淺析壓水堆核電站R棒在自動控制模式下頻繁動作原因

陳泊鋼

摘 要 日常運行期間，壓水堆核電站R棒在自動模式下頻繁動作，造成一回路溫度擾動，功率波動。本文從R棒控制原理方面分析了一下壓水堆核電站R棒頻繁擾動的原因。

關鍵詞 R棒;溫度;擾動

中圖分類號： TM623 文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.02.028

1 縮略語

RGL：棒控和棒位系統? ? ? ? ? ? ? ?RPN：核儀表系統

RCP：一回路冷卻劑系統? ? ? ? ? ?GRE：汽輪機調節系統

GD：函數發生器

2 概述

R棒在自動模式下頻繁動作在壓水堆核電站中是普遍存在的現象，選取了國內兩個電站的機組運行信息進行了統計分析，在自動模式下，電廠A和電廠B一號機組一天內R棒擾動數據進行統計。一臺機組一天內R棒的動作次數大概在15～19步之間，而根據壓水堆反應堆溫度控制要求，在機組穩定功率運行期間，應該維持在一個平衡位置，如此頻繁的動作會造成堆芯擾動，不利于反應堆溫度和反應性控制。究竟是何種原因導致R棒在自動模式下頻繁動作，本文將針對此問題進行詳細地剖析。

3 R棒控制原理

平均溫度控制系統通過測量一回路平均溫度，與平均溫度整定值比較后，經調節器產生調節信號，驅動R棒組，改變反應堆的反應性，從而維持一、二回路功率的匹配，使一回路平均溫度等于其整定值。平均溫度測量值Tavg為由三個環路中選出的平均溫度最大值，平均溫度整定值Tref由二回路功率P2經過濾波處理，再經函數發生器RGL401GD產生。二回路功率是由汽機負荷和最終功率整定值中選擇的最大值。加法器RGL406ZO產生功率失配信號P1-P2。一回路功率P1是由四個功率量程核儀表測得的核功率中的最大值。功率失配變化率由微分環節RGL401DR產生，乘以函數發生器RGL403GD產生的K1和函數發生器RGL402GD產生的K2，經由選擇開關接入加法器RGL405ZO。加法器RGL405ZO產生偏差信號E，經閾值繼電器產生提棒或插棒信號。當偏差為正時說明平均溫度偏低。偏差增加到0.83℃時，R棒開始提升;當偏差降到0.56℃時，R棒停止提升。相反地，偏差為負時，說明平均溫度偏高，R棒下插。（-0.56℃，0.56℃）的偏差范圍稱為死區。（-0.56℃，-0.83℃）及（0.56℃，0.83℃）的偏差范圍稱為回環。死區和回環有助于防止控制棒的頻繁移動。棒速和棒向信號均輸出至R棒邏輯電路，產生移棒脈沖，再傳給R棒驅動機構電源設備，后者產生R棒移動的時序電流信號，移動R棒束，使平均溫度為整定值。

4 仿真試驗

根據控制原理分析，產生溫度偏差信號的來源為：一回路最大平均溫度（RGL403KM）、最終功率整定值（RGL505KM）、最大平均核功率（RGL503KM）。三個變量都實時發生變化，最終通過一系列的計算環節生成溫度偏差，該溫度偏差信號（RGL405KM）經過比較器產生R棒提升和下插信號。為了分析何種原因導致R棒動作，現使用Simulink對上述控制邏輯進行仿真，如圖1所示。

根據87%FP平臺的RGL403KM、RGL505KM、RGL503KM數據對RGL405KM進行仿真，仿真步長為50ms，與RPCC運算周期相同。選取參數如下;RGL403KM306.8（306.8），RGL505KM（85.4），RGL503KM（86.2），RGL405KM（0.5），進行仿真后，RGL405KM最后穩定在0.484。

并且通過改變單個輸入量，改變幅度為±0.05，觀察RGL405KM的響應情況。

4.1 變化RGL403KM

保持RGL505KM、RGL503KM不變，RGL403KM從306.8增加到306.85系統的響應結果：在地1000秒時刻，RGL403KM從306.8階躍增加到306.85，RGL405KM從穩定的0.48逐步下降，最小到達0.21，最大變化幅度約0.3左右。

保持RGL505KM、RGL503KM不變，RGL403KM從306.8減到306.75系統的響應結果：在地1000秒時刻，RGL403KM從306.8階躍下降到306.85，RGl405KM從穩定的0.48逐步增加，最大到達0.76，最大變化幅度約0.3左右。

通過查詢KIC數據可以錯略證明，在其他輸入不發生變化的時候，平均溫度從307.0減小約0.1到306.9，則RGL405KM增加約0.5左右。

4.2 變化RGL505KM

保持RGL403KM、RGL503KM不變，RGL505KM從85.4增加到85.45系統的響應結果：在地1000秒時刻，RGL505KM從85.4階躍增加到85.45，RGl405KM從穩定的0.48先下降，最小到達0.473，后又上升最后穩定在0.493。

