CPR1000 核電廠汽輪機旁路排放系統控制模式優化研究

周洺稼，張 薇，王 凱，朱建敏，胡友森

（中廣核研究院有限公司，廣東 深圳 518031）

核電廠受堆芯特性的限制，反應堆功率不能總是隨著氣輪機負荷快速地變化。氣輪機旁排系統可作為一個“人工負荷”，通過向冷凝器排放蒸汽的方式平衡核電廠一、二回路間功率不平衡的問題。

CPR1000 核電廠在高功率運行期間，主要使用GCT 溫度控制模式（T 模式）應對甩負荷到廠用電、氣輪機跳閘等大幅、快速變化的瞬態[1]。因為在高功率下的蒸汽發生器（SG）動態特性相對較差，另一方面冷卻劑平均溫度對蒸汽流量的響應快，故使用T 模式；在低功率下SG 動態特性得到改善且冷卻劑平均溫度對蒸汽流量的響應變慢，使用壓力控制模式（P模式）不會有延遲。

在國內的在運核電廠中，“華龍一號”、AP1000 和CPR1000 類似，GCT 在高功率下使用T 模式，低功率下使用P 模式；而VVER 和EPR則在全功率范圍內都使用P 模式[2-4]。因此，從簡化控制邏輯復雜性和提高運行安全可靠性角度出發，有必要簡化GCT 控制策略，研究CPR1000 機組GCT采用單一控制模式的理論可行性。本文通過使用數值模擬的時域方法對CPR1000 核電廠GCT 的控制模式進行研究分析，探討GCT 在高功率下使用P 模式的可能性。

1 系統建模和模型選擇

使用由中廣核研究院有限公司自主研發的非破口類（Non LOCA）熱工水力系統分析程序GINKGO 對 CPR1000 的核蒸汽供應系統（NSSS）以及控制系統進行了建模，GINKGO程序具有完全自主知識產權，并經過模型測試和驗證，采用點堆模型、單相流模型以及兩相流平衡態和/或非平衡態模型、控制系統模型等模擬壓水堆的正常運行瞬態過程，具有準確模擬NSSS、堆芯保護與反應堆控制系統等熱工水力現象和控制特性能力[5]。

1.1 熱工水力建模

NSSS 模型主要包括：反應堆堆芯、壓力容器、主泵、穩壓器、一回路管道（包括上充和下泄）、SG、主蒸汽管道、氣輪機旁排閥（GCT配置了總共4 組閥門，排放容量為額定蒸汽流量的85%左右，控制閥通常具有調制和快速兩種開啟方式[1]）等。

一回路冷卻劑從堆芯帶出熱量，流出壓力容器經熱管段進入SG，充分換熱后回到冷管段由主泵帶入堆芯；給水在SG 中被加熱為飽和蒸汽匯集于主蒸汽母管，再流入氣輪機或由GCT 進入冷凝器，其中氣輪機和冷凝器設置為邊界條件。具體的建模節點如圖 1所示。

1.2 反應堆控制系統建模

反應堆控制系統模型主要包括：堆芯功率與平均溫度控制、穩壓器壓力與水位控制、SG水位控制以及GCT 控制系統，其能夠應對核電廠基本的運行瞬態，而不發生緊急停堆事件。

為了測試和研究GCT 兩種控制模式在較寬功率范圍內的控制特性，需要篩選包絡事件工況進行研究（如額定滿功率工況下甩負荷至廠用電），為了模擬變負荷過程中復雜的熱工水力現象和控制過程特性，需要考慮上述控制系統模型。由于本文研究重點為GCT 控制系統，因此僅對GCT 控制系統中采用的兩種控制模式進行控制原理分析，其余控制系統模型（堆芯功率與平均溫度控制、穩壓器壓力與水位控制、SG 水位控制）詳見文獻[6]。

基于問題研究和分析需要，根據GINKGO程序建模方法，在GINKGO 程序中建立了上述各個控制系統的模型。

以下對GCT 兩種控制策略和控制性能進行研究。

2 GCT 控制策略分析

2.1 T 模式控制策略

T 模式的控制原理是：從滿功率至零功率，反應堆冷卻劑平均溫度線性降低；在氣輪機負荷突降的瞬態中，冷卻劑實測平均溫度與通過氣輪機負荷表征的冷卻劑參考平均溫度存在偏差（相對于反應堆功率，氣輪機負荷變化速度更快），其反映了一、二回路功率的失配程度，即T 模式利用實測與參考平均溫度的偏差進行控制。

T 模式控制過程如圖2 所示。首先根據氣輪機負荷或最終功率整定值計算出參考平均溫度，然后與處理后的一回路冷卻劑平均溫度求差值。此外，設置有平均溫度偏差的補償程序以匹配氣輪機負荷與核功率的偏差。如果平均溫度偏離較小，則使用堆芯平均溫度控制系統進行控制；如果偏離較大，特定的閥門開度程序會計算出閥門開度，通過開啟GCT 排放閥協助堆芯降溫，從而避免發生緊急停堆事件。

