PWR核電站ΔT超溫超功率保護(hù)參數(shù)合理性分析

李賢民 　劉道光

(中廣核工程有限公司調(diào)試中心，廣東 深圳　 518124)

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PWR核電站ΔT超溫超功率保護(hù)參數(shù)合理性分析

李賢民 劉道光

(中廣核工程有限公司調(diào)試中心，廣東 深圳 518124)

針對嶺澳核電站二期3號機(jī)組調(diào)試啟動低功率試驗(yàn)期間，一回路冷、熱管段溫差(ΔT)超功率保護(hù)定值偏低、容易觸發(fā)反應(yīng)堆保護(hù)動作等問題，基于Simulink搭建超溫超功率保護(hù)邏輯，對設(shè)計(jì)方提供的新、舊參數(shù)的輸出結(jié)果進(jìn)行仿真對比，從第三方角度對其進(jìn)行合理性評價(jià)。仿真結(jié)果和機(jī)組實(shí)測數(shù)據(jù)表明，該方法正確、可靠，能有效降低機(jī)組首次啟動功率運(yùn)行期間的安全風(fēng)險(xiǎn)。

熱管段溫差超溫超功率仿真核電站保護(hù)系統(tǒng)Simulink參數(shù)分析誤動分析

0　引言

PWR核電站一回路冷熱管段溫差(ΔT)超溫超功率保護(hù)邏輯作為防止燒毀比(departurefromnuckeateboilingratio,DNBR)超限[1]的重要手段，對保障機(jī)組安全運(yùn)行起著極其重要的作用，其參數(shù)設(shè)置正確與否直接影響到核電機(jī)組的運(yùn)行安全。海軍工程大學(xué)的張達(dá)發(fā)介紹了壓水堆ΔT超溫超功率保護(hù)系統(tǒng)，分析了確定極限限制線以及保護(hù)區(qū)的方法，并對此作出了評價(jià)[2]。

嶺澳核電站二期3號機(jī)組預(yù)臨界試驗(yàn)期間，在熱停堆工況下，ΔT超功率保護(hù)定值僅有103.8%滿功率(fullpower,FP)左右，離C4保護(hù)信號閾值(3%FP)不到1%FP的裕度，若再出現(xiàn)稍大的擾動工況，甚至可能觸發(fā)反應(yīng)堆緊急停堆保護(hù)動作(閾值為0%FP)，這將嚴(yán)重威脅機(jī)組運(yùn)行。與大亞灣核電站相比，嶺澳核電站一期的ΔT超功率保護(hù)定值穩(wěn)定在108.6%FP。為此，設(shè)計(jì)方通過重新核算，提交了新版本參數(shù)，但此參數(shù)能否真正適用于CPR1000機(jī)組尚不可知。本文基于Simulink仿真工具，利用前期調(diào)試試驗(yàn)的數(shù)據(jù)，對不同版本的參數(shù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行仿真分析，對新版本參數(shù)的正確性和適用性進(jìn)行評估。

1　ΔT超溫超功率保護(hù)參數(shù)分析

1.1保護(hù)定值邏輯及參數(shù)計(jì)算

根據(jù)反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)(reactorcoolantpump,RCP)設(shè)計(jì)手冊(systemdesignmanual,SDM)模擬圖，ΔT超溫超功率保護(hù)邏輯考慮了主泵轉(zhuǎn)速、一回路壓力、一回路溫度、堆芯軸向功率分布等因素，計(jì)算出相應(yīng)功率平臺下的超溫超功率保護(hù)定值后，與實(shí)測ΔT(轉(zhuǎn)換成%FP后)作差。若差值≤3%FP，則觸發(fā)C3、C4保護(hù)信號，汽輪機(jī)組快速甩負(fù)荷，反應(yīng)堆功率快速降至最終功率設(shè)定值(30%FP)；若差值≤0%FP，則觸發(fā)反應(yīng)堆緊急停堆保護(hù)信號。嶺澳二期項(xiàng)目采用了M310的堆型，共三個(gè)環(huán)路，每個(gè)環(huán)路均有獨(dú)立的ΔT超溫超功率保護(hù)邏輯，最終通過三選二的表決輸出(即至少觸發(fā)兩個(gè)環(huán)路)，觸發(fā)保護(hù)動作，以滿足核電站縱深防御[3]的設(shè)計(jì)原則。根據(jù)模擬圖的設(shè)計(jì)原理[1](假設(shè)穩(wěn)態(tài)工況下不考慮堆芯軸向功率的影響)，可以得出ΔT超溫超功率保護(hù)定值計(jì)算公式如下：

