核電機(jī)組調(diào)峰工況的技術(shù)要求及堆芯控制策略的探討

譚 杰 羅俊杰 吳 迪 朱東來(lái) 炊曉東

（核動(dòng)力運(yùn)行研究所，湖北 武漢 430074）

0 引言

近年來(lái)，隨著能源結(jié)構(gòu)調(diào)整和供需形勢(shì)的變化，電力生產(chǎn)與發(fā)展出現(xiàn)了一些新的形勢(shì)：核電機(jī)組并網(wǎng)容量增加、用電量增速放緩、風(fēng)電等新能源裝機(jī)容量擴(kuò)大、電網(wǎng)負(fù)荷峰谷差逐年增大，導(dǎo)致以火電為調(diào)峰主體的電網(wǎng)調(diào)峰壓力逐步增加，核電機(jī)組參與電網(wǎng)調(diào)峰運(yùn)行的需求也越來(lái)越緊迫。

核電參與調(diào)峰運(yùn)行是一項(xiàng)復(fù)雜的綜合性活動(dòng)，論證煩瑣，涉及堆芯設(shè)計(jì)、燃料性能評(píng)價(jià)、事故安全分析、源項(xiàng)和放射性流出物計(jì)算、相關(guān)系統(tǒng)與設(shè)備論證、堆芯控制策略等諸多環(huán)節(jié)。其中，除了堆芯控制外，其他環(huán)節(jié)均在工程設(shè)計(jì)階段進(jìn)行了包絡(luò)性分析論證，而堆芯控制，則需要在運(yùn)行階段，結(jié)合堆芯實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，比如軸向功率偏差參考值（△I）、控制棒棒位等，進(jìn)行精細(xì)化的計(jì)算和評(píng)價(jià)，最終確定是否滿(mǎn)足技術(shù)規(guī)范要求。

本文基于M310核電機(jī)組運(yùn)行技術(shù)規(guī)范的強(qiáng)制要求，以典型的調(diào)峰工況為研究對(duì)象，制定了合適的堆芯控制策略，利用堆芯設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行模擬計(jì)算，給出了調(diào)峰過(guò)程中的重要監(jiān)控參數(shù)的演變趨勢(shì)，為核電廠操縱人員提供參考。

1 調(diào)峰相關(guān)技術(shù)條件

核電機(jī)組的《運(yùn)行技術(shù)規(guī)范》是核電廠《最終安全分析報(bào)告》（FSAR）的直接延伸，集中了機(jī)組運(yùn)行過(guò)程（包括調(diào)峰）應(yīng)該遵守的技術(shù)規(guī)定，以確保安全限值得以遵守，從而保證整個(gè)運(yùn)行壽期內(nèi)的安全。限定反應(yīng)堆正常運(yùn)行的邊界是《運(yùn)行技術(shù)規(guī)范》的一項(xiàng)重要作用，其中與調(diào)峰工況相關(guān)的要求如下：

（1）軸向功率偏差必須保持在運(yùn)行圖（見(jiàn)圖1）的范圍內(nèi)。在任何情況下，都需滿(mǎn)足表1列出的相關(guān)規(guī)定。

表1 運(yùn)行圖相關(guān)規(guī)定

圖1 運(yùn)行圖

（2）溫度調(diào)節(jié)棒組（R棒）必須在其低—低插入限值之上。

（3）功率補(bǔ)償棒組（GN棒）不得低于由有效標(biāo)定曲線(xiàn)確定的棒位。

（4）功率提升速率每分鐘不得超過(guò)額定功率的5%FP。

（5）在功率水平高于參考功率水平（P）時(shí)，在任何情況下，都不得下插功率補(bǔ)償棒組。在功率水平低于P時(shí)，功率補(bǔ)償棒組的插入至多達(dá)到由相當(dāng)于在P時(shí)，開(kāi)始插入的有效標(biāo)定曲線(xiàn)確定的棒位。

（6）在前30d功率運(yùn)行期間，從反應(yīng)堆至少持續(xù)72 h的最大功率以上提升功率時(shí)，必須將功率提升速度限制在3%FP/h之內(nèi)?？梢噪A躍增加10%FP，然后穩(wěn)定3 h，最后以3%FP/h之內(nèi)的速率實(shí)現(xiàn)功率提升。

（7）當(dāng)計(jì)劃進(jìn)行長(zhǎng)期低功率運(yùn)行時(shí)，必須在功率補(bǔ)償棒組全部提出的前提下，通過(guò)硼化降功率。

（8）象限功率傾斜比必須低于1.02。

（9）失水事故熱點(diǎn)因子限值是2.45。

其中，（1）、（2）、（3）和（4）是調(diào)峰運(yùn)行重點(diǎn)關(guān)注的條款，且1是最大的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)；（5）、（6）和（7）是長(zhǎng)期低功率運(yùn)行需要特別關(guān)注的條款；（8）和（9）是設(shè)計(jì)階段就已進(jìn)行驗(yàn)證過(guò)的條款，調(diào)峰期間加強(qiáng)監(jiān)視即可。

