秦二厂降温方式延伸运行技术研究及方案策划

彭杏林

(中核核电运行管理有限公司，浙江 海盐 314303)

0 引言

核电厂反应堆延伸运行是指在核电厂反应堆燃料循环末期，控制棒在全提出位置，一回路系统中冷却剂硼浓度达到10 mg·kg-1的时候，通过某种方式来释放反应性以达到继续运行的目的，延长机组运行时间的一种运行方式。

延伸运行的主要目的是合理地安排大修，避开18个月换料后在6—9月电网用电高峰期间停机大修，避开春节等重大节假日大修人员紧缺期间停机大修，并将秦山地区9台机组的大修时间相互错开。延伸运行还可以提高机组可用率、降低电厂发电成本。

2020年2—4月，由于新冠病毒疫情的影响，工作人员长时间紧缺。若原计划在此期间进行停机大修，难以保证大修期间的人力资源供给，将为大修带来不利影响。长时间人员紧缺情况的出现，更加体现了核电厂反应堆延伸运行的重要性。

1 反应堆延伸运行原理及方案

反应堆功率运行时堆芯需要消耗一定的反应性，通常在堆芯燃料管理设计上，为了保证一定的燃料循环长度，堆芯燃料装载都考虑留有适当的后备反应性。这些后备反应性被可燃毒物、硼酸和控制棒所控制，并用于补偿中子毒物、温度效应、功率亏损、燃耗等反应性的消耗。即：

ρ总=ρ燃料+ρ棒+ρ氙+ρ钐+ρ功+ρ温+ρ硼[3]

对于一个正常稳定临界运行的反应堆，ρ总= 0。由上式可以看出，在燃料寿期末，硼浓度接近于0，控制棒已提至堆顶，正常运行时的平衡钐毒与功率水平无关，无法通过调节这三项(ρ硼、ρ棒、ρ钐)释放正反应性。在Tavg调节程序不变的情况下，能够释放出正反应性，来维持反应性平衡的只有功率亏损ρ功项和ρ氙项。此外，还可以通过改变Tavg调节程序通过ρ温项来释放正反应性。

若此时降低慢化剂温度或反应堆功率，则可以释放正反应性来维持反应堆继续运行。在降功率释放正反应性的同时，还可以使氙毒释放出部分反应性。

根据上述分析，反应堆机组在寿期末实施延伸运行，可以采用降功率或降低慢化剂温度两种方式。

2 降功率方式延伸运行

2.1 原理

降功率延伸运行是通过降低反应堆的功率，由功率亏损及氙毒释放的正反应性来达到延伸运行的目的。当功率变化1%时所引起的反应性变化被称为功率系数，功率系数综合了多普勒系数、慢化剂温度系数和空泡系数。在降功率的同时，还可以通过氙毒释放出部分反应性。

2.2 方案

降功率延伸运行一般有三种方式：均匀连续降功率、阶跃降功率以及不等额阶梯降功率方式。

均匀连续降功率是当硼浓度达到10 mg·kg-1时，不再进行稀释或者除硼操作，由于燃耗效应，Tavg将逐步下降，当Tavg低于参考平均温度整定值Tref一定数值时，通过降低1%FP的功率来降低Tref，使Tavg与Tref保持基本一致。

阶跃降功率延伸运行是指一次降功率到目标值，功率亏损较大，同时阶跃功率变化引起的氙毒变化也较大，需要向一回路硼化和控制棒下插达到新的反应性平衡，同时控制ΔI在目标带附近。

不等额阶梯降功率方式，则是每天需要降低一个不等额的电功率值，具体需要反应性计算决定，以使得由功率亏损和氙毒引入的反应性与当天的燃耗引入的反应性基本一致，从而不需要进行调硼操作。