ΔT超功率×[L1/100+L2/100×P-L3/100×Tavg+L7/100×PS-0×f1(ΔΦ)]

(1)

ΔTnom×[L4/100-L6/100×(Tavg-3100)-L5/100×Tavg-L8/100×PS-0×f2(ΔΦ)]

(2)

式中：ΔTnom為額定標(biāo)準(zhǔn)工況下的溫差；ΔΦ為堆芯軸向功率偏差；Pnom為額定標(biāo)準(zhǔn)工況下的一回路壓力；Tnom為額定標(biāo)準(zhǔn)工況下的平均溫度；PS0為額定標(biāo)準(zhǔn)工況下的主泵轉(zhuǎn)速；P為實(shí)測一回路壓力；Tavg為實(shí)測平均溫度；PS為實(shí)測主泵轉(zhuǎn)速；K1～K8為相應(yīng)分量的計(jì)算因子。

K1為額定標(biāo)準(zhǔn)工況(壓力15.5 MPa，溫度310 ℃，主泵轉(zhuǎn)速1 485 r/min)下的超溫保護(hù)裕度；K2為一回路壓力分量因子，壓力變小時(shí)容易發(fā)生偏離泡核沸騰，需降低保護(hù)定值；K3為平均溫度分量因子，溫度增加時(shí)容易發(fā)生偏離泡核沸騰，需降低保護(hù)定值；K4為額定標(biāo)準(zhǔn)工況(壓力15.5 MPa，溫度310 ℃，主泵轉(zhuǎn)速1 485 r/min)下的超功保護(hù)裕度；K5為平均溫度變化分量因子，當(dāng)平均溫度升高太快時(shí)，不能及時(shí)導(dǎo)出堆芯熱量，需降低保護(hù)定值；K6為平均溫度分量因子，溫度高時(shí)，不利于熱量導(dǎo)出，需降低保護(hù)定值；K7為主泵轉(zhuǎn)速分量因子，泵轉(zhuǎn)速下降時(shí)，一回路流量下降，冷卻效果不佳，需降低保護(hù)定值；K8為主泵轉(zhuǎn)速分量因子，主泵轉(zhuǎn)速降低時(shí)，由于平均溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)的作用，溫差實(shí)際值增加，但堆功率并未改變，超功率ΔT保護(hù)不應(yīng)因此而動作，故需增加保護(hù)定值；f1(ΔΦ)、f2(ΔΦ)為軸向功率偏差分量因子，偏差增加時(shí)，容易在局部高度上發(fā)生偏離泡核沸騰，需降低保護(hù)定值。f1(ΔΦ)和f2(ΔΦ)在堆芯穩(wěn)定時(shí)輸出為0。

由式(1)和式(2)可得：

L1=100×(K1-K2×Pnom+K3×Tnom-K7)

(3)

L2=K2×100

(4)

L3=K3×100

(5)

L7=100×K7/PS0=K7/14.85

(6)

L4=100×(K4+K8)

(7)

L5=100×K5

(8)

L6=100×K6

(9)

L8=100×K8/PS0=K8/14.85

(10)

式中：若Tavg>Tnom，則K6=0；若Tavg下降，則K5=0。根據(jù)文獻(xiàn)[1]，將K1～K8(不同堆芯設(shè)計(jì)會有所差別)代入式(3)～式(10)，即可得到L1～L8的值。

1.2理論定量計(jì)算分析

根據(jù)RCP系統(tǒng)設(shè)定值手冊(set point manual,SPM)D版文件中的初版參數(shù)和機(jī)組正式商運(yùn)前的局部設(shè)計(jì)修改文件，給出終版參數(shù)與理論參數(shù)的比較結(jié)果，具體見表1。

表1　理論參數(shù)、初版參數(shù)和終版參數(shù)對比Tab.1　Comparison of theoretical, first and final parameters