2 典型調(diào)峰工況的堆芯控制策略

2.1 典型調(diào)峰工況

目前核電廠典型的調(diào)峰工況分為如下四個(gè)階段：

（1）以2～3MW/min速率從100%FP降至80%FP，并在該平臺(tái)停留若干小時(shí)；（2）以2～3MW/min速率從80%FP降至50%FP，并在該平臺(tái)停留2 h；（3）以2～3MW/min速率從50%FP升回80%FP，并在該平臺(tái)停留若干小時(shí)；（4）以2～3MW/min速率從80%FP升回100%FP，并在該平臺(tái)停留若干小時(shí)。

2.2 堆芯控制策略的制定思路

堆芯控制策略主要考慮從調(diào)節(jié)控制棒位置（R棒或GN棒）和調(diào)節(jié)硼濃度（硼化或稀釋?zhuān)﹥煞N手段中選擇合適的方式或者組合，以便滿(mǎn)足技術(shù)規(guī)范強(qiáng)制要求（1）、（2）、（3）和（4）條款，從而達(dá)到調(diào)峰的目標(biāo)。另外，需要遵循“常軸向偏移控制法”來(lái)抑制氙震蕩的產(chǎn)生。常軸向偏移控制的要點(diǎn)在于：不管反應(yīng)堆運(yùn)行功率水平是多少，都力求保證在一定時(shí)間內(nèi)相同的軸向功率分布形狀，即基于△I來(lái)控制反應(yīng)堆。

以典型調(diào)峰工況為研究對(duì)象，探討堆芯控制策略的制定思路。

一階段：推薦采用調(diào)節(jié)硼濃度的方式進(jìn)行功率控制，輔助以下插R棒的方式進(jìn)行ΔI控制。理由為：80%FP平臺(tái)停留時(shí)長(zhǎng)存在較大不確定性，電網(wǎng)可能根據(jù)負(fù)荷情況要求核電機(jī)組進(jìn)行長(zhǎng)期低功率運(yùn)行，為了兼顧技術(shù)規(guī)范條款（7）的要求，因此選擇硼化降功率更為穩(wěn)妥；硼化降功率將觸發(fā)氙震蕩現(xiàn)象，導(dǎo)致ΔI向正發(fā)展，為滿(mǎn)足技術(shù)規(guī)范條款1.h的要求以及常軸向功率偏移原則，因此輔助以下插R棒的方式進(jìn)行ΔI控制，期間需要關(guān)注技術(shù)規(guī)范條款2的符合性。

二階段：推薦采用調(diào)節(jié)硼濃度的方式進(jìn)行。功率控制，輔助以下插G棒的方式進(jìn)行ΔI控制。理由為：若完全采用插GN棒的方式，GN棒插入較深，有違反技術(shù)規(guī)范條款1.f的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)，GN棒插入導(dǎo)致堆芯功率分布更加惡劣，氙震蕩也更加劇烈，有違反技術(shù)規(guī)范條款1.g的風(fēng)險(xiǎn)，因此，不建議將GN棒作為功率控制的主要手段。而采用硼化作為功率控制的主要手段，輔助以插GN棒作為ΔI控制的手段，好處是硼化降功率導(dǎo)致的ΔI向正發(fā)展，此時(shí)R棒裕量已在上一階段幾乎消耗殆盡，正好利用G1棒下插來(lái)抑制ΔI，既減輕了GN棒下插的深度，又預(yù)留了G1棒作為抵消硼化對(duì)ΔI的正向效應(yīng)的手段，一舉兩得緩解風(fēng)險(xiǎn)。

三階段與二階段的思路類(lèi)似，四階段與一階段的思路類(lèi)似。

2.3 堆芯控制策略的模擬計(jì)算

依照上述控制思路，利用堆芯設(shè)計(jì)軟件對(duì)典型調(diào)峰工況的堆芯控制策略進(jìn)行模擬計(jì)算，調(diào)峰期間的ΔI趨勢(shì)圖見(jiàn)圖2，各階段的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2、3、4和5。可以看出，調(diào)峰期間各項(xiàng)參數(shù)均控制良好，滿(mǎn)足技術(shù)規(guī)范要求。

圖2 調(diào)峰期間軸向功率偏差運(yùn)行軌跡

表2 階段a（從100%FP降至80%FP）的堆芯計(jì)算結(jié)果

表3 階段b（從80%FP降至50%FP）的堆芯計(jì)算結(jié)果

表4 階段c（從50%FP升至80%FP）的堆芯計(jì)算結(jié)果

表5 階段d（從80%FP升至100%FP）的堆芯計(jì)算結(jié)果

3 結(jié)語(yǔ)

本文梳理了核電機(jī)組運(yùn)行技術(shù)規(guī)范中與機(jī)組調(diào)峰相關(guān)的技術(shù)要求，并按關(guān)注度進(jìn)行了分類(lèi)，便于工程技術(shù)人員快速獲取和利用；以典型的調(diào)峰工況為研究對(duì)象，闡述了各項(xiàng)技術(shù)要求在實(shí)際調(diào)峰運(yùn)行控制策略制定過(guò)程中的運(yùn)用思路，從而制定了合適的堆芯控制策略，并利用堆芯設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行模擬計(jì)算，給出了調(diào)峰過(guò)程中的重要堆芯參數(shù)的演變趨勢(shì)。結(jié)果表明，在充分兼顧技術(shù)規(guī)范各項(xiàng)要求的前提下，能夠較好的地實(shí)現(xiàn)核電機(jī)組調(diào)峰運(yùn)行目標(biāo)。