CPR1000与AP1000反应堆功率控制系统控制策略对比分析

2015-03-11ComparativeAnalysisoftheControlStrategiesforCPR1000andAP1000ReactorPowerControlSystem

自动化仪表 2015年7期

关键词：温度控制反应堆轴向

Comparative Analysis of the Control Strategies for CPR1000 and AP1000 Reactor Power Control System

张　瑜　陈　杰　陈冬雷　雷　晴

(深圳中广核工程设计有限公司，广东深圳　518124)

CPR1000与AP1000反应堆功率控制系统控制策略对比分析

Comparative Analysis of the Control Strategies for CPR1000 and AP1000 Reactor Power Control System

张瑜陈杰陈冬雷雷晴

(深圳中广核工程设计有限公司，广东深圳518124)

摘要：对CPR1000与AP1000反应堆功率控制系统的控制策略进行了研究。从总体策略、功率控制策略、轴向功率分布控制策略、甩负荷功率控制策略四个方面进行了对比分析。分析结果表明，AP1000功率控制系统自动运行范围广，自动化程度高，可以减少操纵员工作负荷，并降低人因产生错误的可能。AP1000快速降功率系统可减少蒸汽排放系统的设计容量，但会对反应堆产生较大冲击，在设计时需要特别考虑。

关键词：CPR1000AP1000功率控制轴向功率分布控制控制策略

Abstract：The control strategies of CPR1000 and AP1000 reactor power control systems are researched. The comparative analysis in four aspects is conducted, including overall strategy; power control strategy; axial power distribution control strategy and load rejection power control strategy. The results of analysis show that AP1000 power control system features wide range of automatic operation and high automation level, thus the workload of operators can be reduced, and the possibility of human error can be minimized. The AP1000 rapid power reduction system can decrease the design capacity of steam dump system, but it may have a greater impact on reactor, so this shall be specically considered in design.

Keywords：CPR1000AP1000Power controlAxial power distribution controlControl strategy

0引言

反应堆功率控制系统是核电厂重要的控制系统，它作用于控制棒控制系统，完成反应堆功率的自动控制，从而实现反应堆正常启动、功率运行及停堆功能。该系统对于保证反应堆安全、经济和可靠的运行起着至关重要的作用[1-2]。

本文分别介绍CPR1000与AP1000反应堆功率控制系统控制策略，并进行对比分析，可作为反应堆功率控制系统设计研发的参考。

1CPR1000功率控制系统控制策略

CPR1000反应堆功率控制系统由功率控制子系统和温度控制子系统组成。功率控制子系统自动控制G棒组，用于补偿大的反应性变化，实现反应堆功率的粗调;温度控制子系统自动控制R棒组，用于反应堆冷却剂平均温度控制，实现反应堆功率的精调。此外，R棒组还用于轴向功率分布控制。

1.1　功率控制子系统控制策略

功率控制子系统根据二回路功率需求控制G棒组的位置，最终目标是使G棒组的实际位置与定标曲线确定的棒位整定值一致，从而使反应堆功率迅速跟踪二回路功率。功率控制子系统控制策略如图1所示。

图1　功率控制子系统控制策略

功率控制子系统根据二回路的工况、控制模式和运行方式等条件，在二回路功率需求值中选择一个作为跟踪值，加上校正因子，作为功率整定值，通过定标曲线转化为棒位整定值。功率控制子系统重叠计数器处理G棒组的提升和插入信号，G棒组每提升一步，计数器加1，插入一步，计数器减1，最终生成G棒组实际位置[3]。功率控制子系统将G棒组棒位整定值与棒位实际值的棒位偏差输入到函数发生器，生成G棒组的方向信号和速度信号，信号发送到控制棒控制系统，自动控制G棒组的运动。功率控制子系统的自动控制范围为0~100%FP。

1.2　温度控制子系统控制策略

温度控制子系统根据二回路功率需求控制反应堆冷却剂平均温度，最终目标是使反应堆冷却剂平均温度测量值尽可能接近由二回路功率确定的整定值，从而实现反应堆功率的精确控制。温度控制子系统控制策略如图2所示。

图2　温度控制子系统控制策略

温度控制子系统由温度偏差通道和功率偏差通道两个通道构成。在温度偏差通道中，二回路功率通过函数发生器转化为平均温度整定值TREF，该值与平均温度测量值的最大值TAVG MAX进行比较，产生温度偏差。另外，当二回路功率突然变化时，会造成核功率与二回路功率的短时失配。由于测量和传递的延误，平均温度测量值来不及反映实际平均温度的变化，造成温度偏差通道动作响应缓慢。为了提高响应速度，设置了功率偏差通道[3]。功率偏差通道取核功率与二回路功率偏差变化率及二回路功率为输入，通过函数发生器分别生成相应的值，通过乘法器，生成功率偏差。温度偏差与功率偏差共同形成综合温度偏差，输入到函数发生器，生成R棒组的方向信号和速度信号，信号发送到控制棒控制系统，自动控制R棒组的运动。温度控制子系统的自动控制范围为15%~100%FP。