從表1可見，參數(shù)L4、L6、L7、L8的理論參數(shù)、初版參數(shù)和終版參數(shù)有所不同，忽略四舍五入因素，L4的差別最大，而終版參數(shù)與理論設(shè)計(jì)值更為一致。初版參數(shù)是根據(jù)參考電站改造前的數(shù)據(jù)所設(shè)計(jì)的。由于堆型設(shè)計(jì)已經(jīng)發(fā)生改進(jìn)，因此偏差相對較大。

針對三種參數(shù)，假設(shè)機(jī)組滿功率工況穩(wěn)定(核功率為100%FP，平均溫度為310 ℃，壓力為15.5 MPa，主泵轉(zhuǎn)速為1 485 r/min，ΔT為35.2 ℃)，對滿功率工況下的超溫超功率定值分別進(jìn)行分析計(jì)算，結(jié)果見表2。

表2　滿功率工況下定值分析計(jì)算Tab.2　Setpoint analysis and calculation under full power condition

由表2可見，終版參數(shù)的輸出結(jié)果與理論參數(shù)值的符合性較高，且與大亞灣和嶺澳一期的實(shí)際情況一致；而初版參數(shù)的超過率保護(hù)定值輸出結(jié)果相對偏低了近5%FP，在滿功率時(shí)極易觸發(fā)C4信號，若波動再大一些，甚至可能達(dá)到緊急停堆閾值。

假設(shè)機(jī)組工況穩(wěn)定，Tavg≤Tnom(310 ℃)，主泵轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在1 485 r/min，壓力穩(wěn)定在15.5 MPa，對上面三種參數(shù)在不同功率平臺進(jìn)行分析比較。隨著功率從0%升至100%，ΔT超溫保護(hù)定值由220%FP下降至141%FP左右，ΔT超功率保護(hù)定值基本維持不變；超溫保護(hù)的理論計(jì)算參數(shù)、初版參數(shù)和終版參數(shù)的計(jì)算結(jié)果幾乎完全相同(最大偏差不超過0.05%FP)；對超功率保護(hù)而言，理論參數(shù)和終版參數(shù)的計(jì)算結(jié)果一致，維持在108.62%FP左右，而初版參數(shù)給出的計(jì)算結(jié)果則維持在103.80%FP左右。

2　數(shù)據(jù)計(jì)算分析及評價(jià)

2.1方案設(shè)計(jì)

上述理論計(jì)算存在如下假設(shè)：

①一回路溫度、壓力穩(wěn)定；

②主泵轉(zhuǎn)速穩(wěn)定；

③軸向功率偏差很小。

實(shí)際機(jī)組運(yùn)行過程中，上述參數(shù)會存在一定變化，對定值生成產(chǎn)生一定程度的影響。下面利用反應(yīng)堆控制系統(tǒng)(reactor control system,RRC)仿真測試平臺[4-5]，將嶺澳二期3號機(jī)組100%FP平臺甩負(fù)荷至廠用電仿真試驗(yàn)的數(shù)據(jù)作為輸入，采用工業(yè)仿真上廣泛應(yīng)用的Matlab軟件搭建ΔT超溫超功率保護(hù)定值生成邏輯進(jìn)行模擬仿真，分析超溫超功率保護(hù)定值及其保護(hù)裕度的變化趨勢。

以一環(huán)路為例，詳細(xì)邏輯組態(tài)如圖1所示。

圖1　邏輯組態(tài)圖Fig.1　Logical confirguration diagram

2.2保護(hù)誤動分析

先將終版參數(shù)應(yīng)用于上述邏輯組態(tài)，進(jìn)行仿真計(jì)算，分析其輸出結(jié)果。在試驗(yàn)初期，ΔT超溫保護(hù)定值先驟降(最低值為129%FP)，隨后逐漸上升；保護(hù)裕度在整個(gè)過程中的最低值為33.8%FP，與3%FP的甩負(fù)荷閾值C3和0%FP的緊急停堆閾值相比均有較大裕度，反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)不易動作。相比之下，ΔT超功率保護(hù)定值則先從108.6%FP降至最低102.4%FP，再上升至108.6%FP；保護(hù)裕度在試驗(yàn)過程中最低為10.1%FP，距離3%FP的甩負(fù)荷閾值C4還有7%FP的裕度，反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)未觸發(fā)動作，其趨勢如圖2所示。圖2中，SP為設(shè)定值，PM為溫差，OUT為SP與PM之差。三者均為圖1中邏輯計(jì)算的輸出。

