在重力作用下插入堆芯，迅速將反應(yīng)堆功率降至50%左右。反應(yīng)堆功率控制系統(tǒng)根據(jù)一回路平均溫度Tavg與二回路參考溫度Tref之間的偏差信號將M 棒組插入堆芯，反應(yīng)堆功率逐漸降低。此時(shí)由于反應(yīng)堆有功率存在，而汽輪發(fā)電機(jī)組已跳閘，因此一、二回路熱量不平衡。然后判斷二回路是否可用，若二回路不可用，則需要將反應(yīng)堆停堆；若二回路可用（主給水泵在運(yùn)行，蒸汽發(fā)生器液位維持正常穩(wěn)定，汽輪機(jī)旁排系統(tǒng)可用，凝汽器可用等），則在各系統(tǒng)的協(xié)作下，導(dǎo)出一回路多余的熱量，維持一回路溫度。當(dāng)反應(yīng)堆功率下降到低于15%，反應(yīng)堆功率控制系統(tǒng)將進(jìn)入低功率模式，操縱員設(shè)定一個(gè)目標(biāo)功率和速率，維持反應(yīng)堆功率在12%～15%之間，此時(shí)熱量通過汽輪機(jī)旁排系統(tǒng)帶走。

2 P-17 邏輯和Runback 功能

2.1 P-17 閉鎖邏輯

核功率負(fù)變化率高于15%/秒時(shí)，產(chǎn)生P-17 信號，如圖1 所示。該信號閉鎖了M 棒組的自動(dòng)和手動(dòng)提升，AO 棒組的自動(dòng)下插，AO 棒組的自動(dòng)和手動(dòng)提升。這樣就避免了快速降功率觸發(fā)時(shí)，由于停堆棒組的落棒導(dǎo)致處于自動(dòng)狀態(tài)的M 棒組和AO 棒組提出。該閉鎖信號未閉鎖M 棒組的自動(dòng)插棒，在快速降功率觸發(fā)后，M 棒組將根據(jù)一回路平均溫度Tavg與二回路參考溫度Tref的偏差進(jìn)行插棒。P-17 是一個(gè)保持的信號，若要進(jìn)行棒的提升操作，需要手動(dòng)進(jìn)行復(fù)位。

2.2 Runback 功能

汽輪機(jī)大的甩負(fù)荷工況時(shí)，由于快速降功率系統(tǒng)的動(dòng)作向堆芯插入了停堆棒組和AO 棒，可能引入過量的負(fù)反應(yīng)性，使反應(yīng)堆功率的下降多于汽輪機(jī)功率的下降。AP1000 的反應(yīng)堆設(shè)計(jì)中，在沒有主動(dòng)控制干預(yù)時(shí)，堆芯功率跟隨汽機(jī)功率運(yùn)行。一、二回路功率失配引起冷卻劑平均溫度Tavg增加或降低，由于負(fù)的慢化劑的溫度系數(shù)，Tavg的改變反過來影響堆芯功率，直到達(dá)到新平衡。也就是說快速降功率系統(tǒng)動(dòng)作時(shí)，即使引入了過量的負(fù)反應(yīng)性，堆芯功率最終會恢復(fù)到與汽機(jī)功率一致，但是降低了一回路平均溫度Tavg。導(dǎo)致一回路過冷。因此在快速降功率系統(tǒng)動(dòng)作后汽輪機(jī)需要Runback。

使用溫度/功率失配信號和快速降功率信號來控制汽輪機(jī)Runback。如圖1 所示，當(dāng)快速降功率信號出現(xiàn)，且溫度/功率失配信號大于一個(gè)帶有回環(huán)的設(shè)定值時(shí)，汽機(jī)負(fù)荷將會產(chǎn)生Runback，以一定速率降低汽機(jī)負(fù)荷。從快速降功率信號出現(xiàn)到Runback 有一個(gè)延時(shí)，其目的是防止在甩負(fù)荷瞬態(tài)之初就觸發(fā)汽輪機(jī)Runback。當(dāng)溫度/功率偏差信號小于設(shè)定值減去一個(gè)回環(huán)值后，汽輪機(jī)Runback 信號消失。

3 快速降功率系統(tǒng)落棒恢復(fù)

3.1 反應(yīng)性補(bǔ)償

圖2 反應(yīng)堆快速降功率動(dòng)作后硼濃度及氙價(jià)值變化示意圖

反應(yīng)堆功率由100%降到15%過程中，甩負(fù)荷后的反應(yīng)性由快速降功率棒組和M 棒組的下插來補(bǔ)償。反應(yīng)堆功率降到15%左右后，由于氙濃度的積累，向堆芯引入負(fù)反應(yīng)性。若要使功率穩(wěn)定在這一水平運(yùn)行，應(yīng)該在快速降功率觸發(fā)后立即對一回路進(jìn)行稀釋，降低硼濃度，以補(bǔ)償氙毒引入的負(fù)反應(yīng)性。稀釋速率取決于穩(wěn)定在15%功率水平的時(shí)間長短，在0～30 分鐘內(nèi)需要的稀釋流量是15.67m3/h。落棒恢復(fù)過程中，通過移動(dòng)M 棒組來補(bǔ)償快速降功率棒組提升引入的正反應(yīng)性和氙濃度增加引入的負(fù)反應(yīng)性。圖2所示為反應(yīng)堆穩(wěn)定在15%功率運(yùn)行1 小時(shí)后，進(jìn)行落棒恢復(fù)（持續(xù)2小時(shí)），一回路硼濃度及氙價(jià)值的變化示意圖。

3.2 落棒恢復(fù)策略

在15%功率水平時(shí)，若要將快速降功率系統(tǒng)動(dòng)作而掉落的棒組恢復(fù)到原先位置，首先要停止對一回路的稀釋。然后通過將控制棒置于單棒控制模式，手動(dòng)提升快速降功率棒組中的停堆棒，在停堆棒的提升過程中，控制M 棒的移動(dòng)來維持反應(yīng)堆功率恒定在15%。停堆棒恢復(fù)完畢后，再恢復(fù)掉落的AO 棒到其原先位置，當(dāng)M 棒組中的M1 棒組接近棒的插入限值時(shí)，就需要進(jìn)行硼化。一回路硼濃度增加將M 棒組趕到需要的位置。

4 總結(jié)

AP1000 快速降功率系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，以及與其它一、二回路系統(tǒng)的相互協(xié)作，實(shí)現(xiàn)了電站停機(jī)不停堆的功能，從而減少了機(jī)組再次投入并網(wǎng)運(yùn)行的時(shí)間，提高了電站的經(jīng)濟(jì)性。引用BEACON 系統(tǒng)進(jìn)行快速降功率系統(tǒng)的棒組選擇，提高了靈活性。由于BEACON 在國內(nèi)核電屬于首次應(yīng)用，且是一個(gè)非安全相關(guān)系統(tǒng)，BEACON 系統(tǒng)的可靠性將影響快速降功率功能的實(shí)現(xiàn)。

快速降功率動(dòng)作后，核功率要穩(wěn)定在15%水平運(yùn)行，就要立即進(jìn)行稀釋操作。若操縱員由于耽擱而未能快速響應(yīng)，氙濃度的積累將引起反應(yīng)堆進(jìn)入次臨界。一旦反應(yīng)堆處于次臨界且核功率下降到5%以下，操縱員就需要停堆。

［1］車濟(jì)堯.三門核電站停機(jī)不停堆的運(yùn)行分析[J].中國核電,2014(3).