R棒组除了调节平均温度以外，还用于负荷瞬变期间协助G棒组完成反应堆功率及轴向功率分布控制。CPR1000利用四个堆外中子探测器监测反应堆轴向功率偏差、轴向功率偏移以及方位角倾斜等变量，由操纵员手动调节硼浓度及R棒组进行反应堆轴向功率分布控制[4]。

2AP1000功率控制系统控制策略

AP1000反应堆功率控制系统由功率控制子系统、轴向功率偏差控制子系统组成。功率控制子系统通过调节M棒组自动控制反应堆冷却剂平均温度。轴向功率偏差控制子系统通过调节AO棒组自动控制堆芯轴向功率偏差。此外，AP1000设置了快速降功率系统，用于发生大的甩负荷时快速降低核功率[5-6]。

2.1　功率控制子系统控制策略

功率控制子系统采用两种控制策略，分别为高功率控制策略和低功率控制策略。在功率水平为15%~100%FP时，采用高功率控制策略；在功率水平为3%~15%FP时，采用低功率控制策略[7]。

2.1.1高功率控制策略

AP1000功率控制子系统高功率控制策略与CPR1000温度控制子系统控制策略相同。AP1000功率控制子系统温度偏差信号和功率偏差信号形成综合温度偏差信号，由该信号确定M棒组的运动速度和方向。

2.1.2低功率控制策略

AP1000功率控制子系统低功率控制策略直接对核功率进行控制，利用核功率测量值与计算出的整定值间的功率失配信号驱动M棒组运动。操纵员输入要求的最终核功率及核功率变化率；核功率整定值计算器根据操纵员的输入及核功率水平计算出一个变化的整定值；系统计算当前核功率水平与整定值间的偏差，经过函数发生器转化为功率失配信号，由该信号确定M棒组的运动速度和方向，使反应堆功率达到操纵员所要求的功率水平。低功率控制策略如图3所示[7]。

图3　低功率控制策略

2.2　轴向功率偏差控制子系统控制策略

轴向功率偏差控制子系统通过调节AO棒组，控制堆芯轴向功率偏差处于目标带范围内。

轴向功率偏差控制子系统的控制信号为轴向功率偏差测量值与目标带计算值的差值。轴向功率偏差测量值由保护系统功率量程中子注量率探测器测量。目标带计算值由轴向偏差目标带计算器根据核功率水平及操纵员输入的轴向功率偏差目标值、目标带宽和控制模式计算得出。当电厂处于负荷调节模式时，核功率信号和轴向功率偏差信号将进行滞后补偿，以提供平滑的信号，从而避免AO棒组不必要的运动。为了避免相互干扰，在设计中采取功率控制优先于轴向功率偏差控制的策略。

2.3　快速降功率系统控制策略

快速降功率系统触发部分控制棒落入堆芯，使反应堆功率快速减少到蒸汽排放系统所能处理的水平。当发生50%FP以上的甩负荷时，快速降功率系统向控制棒控制系统发送信号触发部分，控制棒落入堆芯，配合蒸汽排放控制系统及功率控制系统，使电厂能够承受100%FP的甩负荷，而不触发反应堆紧急停堆，不需要向大气排放蒸汽，也不要求打开稳压器或蒸汽发生器的安全阀。快速降功率系统自动控制范围为50%~100%FP。

3控制策略对比分析

3.1　总体策略

功率控制系统的主要目标是控制反应堆功率与二回路功率的匹配，并满足反应堆功率分布的要求。从实现方式来看，CPR1000功率控制系统通过功率控制子系统与温度控制子系统，分别对G棒组和R棒组进行控制，从而实现反应堆功率的粗调和精调。对于轴向功率分布的控制，则通过监测相关参数，由操纵员手动调节硼浓度及R棒组实现。AP1000功率控制系统通过功率控制子系统与轴向功率偏差控制子系统分别对M棒组和AO棒组进行控制，从而实现反应堆功率及轴向功率分布的调节。此外，AP1000设置了快速降功率系统，用于处理大的甩负荷工况。

从自动运行范围来看，CPR1000温度控制子系统仅能在15%FP以上自动运行，而AP1000功率控制子系统采用高、低功率两种策略，在3%FP以上可自动运行，使得整个系统的自动运行范围更广，可以减少操纵员的工作负荷。