為作進(jìn)一步論證，對另外兩個(gè)版本的參數(shù)分別進(jìn)行計(jì)算，并作對比分析。從表1可見，超溫保護(hù)部分的初版參數(shù)和終版參數(shù)相同，故只對理論參數(shù)和終版參數(shù)的數(shù)據(jù)作比較。理論參數(shù)的仿真計(jì)算結(jié)果表明，試驗(yàn)過程中最低裕度降至33.83%FP，整個(gè)過程中與終版參數(shù)的輸出最大偏差不超過0.05%FP，兩組參數(shù)的輸出結(jié)果幾乎完全重合，可見L7參數(shù)第四位小數(shù)之后的部分對計(jì)算結(jié)果的影響是可以忽略的。

圖2　仿真輸出結(jié)果趨勢圖(超功率)Fig.2　The trend of simulation output(O.P.)

在超功率保護(hù)參數(shù)方面，L4、L6、L8存在差別，其中L8的理論參數(shù)和終版參數(shù)相差較小。以終版參數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)，分別與理論參數(shù)和初版參數(shù)進(jìn)行了比較。理論參數(shù)的仿真計(jì)算結(jié)果表明，在試驗(yàn)過程中，保護(hù)裕度最低降至10.07%FP，整個(gè)過程中最大偏差不超過0.02%FP，與最終參數(shù)的輸出幾乎完全相同，故L8參數(shù)第4位小數(shù)之后的部分對計(jì)算結(jié)果也是可以忽略的。

對于L4和L6，其初版參數(shù)和終版參數(shù)相差較大。仿真計(jì)算結(jié)果表明，初版參數(shù)的保護(hù)定值與ΔT的偏差輸出在瞬態(tài)開始后的短時(shí)間內(nèi)降至最低值5.3%FP，而終版參數(shù)的最低值為10.1%FP，距離甩負(fù)荷閾值C4(3%FP)分別為2.3%FP和7.1%FP，如圖3所示。

圖3　終版參數(shù)和初版參數(shù)輸出結(jié)果對比圖(超功率)Fig.3　Comparison of output results using final version parameters and original version parameters (O.P.)

初版參數(shù)已經(jīng)接近保護(hù)動作的邊緣，若疊加堆芯軸向功率偏差、數(shù)字化儀控系統(tǒng)(digital control system,DCS)歷史記錄存儲周期等其他因素的貢獻(xiàn)，在實(shí)際機(jī)組的試驗(yàn)過程中，極可能觸發(fā)甩負(fù)荷(甚至是緊急停堆)保護(hù)誤動作，從而導(dǎo)致試驗(yàn)失敗。

2.3保護(hù)拒動分析研究

正確的保護(hù)邏輯應(yīng)該是既不誤動，也無拒動(即應(yīng)該動作時(shí)不動作)。上述分析說明，采用終版參數(shù)的保護(hù)邏輯不會產(chǎn)生誤動作，那么在需要產(chǎn)生保護(hù)動作時(shí)，過高的保護(hù)定值是否會產(chǎn)生拒動呢？在嶺澳二期3號機(jī)組的所有瞬態(tài)試驗(yàn)過程中，僅100%FP平臺的手動停堆試驗(yàn)，觸發(fā)了ΔT超功率保護(hù)緊急停堆信號。通過分析機(jī)組歷史記錄發(fā)現(xiàn)，由于停堆信號觸發(fā)后，控制棒全部下落，軸向功率偏差顯著增大，使ΔT超功率保護(hù)定值迅速下降；而一回路溫度、壓力、主泵轉(zhuǎn)速的變化相對滯后，致使冷熱管段溫差表征的核功率變化滯后，保護(hù)裕度減小(DCS記錄到的最小值為-2.42%FP)，最終觸發(fā)了緊急停堆保護(hù)動作(由于此時(shí)已有停堆信號，故未造成額外影響)。核查參考電站機(jī)組試驗(yàn)的歷史記錄，在手動停堆試驗(yàn)過程中也觸發(fā)了ΔT超功率保護(hù)停堆動作信號，進(jìn)而驗(yàn)證了終版參數(shù)可保證超溫超功率保護(hù)不發(fā)生拒動。