2.3 实践

2020年秦二厂2号机组通过阶跃降功率方式进行了延伸运行[10]；2017年秦二厂2号机组进行降功率延伸运行；秦二厂4号机组于2014年实施[4]均匀连续降功率方式的延伸运行16天；秦一厂于2013年进行了均匀连续降功率的方式的延伸运行[8]；秦二厂1号机组2005年通过均匀连续降功率方式的延伸运行[7]等等。

3 降温方式延伸运行

3.1 原理

降温延伸运行方式是指在保持功率运行水平不变的情况下，通过降低Tavg释放正反应性来维持反应堆临界。秦山二期机组寿期末，降低Tavg1 ℃，反应堆可以延伸运行约2EFPD。该方式能使机组在较高的功率水平下运行，电厂经济性相对较高，但是由于Tavg降低，需要调整与Tavg相关的参数，以确保Tavg降低后机组能满足设计基准的要求。

需要注意的是，降低Tavg的同时，会降低机组热效率，在保持汽轮发电机组满负荷运行时可能会引起主调阀开度超限或者核功率超限，在方案设计时需加以考虑。

针对2020年新冠病毒疫情情况，人力资源紧缺期约1个月，本文的秦二厂降温方式延伸运行方案设计为30EFPD。参数修改计算过程采用参数来自《秦山第二核电厂QS116循环核设计报告》：寿期末(硼浓度10 mg·kg-1)，慢化剂温度系数αm=-74.87 pcm/℃，满负荷功率系数为αp=-26.24 pcm/%FP，满负荷多普勒功率系数为αu=-8.93 pcm/%FP，堆芯氙平衡引入的负反应性如图1所示，可知EOL功率在75%～100%FP时氙毒的反应性变化率约为αXe=-8.88 pcm/%FP，反应性消耗速率为30 pcm/EFPD[2]。

图1 堆芯氙平衡引入的负反应性

3.2 方案

降温延伸运行需要受到换料设计燃耗窗口、机组最低运行负荷、外部条件等的限制，此外还涉及核蒸汽供应系统的设计瞬态应力限制和汽轮机能力限制，因此首先要由设计院对降温延伸运行的设计瞬态应力做出评价以及进行一回路安全分析，据此最终给出Tavg-Pth图，该图综合下列限制条件得出[6]：

1)蒸汽发生器出口蒸汽湿度限制；

2)U形管束弯曲处振动方面的限制：

3)一回路和二回路最高压差限制；

4)汽轮机特性限制；

5)延伸运行初始参考温度线。

参照秦二厂参考电厂的降温延伸运行安全分析结论，相对而言汽轮机特性限制线是所有限制中最严格的，如果这条限制线得到遵守，则所有的限制都能得到遵守。根据秦二厂汽轮机相关参数，受到汽轮机效率和尺寸的限制，稳态下Tavg=Tref，由

Pth=K(Tavg-Ts)

(1)

得到正常运行情况下程序温度线及汽轮机限制线如图2所示。秦二厂在实际设计实施前，需根据上述限制条件分别进行热力性能等试验，从而核实其中实际最严格的限制条件。

图2 正常运行情况下程序温度线及汽机限制线

3.3 降温延伸运行涉及的参数修改

3.3.1 一回路参考温度程序的改变

30EFPD消耗的反应性为900 pcm，由于汽机限制线的限制，Tref降低到一定数值之后必须降功率以防止超限，故此过程由慢化剂温度效应、多普勒效应以及平衡氙效应三者进行补偿。反应性平衡计算如下：

Δρ燃耗+Δρm+Δρu+ΔρXe= 0

(2)

将式(1)与式(2)联立，可得30EFPD后通过降温及降功率刚好补偿反应性消耗，且刚好满足汽机限制线要求所对应的Tref=297.65 ℃，Pth=87.47%FP。为确保主调节棒D棒处于自动运行方式，防止过冷甩负荷，延伸运行每一步Tref相差2 ℃，修改的函数发生器模块为RGL402GD。由上述分析作图如图3所示。