从功率控制与轴向功率分布控制相互作用来看，CPR1000功率控制与轴向功率分布控制都需要R棒组的参与，在实际控制过程中两者之间可能会产生影响。AP1000功率控制与轴向功率分布控制相互独立，采用不同的系统分别控制各自的控制对象，并赋予功率控制更高的优先级，两个子系统间不产生干扰[8]。

3.2　功率控制策略

CPR1000功率控制由功率控制子系统与温度控制子系统共同实现，其中功率控制子系统实现反应堆功率的粗调，而温度控制子系统实现功率的精调。AP1000功率控制由功率控制子系统实现，取消了通过棒位偏差进行功率粗调的控制策略，而采用高功率和低功率两种控制策略。AP1000功率控制子系统高功率控制策略与CPR1000温度控制子系统控制策略相同，采用温度偏差和功率偏差共同生成的综合温度偏差作为控制参数，而低功率控制策略是对核功率直接进行控制。

3.3　轴向功率分布控制策略

CPR1000与AP1000轴向功率分布控制均采用“常轴向偏移”控制原理[9]，即反应堆轴向功率偏移为恒定值，轴向功率偏差与反应堆功率成正比，但两者的控制策略不同。CPR1000轴向功率分布控制由操纵员手动控制实现。CPR1000利用堆外中子探测器监测反应堆轴向功率偏差、轴向功率偏移以及方位角倾斜等变量，由操纵员手动调节硼浓度及R棒组实现反应堆轴向功率分布的控制。AP1000轴向功率分布控制由轴向功率偏差控制子系统自动实现。轴向功率偏差控制子系统将轴向功率偏差测量值与目标带计算值的差值作为控制信号，自动控制反应堆轴向功率分布，降低了由于人因产生错误的可能。

3.4　甩负荷功率控制策略

CPR1000与AP1000在发生50%FP以上的甩负荷时，都能够不触发反应堆紧急停堆，不需要向大气排放蒸汽，也不要求打开稳压器或蒸汽发生器的安全阀，但两者控制策略不同。CPR1000蒸汽排放系统的设计容量较大，当发生大的甩负荷时，通过蒸汽排放系统及反应堆功率系统维持功率的平衡。AP1000引入快速降功率系统，通过使部分控制棒落入堆芯，使反应堆功率快速降低到蒸汽排放系统可以处理的水平，配合功率控制系统，使反应堆功率与二回路功率匹配。AP1000通过引入快速降功率系统，减少了蒸汽排放系统的设计容量，但可能会对反应堆产生比较大的冲击，在设计时需要特别考虑。CPR1000与AP1000反应堆功率控制系统控制策略对比如表1所示。

表1　控制策略对比

4结束语

本文介绍了CPR1000与AP1000反应堆功率控制系统的控制策略，并进行了对比分析。相比而言，AP1000功率控制系统在自动化控制程度及控制范围方面具有优势，有利于减少操纵员的负荷及产生人因错误的可能。AP1000引入快速降功率系统，减少了蒸汽排放系统的设计容量，但由于直接释放控制棒，可能会对反应堆产生较大的冲击，设计时应特别关注。此外，AP1000功率控制系统控制策略国内经验较少，其优越性还需要经过实践的验证。

参考文献

[1] 刘冲，周剑良，谭平.基于数字化控制的核电站反应堆功率控制系统[J].南华大学学报：自然科学版，2010，24(3)：53-57.

[2] 赖厚晶，陈卫华，姚立民，等.CPR1000棒控棒位系统性能试验研究及开发[J].自动化仪表，2013，34(2)：56-60.

[3] 广东核电培训中心.900MW压水堆核电站系统与设备[M].北京：原子能出版社，2007：280-286.

[4] 濮继龙.大亚湾核电站运行教程[M].北京：原子能出版社，1999：198-212.

[5] 林诚格.非能动安全先进核电厂AP1000[M].北京：原子能出版社，2008：426-437.

[6] 林诚格.非能动安全先进压水堆核电技术(中册)[M].北京：原子能出版社，2010：850-856.

[7] 高峰，蔡振东.AP1000与M310功率控制系统对比分析[J].核电工程与技术，2013(4)：1-6.

[8] 张小冬，刘琳.AP1000反应堆控制系统特点分析[J].核动力工程，2011，32(4)：62-65.

[9] 邢超，张瑜，郑正.浅淡AP1000常轴向偏移控制与监测[J].华东电力，2013，41(2)：420-423.

中图分类号：TP272；TL362

文献标志码：A