秦二厂CNP600堆芯降功率过程轴向功率偏差的控制研究

2021-08-25沈亚杰高永恒詹勇杰王澄瀚王勇智

中国核电 2021年4期

沈亚杰，高永恒，詹勇杰，刘臻，杨嗣，王澄瀚，王勇智

(中核核电运行管理有限公司，浙江海盐 314300)

随着核电在电网中比重的增长以及负荷峰谷差的日益增大，电力系统调峰形势越来越严峻，对核电机组参与电网调峰降功率运行的需求日益增加[1-3]。降功率期间，轴向功率偏差ΔI的控制存在较大难度[4]。国内机组降功率期间轴向功率偏差ΔI超带的运行事件时有发生[5]。因此，降功率期间轴向功率偏差ΔI的控制是一个迫切需要研究的课题。

秦二厂4台机组均为CNP600堆型，采用Mode-A(常轴向功率偏移)控制模式[6]。在该模式下，由调节可溶硼浓度和控制棒来共同完成降功率调峰。降功率期间，控制棒置于自动，通过调节堆芯硼浓度引入反应性使得堆芯过冷或过热，产生温差信号，从而驱动控制棒动作。因此，通过调节堆芯硼浓度驱动控制棒是控制ΔI的主要手段。

本文首先通过Tulip程序对秦二厂CNP600堆芯降功率期间的实际ΔI与计算ΔI进行对比，验证Tulip程序满足模拟计算的精度；然后，通过Tulip程序计算，给出更加优化的ΔI控制方案；最后，考虑到实际运行操作和理论计算的差异性，对比不同的降功率方案，分析其对降功率后ΔI的影响。

1 轴向功率偏差影响因素

1.1 轴向功率偏差定义

堆芯轴向功率分布采用轴向功率偏差ΔI来表征，定义为[7-9]：

ΔI=PT-PB

式中：PT、PB——堆芯上部、下部相对功率。

由此可见，轴向功率偏差ΔI与堆芯轴向功率分布的关系为：

ΔI>0，堆芯上部功率PT大于堆芯下部功率PB；

ΔI<0，堆芯上部功率PT小于堆芯下部功率PB。

1.2 运行技术规范要求

图1为运行梯形图，ΔI必须保持在参考轴向功率偏差ΔIref±5%运行带内运行。ΔIref随相对功率Pr而变化。

图1 堆芯运行梯形图

(1)Pr≤15%FP时

运行不受限制。

(2)15%FP

ΔI要求维持在运行带中。在某些特殊情况下(如启动试验)可能会偏离运行带，但是在12 h内，偏离运行带的累计时间禁止超过1 h；超出运行图的运行会导警或引起自动快速降负荷动作甚至停堆。

(3)在不同功率水平运行时

可通过调节控制棒组的棒位使ΔI保持在运行带内。

1.3 主要影响因素

反应堆机组降功率期间，影响ΔI的主要因素有：慢化剂温度、可溶硼浓度和控制棒、燃耗、氙毒[5，10-11]。

(1)慢化剂温度

降功率过程中，堆芯慢化剂平均温度降低。其中，堆芯慢化剂入口温度降低较少，出口温度明显降低，如图2所示。堆芯上部由于负的慢化剂温度系数引入的正反应性大于堆芯下部。因此，降功率过程中堆芯上部功率的降低速度慢于堆芯下部，轴向功率偏差ΔI向正向偏移。

图2 堆芯慢化剂温度随功率变化关系

另外，降功率过程，若ΔI一直保持不变，即堆芯上下部功率同步下降，由于氙的产生和消耗的不同步性，堆芯氙毒先涨毒后消毒。涨毒过程，由于慢化剂温度负反馈效应，堆芯上部中子通量减少慢于下部，堆芯上氙涨毒速度大于下部，AOxe向负向偏移。这样导致堆芯上部氙毒吸收中子少，下部吸收中子少，加剧AOxe向更负向偏移，ΔI向正向偏移，直到涨毒过程结束。消毒过程，则相反。

(2)硼浓度和控制棒

硼的微分价值随温度的升高而减小。这是因为硼是1/v吸收体，慢化剂温度升高使密度减小，堆内中子谱硬化，硼微分价值减小。在降功率过程中，堆芯上下部温度变化不一致，使得堆芯上、下部引入的反应性不平衡，从而影响轴向功率偏差ΔI。但由于影响较小，在降功率过程中可以忽略。

调节控制棒是控制轴向功率偏差ΔI的主要手段。一般情况下，插棒使ΔI向负向偏移，提棒使ΔI向正向偏移。但控制棒位于在反作用带时，控制棒下插可能导致ΔI向正向偏移，对ΔI的控制带来一定难度。因此，降功率期间控制棒尽量避免插到反作用带。

(3)堆芯燃耗

堆芯燃耗对ΔI的影响分为两方面：功率亏损和慢化剂温度系数。功率亏损引入的负反应性随堆芯燃耗加深而增加，即燃耗加深，由于降功率引起的总反应性变化增加，需更多的硼化量和棒位来补偿，从而对ΔI的控制产生一定影响；慢化剂温度系数随燃耗加深而更负，ΔI向正向偏移量必然增大，使得ΔI的控制难度也相应增大。