先下降是由于微分環節的作用引起的，最后微分作用逐步消失RGl405KM緩慢上升并最終穩定，微分引起的貢獻相對較小且時間較短。

通過查詢KIC數據可以粗略證明，在其他輸入不變的情況下RGL405KM值上升幅度較小。

保持RGL403KM、RGL503KM不變，RGL505KM從85.4增加到85.45系統的響應結果：RGL405KM最大值達到0.497，增加幅值較小。

4.3 變化RGL503KM

保持RGL403KM、RGL505KM不變，RGL503KM從86.2增加到86.25系統的響應結果：在地1000秒時刻，RGL503KM從86.2階躍增加到85.25，RGl405KM從穩定瞬間增加，最后仍然穩定在原來的數值上。最大幅值到達0.498，增加的幅值較小。

通過查詢KIC數據可以粗略證明，在其他輸入不變的情況下RGL405KM值上升幅度較小。

4.4 RGL403KM、RGL505KM、RGL503KM同時變化

使用隨機信號發生模塊分別按照下表隨機發生信號，測得的響應曲線結果，通過比較信號的幅值即可判斷出RGL403KM的變化對RGL405KM的影響最大。

經過現場信息的查詢，確定安全級控制平臺沒有問題，R棒的波動是對信號的正確的響應，通過仿真及KIC數據的分析進一步確定：導致R棒波動的最主要因素為一回路平均溫度最大值的波動。

5 一回路平均溫度最大值的波動原因分析

5.1 一回路溫度測量探頭的準確性

一回路溫度測量探頭是WEED廠家生產的SP615S-1B，與其他電站使用的探頭是一個廠家，并且型號一樣。KIC數據顯示各環路上參與控制、保護的冷管段溫度探頭測得溫度趨勢是一致的;各環路上參與控制、保護的熱管段溫度探頭測得溫度趨勢也是一致的。這表明，溫度測量探頭本體可靠，一回路平均溫度最大值波動與溫度探頭無關。

5.2 一回路溫度控制邏輯方面

R棒控制由e與閾值繼電器作比較來決定，控制關系如下：

e=Tref-Tavg-K1*K2*d（p1-p2）/dt

通過統計機組正常運行期間一回路最大平均溫度（RGL403KM）、參考溫度（RGL404KM）、溫度偏差（RGL405KM，包含超前反饋）、一回路熱功率（RCP932KM）、核功率（RPN900KM）的歷史數據，經分析知，堆芯真實功率基本穩定、△I走勢平穩（△I對核功率顯示有影響），核功率與熱功率顯示精度一致，參考溫度Tref與平均溫度Tavg顯示精度一致，因此可以得出如下結論：

二回路高壓缸一級進汽壓力整定的參考溫度未出現明顯波動，穩定性很好。

一回路冷卻劑溫度實測值波動明顯。

一回路冷卻劑平均溫度與核功率變化趨勢一致，且都與溫度偏差e（RGL405KM）呈相反趨勢。

綜合以上三點，可以確定致使e發生波動的原因主要在于平均溫度與核功率貢獻，而核功率顯示在微小瞬態變化時受制于平均溫度，歸根結底也取決于平均溫度。因此，造成目前R棒擾動的原因主要在于一回路主冷卻劑溫度真實波動。

一回路冷卻劑平均溫度波動主要由熱腿溫度與冷腿溫度波動貢獻。熱腿溫度是否均勻主要由冷卻劑攪渾效果決定，在一回路結構和流量不變的情況下，攪渾效果又主要取決于堆芯徑向功率分布，若堆芯功率在徑向上的分布不均勻程度大，那么在堆芯上腔室冷卻劑得不到充分攪渾，從而在熱腿端表現出溫度分層，均勻性不好。

冷腿端主冷卻劑已經過主泵的充分攪渾，基本不存在溫度層化現象，其波動主要受高壓缸進汽閥開度影響。

通過搜集機組正常運行期間高壓缸進汽閥開度（GRE017MM）、一回路冷卻劑最大平均溫度（RGL403KM）、一環路冷熱腿溫度（RCP035/032MT）數據，經過分析得出如下結論：

（1）RCP032MT與RCP035MT溫度趨勢變化一致。

（2）RCP032MT與RCP035MT的溫度與一回路主冷卻劑變化趨勢一致。

（3）閥門開度與一回路冷卻劑評價溫度變化呈相反趨勢。

綜合以上三點，可以判斷造成一回路冷卻劑溫度波動的主要原因在于高壓缸進汽閥開度波動，但不排除目前堆芯徑向功率分布對冷卻劑溫度波動所造成的影響，但從熱腿溫度波動隨閥門開度波動趨勢來看，這種影響很小，而且這種影響會隨著燃耗增加、功率分布展平而減小。

6 結論

壓水堆核電站R棒在自動模式下頻繁動作的直接原因為一回路冷卻劑溫度波動所致，而致使溫度發生波動的原因又主要在于二回路的影響或堆芯燃料裝載方案導致功率徑向功率不均導致。

參考文獻

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