基于MSHIM控制模式的核電廠負荷跟蹤物理特性分析

尹志濤　嚴峰鶴

【摘 要】本文簡要對基于MSHIM運行控制模式下負荷跟蹤運行過程的堆芯物理特性進行分析，總結出核電廠編制負荷跟蹤運行反應性管理計劃的策略與建議，保證堆芯安全和負荷跟蹤的順利實施。

【關鍵詞】核電廠；MSHIM；負荷跟蹤

中圖分類號： TM623 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）36-0020-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.36.009

Analysis of Physical Characteristics of Nuclear Power Plant Load Tracking Based on MSHIM Control Mode

YIN Zhi-tao1 YAN Feng-he2

（1.China Nuclear Liaoning Nuclear Power Co.， Ltd， Xingcheng Liaoning， 125112， China；

2.Nuclear and Radiation Safety Center， Ministry of Environmental Protection， Beijing 100082， China）

【Abstract】This paper briefly analyzes the core physical characteristics of the load tracking operation process based on the MSHIM operation control mode， and summarizes the strategies and recommendations for the nuclear power plant to prepare the load tracking operation reactive management plan to ensure the safe implementation of core safety and load tracking.

【Key words】Nuclear power plant； MSHIM； Load tracking

0 引言

核電廠在基負荷模式下運行具有最大的經濟效益，并且在反應堆控制上也易于實現。但是隨著核電市場份額的逐漸增大，以及風能、光伏等間歇性供電能源的并網，核電廠被要求更多的參與電網調峰，這對核電廠的運行控制方式以及負荷跟蹤運行能力提出了要求。

機械補償控制策略（MSHIM），通過先進電廠控制系統可以執行多種類型的負荷跟蹤模式。負荷跟蹤運行期間由于功率變化及氙毒影響，同時控制棒較深的插入堆芯，將導致堆芯功率峰因子安全裕量降低。因此負荷跟蹤運行過程中物理特性的分析，對物理人員制定反應性管理計劃具有重大意義，保證堆芯安全和負荷跟蹤運行的順利完成。

1 MSHIM控制模式

核電廠功率的改變將引起燃料和慢化劑溫度、氙濃度和氙分布，以及軸向功率分布的改變。核電廠應采用合理的運行控制模式補償堆芯反應性的變化，控制堆芯軸向功率分布在合理的范圍之內。目前核電廠運行控制模式主要包括：A模式、G模式和MSHIM（機械補償控制）模式。MSHIM（機械補償）模式是美國第三代核電廠的控制模式。它以常軸向偏移控制方式為基礎，采用兩種功能獨立的控制棒組（M棒組和AO棒組）分別進行堆芯反應性和軸向功率偏移的控制。M棒組采用價值相對較低的灰棒進行堆芯反應性控制，AO棒組采用價值相對較高的黑棒進行堆芯軸向功率部分的控制。核電廠在負荷跟蹤運行模式下，灰控制棒組依照一定策略較為精確地控制堆芯慢化劑平均溫度，快速補償因燃料溫度、慢化劑溫度和氙變化等因素引起的反應性變化。AO棒組自動控制功率變化過程中堆芯軸向通量偏差在所要求的帶寬內。在負荷跟蹤運行中，MSHIM模式依靠控制棒進行堆芯功率水平和軸向功率分布的自動精確控制，不需要或者很少進行堆芯硼濃度的調節，極大地減輕了操縱員的負擔。

在標準的基于MSHIM運行的核電廠中，堆芯中共有69個控制棒束組件，根據這69個控制棒束組件執行的功能，將其分為AO、M和SD共3個控制棒組。用于調整堆芯軸向的功率分布的軸向偏移控制棒組為AO棒組，共9個控制棒束。用于補償因溫度、功率或者氙毒變化引起的反應性變化的冷卻劑溫度反應性控制棒組為M棒組，共28個控制棒束，其中棒組MA、MB、MC、MD各4個，黑棒組M1和M2分別為4個和8個。停堆棒組SD棒組，共32個控制棒束，其中SD1、SD2、SD3、SD4各8個。堆芯中控制棒布置見圖1。

2 負荷跟蹤運行分析

2.1 物理特性分析

負荷跟蹤運行降功率時，M棒將會下插以進行一回路平均溫度的控制。功率降低將導致堆芯軸向偏差（AFD）向正方向偏移，為保持堆芯AFD在TAFD的調節帶內，AO棒也將逐步下插。AO棒的下插同時也會引入負反應性，進一步降低一回路平均溫度。如果堆芯功率降低速率較慢（小于0.5%/min），堆芯中氙含量將持續增加，可能會出現堆芯降功率的同時M棒組在逐步提升的現象。