2.2 P 模式控制策略

P 模式控制過程如圖3 所示，使用核功率或最終功率整定值計算出蒸汽母管的壓力整定值，然后與處理后的蒸汽母管壓力求差值，壓力偏差經過一個根據反應堆功率水平調節壓力變化響應程度的處理程序（提升高功率下的響應速度），再進入PI 控制器計算出閥門開度。

P 模式根據壓力偏差對蒸汽母管壓力進行閉環控制，不會與堆芯平均溫度控制系統產生耦合效應，避免了由于控制系統整定值設計不合理使一回路平均溫度在瞬態結束后發生持續振蕩，而導致的控制系統失效。

3 控制性能分析

通過滿功率下甩負荷到廠用電的定容工況（需應對的最惡劣的高功率工況），對T、P 模式控制性能進行了模擬計算和對比分析，評價標準主要是超溫停堆裕量，其次是主要參數的超調量和穩定時間。

3.1 控制性能對比

首先，NSSS 系統在滿功率額定工況運行50 s，50 s 后觸發甩負荷瞬態過程，相關參數的模擬計算曲線如圖4～圖8 所示，為便于比較，對數據結果進行了歸一化處理。

在瞬態開始時，氣輪機進汽閥的快速關閉導致進汽量快速減小，蒸汽母管壓力升高，二回路帶熱能力變弱，導致一回路冷卻劑平均溫度升高；此外，電網斷路器打開后，主泵由廠用電帶電，氣輪機超速使主泵流量小幅升高而導致核功率升高，冷卻劑平均溫度隨之上升。

本文水、氣體滲透實驗的理論依據為Darcy定律。采用圖4所示水(氣體)滲透試驗裝置，利用穩定滲流法測定混凝土試件的水(氣體)滲透系數[17-18]。

在甩負荷至廠用電過程中，反應堆堆芯產生的熱量由GCT 排放至冷凝器，隨著反應堆功率的降低，GCT 排放閥門的開度逐漸減小，直至穩定在新的狀態按照預期控制規律與NSSS系統熱功率相匹配。T 模式和P 模式兩種控制模式均可以滿足GCT 控制系統目標，但在控制系統超調量、響應速度、阻尼、調節時間等存在差異，整體來看，P 模式的響應速度更快、超調量相對小、調節時間相對較短、控制系統穩定性較好。

熱工流體系統中，壓力的響應、傳播和測量響應速度要遠遠高于溫度，蒸汽母管壓力是氣輪機進汽量變化的直接反饋，而冷卻劑平均溫度是間接反饋，旁排閥在P 模式下54 s全開，而在T 模式下62 s 才全開。由于上述差異，相對于T 模式，P 模式下最小超溫ΔT裕量大 32%。瞬態進程中，盡管主要參數的超調量基本相當，但很明顯，P 模式下系統穩定時間更短，其差異主要是由于T 模式下GCT控制與冷卻劑平均溫度控制存在一定耦合效應，溫度反饋相對滯后于壓力響應。瞬態結束后，兩種控制模式下，機組基本都能夠穩定在目標狀態。

上述結果說明，T 模式和P 模式均能應對定容工況，滿足評價標準。相對而言，P 模式的控制性能更好。

3.2 進一步優化研究

基于3.1 節的結論，GCT 有減少旁排閥數量的空間。使用定容工況，分別對P 模式且減少閥門排放容量到60%額定蒸汽容量，與T 模式85%額定蒸汽容量的控制性能進行了模擬分析，計算結果如圖9～圖10 所示。

結果說明，采用 P 模式且閥門容量減小15%之后，瞬態中ΔT裕量仍然與T 模式相當。故可說明：在高功率下GCT 采用P 模式，可以減小GCT 排放容量且控制性能仍然優于T模式。

上述方案在定容工況中的主要控制性能，如表1 所示。

表1 三種方案的主要控制性能對比Table 1 Comparison of the main control performance

4 結論

結合國內外核電廠GCT 控制系統簡化設計趨勢，本文對CPR1000 核電廠高、低功率采用的復雜控制模式進行了研究，提出了單獨采用T 模式或單獨采用P 模式進行GCT 控制系統設計的方案，通過系統建模分析和優化，對CPR1000 核電廠GCT 兩種控制方案的進行了控制性能研究，結果表明：

（2） 在控制性能方面，由于P 模式直接采用實測壓力信號作為控制變量，因此P 模式控制策略的響應速度更快、超調量相對小、調節時間相對較短、控制系統穩定性較好；

（3） P 模式經過優化可使機組減小約15%的GCT 排放容量；

（4） 本研究僅針對惡劣工況進行了詳細對比分析，在后續具體GCT 控制系統工程改進時，需要針對涉及GCT 動作的各類工況進行詳細工程研究和分析，在確保安全性、可靠性和控制指標的前提下，簡化控制系統，提供經濟性和安全裕量。

本研究可為CPR1000 機組GCT 控制模式優化提供理論支持。在滿足安全要求的前提下，GCT 使用P 模式可進一步提升機組運行性能，并且可通過減少使用的閥門以提升機組的經濟性。