3　應(yīng)用場景拓展分析

嶺澳核電站二期3號機(jī)組是CPR1000堆型的首臺機(jī)組，相對參考電站，其在國內(nèi)同型號堆型中首次采用了DCS數(shù)字化儀控系統(tǒng)，并在半速汽輪機(jī)、堆芯設(shè)計(jì)調(diào)整等方面進(jìn)行了改進(jìn)，使組態(tài)設(shè)計(jì)和參數(shù)設(shè)置也因此發(fā)生了一定程度的變化[6]。因?yàn)槭着_機(jī)組在設(shè)計(jì)上無法獲取真實(shí)機(jī)組的實(shí)際數(shù)據(jù)，所以無法對組態(tài)參數(shù)進(jìn)行分析論證。新組態(tài)和參數(shù)的首次應(yīng)用存在較高風(fēng)險(xiǎn)，尤其是ΔT超溫超功率保護(hù)邏輯參數(shù)、中子通量變化率高保護(hù)邏輯參數(shù)等。本文介紹的方法非常適用于此類經(jīng)過開環(huán)計(jì)算直接觸發(fā)保護(hù)動作的邏輯組態(tài)及參數(shù)的驗(yàn)證。

新機(jī)組普遍采用了DCS技術(shù)，由此可以獲取更多機(jī)組實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)。若是同型號堆型，可以利用參考機(jī)組的實(shí)際數(shù)據(jù)作為輸入，則仿真計(jì)算的結(jié)果將具有更高的準(zhǔn)確度和可信度。

4　結(jié)束語

本文利用Simulink仿真技術(shù)，對PWR核電機(jī)組反應(yīng)堆保護(hù)邏輯組態(tài)參數(shù)進(jìn)行了分析。該方法利用現(xiàn)場仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對不同的組態(tài)參數(shù)進(jìn)行對比分析，并從第三方角度驗(yàn)證了設(shè)計(jì)參數(shù)的合理性，提前消除了機(jī)組整組啟動的組態(tài)缺陷隱患，可確保相應(yīng)的保護(hù)邏輯功能正常，并有效避免了機(jī)組非預(yù)期停機(jī)停堆及退狀態(tài)事件的發(fā)生。此外，通過分析機(jī)組真實(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，反向驗(yàn)證了仿真分析方法的正確性。該方法對于其他類型核電機(jī)組反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)組態(tài)參數(shù)分析驗(yàn)證也有較高的推廣價(jià)值。

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RationalityAnalysisoftheParametersofΔTOver-temperatureandOver-powerProtectionforPWRNPP

Itisfoundthattheset-pointofthetemperaturedifferential(ΔT)betweencoldandhotsectionsforoverpowerprotectionismuchlower,whichwilleasilytriggerreactorprotection,duringthecommissioningandstartupperiodoflowpoweroperationforunit3ofLingAoNPPPhaseIIproject.BasedonSimulink,theovertemperatureoverpowerprotectionlogicissetup,andtheoutputresultsfromnewandoldparametersprovidedbydesignerareanalyzedandcompared,andreasonableevaluationisconductedfromperspectiveofthethirdparty.Thesimulationresultsandrealtestdataoftheunitprovethatthecalculationandanalysisofthemethodiscorrectandreliable,andthesecurityrisksduringfirststart-upandoperationoftheunitcanbeeffectivelyreduced.

HeatpipesectiontemperaturedifferenceOver-temperatureOver-powerSimulationNuclearpowerplantProtectionsystemSimulinkParameteranalysisMaloperationanalysis

李賢民(1983—)，男，2006年畢業(yè)于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)計(jì)算機(jī)及應(yīng)用專業(yè)，獲學(xué)士學(xué)位，工程師；主要從事反應(yīng)堆控制系統(tǒng)瞬態(tài)及儀控專項(xiàng)聯(lián)調(diào)試驗(yàn)方向的研究。

TH86；TP206

A< class="emphasis_italic">DOI

:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201610019

修改稿收到日期：2016-04-22。