當堆芯功率降到目標功率之后，氙含量將會慢慢達到峰值，M棒組將一直上提，以補償氙毒積累引入的負反應性。M棒組的棒位會比負荷跟蹤開始時的棒位要高。此時應關注M棒組棒位，應在其達到提升限（先導棒150步）之前，對硼濃度進行稀釋。

在升功率至滿功率過程中，M棒組將逐步提出堆芯，升功率將導致堆芯軸向偏差向負方向偏移，AO棒組需逐步提出堆芯以保持AFD在TAFD的調節帶內。如果堆芯功率提升速率比較慢（小于0.5%/min），氙的消耗效應可能會導致堆芯升功率的同時，M棒組在逐步插入堆芯。在穩定滿功率階段堆芯氙濃度達到最小值，M棒組達到最低棒位。功率上升引入的負的軸向通量偏差以及M棒組插入過深，可能會導致AO棒組全提，而失去對堆芯AFD的控制能力。在返回滿功率以后，AO棒通常會慢慢達到最高的位置。

在整個負荷跟蹤過程中，M棒組移動范圍較大，AO棒同時也會達到較高位置而有可能提出堆芯，因此在負荷跟蹤前M棒組的初始棒位和TAFD的重新設定就顯得尤為重要。

2.2 TAFD的設定

如上所述，當恢復至滿功率后，可能導致AO棒組全提而失去堆芯AFD的控制能力。因此，應采取相應的措施來防止AO棒組全提。主要有兩種方式：

（1）調硼。當恢復至滿功率時，通過硼化來防止M棒組過深插入堆芯，避免AO棒組的全提。

（2）調整TAFD整定值。在負荷跟蹤開始前，可將PLS中TAFD整定值調整為更負的值。AO棒控制更負的TAFD時，將更多的插入堆芯，以此避免AO棒的全提。AP1000允許在進行負荷改變或負荷跟蹤期間，進行TAFD值的重新設定。新的TAFD值是根據參考棒位利用堆芯計算軟件計算的，其值比基負荷下TAFD的值偏倚約-3%到-5%。調整成新的TAFD值后可在整個過程中實現AO棒對AFD的控制能力。

2.3 M棒的最佳初始棒位

相對于基荷運行，負荷跟蹤時控制棒的移動頻率和移動幅度會大幅增加。為避免負荷跟蹤時M棒組頻繁達到或接近提出限或插入限，需設定M棒組的初始棒位。該棒位的設定應確保M棒組在負荷跟蹤過程中具備足夠的堆芯功率控制能力。

初始棒位的設定應滿足在氙濃度達到峰值時，M棒組棒位應確保距離提升限（150步）有足夠的裕量。同時應確保M棒組在升功率后氙濃度達到最小時不會達到插入限。在實際負荷跟蹤運行過程中，M棒組若接近其插入限或提出限時需進行調硼。

負荷跟蹤過程中，M棒組的移動與功率變化速率、功率虧損、氙價值等因素有關，沒有單一的初始棒位能夠滿足所有類型的負荷跟蹤瞬態。因此對于特定的負荷跟蹤，需通過BEACON系統進行堆芯計算，得出M棒組的最佳初始棒位。

2.4 功率峰因子

負荷跟蹤運行過程中功率變化、氙毒及控制棒較深的插入堆芯等影響，會導致功率峰因子增加，使其安全裕量變小。因此在負荷跟蹤運行中需時刻關注PLHR、DNBR和FΔh3個值的功率裕量，防止其超出限值。表示方便本文中用MPM（Minimum Power Margin）來表示PLHR、DNBR和FΔh三個參數中功率裕量的最小值。只要保證MPM的功率大于0，便可保證堆芯的安全。

綜上所述，負荷跟蹤反應性管理策略的制定應充分考慮負荷跟蹤開始前的初始棒位和TAFD值。在負荷跟蹤運行過程中，應時刻注意M棒組棒位、AO棒組棒位及堆芯安全參數MPM等。

3 總結

基于MSHIM運行控制模式是一種先進的控制模式，通過反應堆控制系統維持反應堆正常運行，同時可保證核電廠具有良好的負荷跟蹤運行性能，反應堆工程師在進行負荷跟蹤運行反應性管理策略制定時，需詳細分析堆芯物理行為，綜合考慮本文中提到的各種因素和限值影響，以保證堆芯安全和負荷跟蹤運行的順利實施。

【參考文獻】

[1]葉青，楊波，湯春桃，黨哈雷，等.負荷跟蹤機械補償運行策略研究[J].核科學與工程，2016年8月：Vol.34，No.4（459-464）.