(4)氙毒

降功率期间，氙毒对ΔI的影响也分为两方面：总反应性变化和轴向氙分布AOXe。

降功率过程中，总反应性变化量取决于氙毒反应性变化和功率亏损反应性变化量，其变化如图3所示。降功率过程时间较短，一般只有1～3 h左右，氙毒处于涨毒阶段，引入负反应性。因此，控制棒位置相对于无氙毒情况偏高，ΔI相对偏正。降功率完成后，氙毒继续涨毒后转变为消毒，为维持堆芯临界，控制棒需先提棒后插棒，导致ΔI先往正偏移，后往负偏移。

图3 降功率过程中，反应性随时间的变化

轴向氙分布AOXe对ΔI的影响主要为降功率完成后的稳定阶段。轴向功率分布的不同步，会影响氙毒的轴向分布变化。根据氙的产生和消耗机理，若降功率后ΔI位于初始位置偏正/负，AOXe将继续向负/正向偏移，ΔI往正/负向偏。

2 降功率过程ΔI控制方案

2.1 ΔI控制方案

机组降功率前，根据降功率计划可通过Tulip程序制定ΔI的控制方案。但由于硼化稀释摇匀和温度驱动的延迟性，控制棒难以完全准确的按Tulip程序计算的ΔI控制方案进行控制，引起堆芯轴向功率分布和轴向氙分布的改变，使得降功率期间ΔI出现一定的偏移或波动。

对此，本文对以下4种降功率过程中ΔI在预极限±3%区间波动的控制方案进行分析，研究其对降功率后ΔI的影响：

1)F1：ΔI快速向±3%预极限偏移；

2)F2：ΔI逐渐向±3%预极限偏移

3)F3：ΔI快速偏移至±3%预极限后快速拉回；

4)F4：ΔI以A、B、C三种不同方式振荡，方式A：振幅为3%，降功率结束ΔI约为-3%；方式B：振幅为3%，降完功率ΔI约为0%；方式C：振幅为1.5%，降功率结束ΔI约为-1.5%。

2.2 不同控制方案对ΔI的影响

图4为方案F1降功率过程中，ΔI快速向±3%预极限偏移。该情况下，由于上下部中子通量相比于降功率前减少量不一致，降功率后轴向氙毒分布AOXe向降功率过程ΔI偏移的相反方向偏移，使得ΔI在降功率后向相对于原来位置更正或更负的方向偏移。另外，慢化剂温度负反馈效应也会使降功率后ΔI向正向偏移，导致正向偏移加剧，负向偏移减弱。因此，降功率后ΔI向正向偏移量最大为2%，ΔI向负向偏移量最大为1.08%，向正向偏移程度明显大于向负向偏移。

图4 方案F1降功率过程中，ΔI快速向±3%预极限偏移

图5为方案F2降功率过程中，ΔI逐渐向±3%预极限偏移。在该情况下，同样由于轴向氙分布AOXe及慢化剂温度负反馈效应，导致ΔI在完成降功率后，继续沿原有的方向偏移且正向偏移大于负向偏移，但偏移幅度比方案F1大。降功率后ΔI向正向偏移量最大为2.50%，ΔI向负向偏移量最大为1.43%。

图5 方案F2降功率过程中，ΔI逐渐向±3%预极限偏移

图6为方案F3降功率过程中，ΔI快速偏移至±3%预极限后快速拉回。该情况下，对降功率后ΔI变化的影响较小。由于慢化剂温度负反馈效应，降功率后ΔI向正向小幅偏移，最大偏移量为0.93%，基本不需要进行干预。

图6 方案F3降功率过程中，ΔI快速偏移至±3%预极限后快速拉回

图7为方案F4降功率过程中，ΔI以A、B、C三种不同方式振荡。从图中可知，ΔI振荡停止状态的ΔI位置和振幅对降功率后ΔI的变化影响较大。由于氙轴向分布AOXe的影响，完成降功率时刻的ΔI位置相对初始位置偏正或偏负，ΔI将继续沿着该方向偏移；若ΔI与初始位置一致，由于慢化剂温度的负反馈效应，ΔI向正向小幅偏移。

图7 方案F4降功率过程中，ΔI以A、B、C三种不同方式振荡

另外，降功率后ΔI的偏移程度主要受降功率完成时刻ΔI相对位置和降功率期间ΔI振幅两个因素影响。由图中可知：当振幅为3%且降功率完成时刻ΔI=-3%时，降功率后ΔI向原有方向继续偏移的最大偏移量为1.4%；当振幅为3%且降功率完成时刻ΔI=0%时，降功率后ΔI向原有方向继续偏移的最大偏移量为0.49%；当振幅为3%且降功率完成时刻ΔI=1.5%时，降功率后ΔI向原有方向继续偏移的最大偏移量为0.4%。因此，降功率后ΔI偏移量随着降功率完成时刻ΔI位置与初始位置偏移量和降功率期间ΔI振幅的增加而增加。