CPR1000機組溫度調節控制棒頻繁動作的原因分析①

李國仁 曹廣玉 袁瀟 李昕潔 丁兆建

(廣西防城港核電站 廣西防城港 53800)

中國改進型三環路壓水堆（CPR1000）機組是我國目前在運壓水堆最多的一種堆型。該機組從商運開始會逐步從年度換料過渡到18個月換料。目的是為了增加循環長度，減少大修次數，增加經濟效益。由于增加了循環長度，相比于年度換料，反應堆堆芯徑向功率分布不均勻會增加，造成堆芯出口冷卻劑溫度不均勻增加，反應堆冷熱段溫度波動增加。最終，導致用于調節反應堆冷卻劑平均溫度的控制棒會出現頻繁動作（頻率動作大約在1000次/d）。

反應堆冷卻劑溫度調節控制棒頻繁波動對反應堆運行的影響主要有以下幾點：(1)控制棒控制鉤爪及控制棒驅動桿磨損增加；(2)控制棒頻繁波動會導致棒控系統（RGL）動力機柜失效概率增大；(3)控制棒滑步及落棒風險加大；(4)增加反應堆控制難度，壽期末溫度調節控制棒擾動容易產生氙震蕩（由于氙135核密度空間分布和中子注量率空間分布的時間特性之間的耦合）。同時，溫度調節控制棒頻繁波動對機組的控制也會造成影響，會嚴重危險到反應堆的安全。

1 工作原理

反應堆冷卻劑溫度調節棒組的調節系統是一個閉環調節系統，主要控制溫度調節棒維持冷卻劑平均溫度在參考定值附近。平均溫度偏差信號由實測平均溫度、參考平均溫度和功率偏差信號之間的差值產生。實測平均溫度是反應堆冷卻系統（RCP）3個環路平均溫度的最大值。該實測平均溫度通過補償電路進行校正。包括濾除噪音干擾和超前滯后濾波環節來對平均溫度的變化進行動態響應；參考平均溫度是根據汽機一級進汽壓力和最終功率整定值之間的最大值通過函數發生器產生的。平均溫度測量值是由3個環路中選出的平均溫度最大值，經由放大器、濾波器和超前滯后濾波器作了電氣處理后接入加法器405ZO。極性的選擇原則是增加時使執行機構向正方向運動的極性為正。設溫度調節棒提升為正，插入為負，溫度調節棒動作就是溫差加法器輸出的溫差超出±0.83℃，平均溫度超出±0.83℃時應插入溫度調節棒，故取極性為負，主要由XUI407、XUI408來控制。GD404模塊使用來控制溫度調節棒的棒移動速度。如圖1所示。

2 原因分析及排查

2.1 平均溫度對比分析

從圖1冷卻劑平均溫度控制原理分析，溫度調節棒動作就是溫差加法器輸出的溫差超出±0.83℃。調取歷史數據，可知溫度調節棒動作時，加法器輸出信號都超出0.83℃，且波動與平均溫度波動基本一致。

通過建模計算（如表1），對比機組前3個循環的溫度控制棒波動情況和各因素對加法器輸出的影響，參考溫度與開環前饋功率偏差對溫差信號的貢獻占比很小，所以，溫度調節棒動作主要是由于一回路冷卻劑平均溫度波動引起。

圖1 溫度調節棒控制系統流程圖

圖2 前一循環3個環路熱腿溫度波動情況

圖3 本循環3個環路熱腿溫度波動情況

一回路冷卻劑平均溫度主要是由反應堆三個環路的冷熱腿溫度決定。通過對反應堆本循環（年度換料）3個環路的冷熱腿溫度進行比較，發現與前二個循環相比，3個環路的冷熱腿溫度的波動幅度明顯增加。

對熱腿、冷腿溫度波動的幅度進行具體分析，本循環較前一循環熱腿段及平均溫度波動幅度明顯增大，冷腿段波動幅度變化不明顯，熱腿段波動幅度明顯高于冷腿段。如圖2、3、4、5所示，反應堆本循環3個環路冷熱腿溫度波動幅度都明顯高于過渡循環，尤其是熱腿溫度波動對平均溫度影響較大。所以進一步推斷引起一回路平均溫度波動的主要原因是環路中熱腿溫度波動所導致。同時未經函數發生器的冷熱腿溫度大小順序為：2環路（LOOP 2）＞1環路（LOOP 1）＞3環路（LOOP 3）。

圖4 3個環路溫度保護探頭熱段溫度波動情況

圖5 3個環路溫度控制探頭熱段溫度波動情況

2.2 熱段溫度波動原因分析

反應堆在實施18個月換料后均出現溫度調節控制頻繁動作的現象。由于從前一循環開始采用低泄漏燃料管理模式，堆芯徑向功率分布不均勻度增大及堆芯上腔室攪混不充分，導致熱管段冷卻劑流動層化現象加劇，進而引起熱管段溫度波動增大。

利用反應堆各循環首次滿功率后全堆芯通量圖數據，分析堆芯功率離散度（157組組件功率相對于堆芯平均功率的標準偏差），統計結果如表2所示。

從表2對比可以看出，首循環經過過渡循環直到18個月換料平衡循環（本循環），反應堆堆芯功率離散度逐漸增加，溫度調節控制棒擾動次數也隨之增加。

18個月換料實施低泄漏裝載后，堆芯功率離散度增加，造成反應堆堆芯功率分布不均勻性增加及堆芯出口冷卻劑溫度分布不均勻增加，經過上腔室攪混不充分，最終反映為反應堆冷卻劑熱段溫度波動增加，溫度調節控制棒擾動次數增加。

2.3 溫度探頭的原因分析

反應堆冷卻劑溫度測量探頭共有18支窄量程溫度測量探頭，每個環路冷、熱段各有3支探頭，分別參與保護、備用、控制。參與保護和控制探頭信號分別送往反應堆控制棒系統。

圖6 不同功率平臺溫度調節棒的波動情況

圖7 環路試驗后差異分析情況

表1 反應堆前2個循環各參數影響分析

反應堆冷卻劑溫度測量分別位于每個環路的熱段和冷段，為了區分探頭所測的數據為環路真實溫度，故設置了溫度保護探頭和溫度控制探頭來監測。當三個環路的溫度保護探頭和溫度控制探頭對應的熱段和冷段變化趨勢不同時，可預知溫度波動可能是探頭自身設備的問題引起波動。

如圖4、5比對，3個環路熱段和冷段的保護與控制探頭溫度曲線波動一致，可排除自身設備問題引起的波動。

2.4 GRE閥門波動的影響分析

在滿功率下，反應堆供給汽機調節系統（GRE）的蒸汽量由高壓調節閥門控制，其開度約50%左右，閥門開度波動范圍在3%左右。閥門的波動對主蒸汽調節系統（VVP）的流量有一定的影響，進而影響一回路冷熱腿溫度變化。根據不同的功率平臺，GRE閥門的波動結果來分析，功率降低，GRE閥門波動變小，平均溫度波動變小，溫度調節棒次數明顯減少。如圖6所示。

2.5 小結

綜上所述，一回路平均溫度波動原因分析，見表3所示。

3 解決方案

3.1 執行RCP63試驗

在分析出反應堆冷卻劑熱段溫度波動增加是RGL溫度調節控制棒擾動次數增加的主要原因后，通過執行一回路溫度傳感交叉比較試驗（RCP63試驗），對溫度傳感器進行交叉比較，重新修正了函數發生器的參數，避免探頭的誤差對環路的偏差造成影響。如圖7所示，在實施完RCP63試驗后，環路的差異減小，一環路（LOOP1）平均溫度降低，二環路（LOOP2）平均溫度升高，大選環路由一環路變為二環路，由于二環路波動較一環路小，溫度調節控制棒動作次數由此前的1000次/d縮減為100次/d。

表2 堆芯功率離散度分析

表3 綜合原因分析

RCP63試驗僅僅修改下游增益函數，對冷熱管段溫度的波動不會改變，但因平均溫度的大選信號從一環路切換至二環路，二環路平均溫度波動幅度比一環路小，從而導致RGL溫度調節棒調節次數減小。

3.2 優化RGL濾波及超前滯后參數

溫度調節棒頻繁波動是由于一回路平均溫度波動引起。一回路平均溫度信號經過一階濾波環節T5和超前、滯后環節T3/T4處理后，參與溫度調節棒控制。一階濾波環節改變系統響應時間，且T5越大，響應時間越長，濾波環節改變系統的動態特性，不影響系統穩定性；對于超前滯后環節，T3越大（T4不變），超調越大，但是響應時間越短，T4越大（T3不變），超調越小，響應時間越長，T3/T4相同時，T4（或T3）越大，超調相同，但響應時間越長，超前滯后環節改變系統的動態特性，不影響系統穩定性，所以T3/T4/T5時間常數均對調節系統的動態特性有影響，關鍵是找到合適的數值。通過分析減小平均溫度波動峰值可降低R棒控制的動作次數，可通過優化相關參數達到，包括優化平均溫度測量通道濾波時間常數T5，超前、滯后環節參數T3/T4，降低冷卻劑系統溫度振蕩的幅度和頻率。

4 結語

根據多基地經驗反饋，多數CPR1000機組在實施18個月換料后均出現溫度調節控制棒頻繁動作的現象。由于采用低泄漏燃料管理模式，堆芯徑向功率分布不均勻度增大，加上堆芯上腔室攪混不充分，導致熱管段冷卻劑流動層化現象加劇，進而引起平均溫度波動增大。經過平均溫度控制系統超前-滯后單元處理后，使得此波動被進一步放大，加法器輸出超出了死區范圍，引起溫度調節控制棒頻繁動作現象。同時，堆芯燃料組件徑向功率分布變化引起熱段溫度偏移，進而導致平均溫度大選信號控制邏輯切換，如果疊加切換環路出口溫度波動大，則會出現溫度調節控制棒動作次數增加的現象。

實際現場可通過實施平均溫度控制參數優化改造解決溫度調節控制棒頻繁動作。目前通用做法是通過優化RGL系統中平均溫度大選信號后的濾波及超前滯后參數。改造后溫度調節控制棒動作頻次大幅降低，波動小于10次/d。