3.3.2 控制棒死区的扩大

通过3.3.1节Tref程序改变的分析，为了避免产生氙震荡，应尽量避免D棒的任何扰动，并保证D棒在延伸运行任意两步间仍处于自动方式，必须将D棒的死区扩大。

通过分析，控制棒死区的扩大分为两步：

1)第一步，在延伸运行开始，Tref第一次改变之前，对RGL403XU4以及403GD进行修改，将死区扩大到[-0.83 ℃，+1.66 ℃]。

2)第二步，Tref第一次改变结束后，对RGL403XU3及403GD进行修改，将死区扩大到[-1.66 ℃，+1.66 ℃]。

这种改变能够尽可能地利用温度效应来补偿功率的扰动，从而避免D棒的波动。需要注意的是，控制棒棒死区的扩大将导致在甩负荷时，控制棒的动作延时增大。秦二厂延伸运行改变后的控制棒棒速曲线如图4所示。

图4 控制棒死区的扩大

3.3.3 调整P12定值

在正常循环期间，P12信号的定值是284 ℃，由于在延伸运行期间，Tavg不断降低，因此在正常运行的瞬态，触发P12信号的可能性也就不断增加，高于满功率时冷段温度2 ℃的裕度已经足够。

通过分析，应分别在降温延伸运行第四步(Tref=304 ℃)时以及第五步(Tref=302 ℃)时，将P12信号的保护定值分别降至282 ℃、280 ℃，涉及的阈值继电器有RCP443XU1/446XU1/449XU1/480XU1。

3.3.4 调整PZR 水位定值

延伸运行期间由于Tavg下降，导致稳压器(PZR)程序参考水位Rref也下降。为了避免跳堆后由于冷却剂容积收缩导致PZR水位降至“低”(14%)及“低低”(10%)定值，切断PZR电加热器及隔离下泄，当Tavg降低到一定程度时，PZR水位参考程序也必须进行改变。

导致下泄隔离的水位定值为10%，满功率紧急停堆将导致水体积收缩33%，再考虑4%的水位控制不确定性，10%+33%+4%=47%。所以，需要保证在满功率运行时PZR程序参考水位不能低于47%。

在整个延伸运行期间，PZR 水位参考程序只需改变一次，在Tavg=302.95 ℃之前(即第四步)，涉及的函数发生器为RCP403GD1(403MR中)。秦二厂延伸运行PZR程序水位整定值改变如图5所示。

图5 PZR程序参考水位Rref改变

3.3.5 调整RGL405XU报警定值

由于棒速死区的扩大，以及选择在一回路偏冷的情况下调节Tref，在延伸运行期间，有必要修改由于Tref及Tavg，次高选之间高偏差的报警定值。

RGL404AA相关的报警的阈值继电器定值改变方案如下：

1)RGL405XU3的阈值：当控制棒的死区向提棒方向由-0.83 ℃扩大为-1.66 ℃时，由-2 ℃改变为-3 ℃；

2)RGL405XU2的阈值：当控制棒的死区向插棒方向由0.83 ℃扩大为1.66 ℃时，由+2 ℃改变为+3 ℃；

3)RGL405XU1的阈值在延伸运行时不改变。

3.3.6 调整 ΔIref

反应堆寿期末降温延伸运行，当Tavg降低时，堆芯上部温度降低较多，而堆芯下部温度基本不变，导致堆芯上部中子注量率较堆芯下部中子注量率增加更多，与堆芯下部相比较，由于堆芯上部的燃耗较浅，更加重了这种现象。因此，在延伸运行期间，ΔIref将快速向右偏移，必须增加校准ΔIref的频度，保证至少每周校准一次。

3.3.7 调整RPN参数(RPN功率量程及 ΔI)

中子探测器用来测量压力容器外的中子注量率，而中子在接近探测器之前必须穿过一道冷水隔层，其间部分中子被这道冷水隔层捕获。在功率稳定时，随着Tavg降低，冷段温度也随之降低，这道冷水隔层密度增加，因此有更多的中子被冷水隔层捕获。中子探测器的电流IH和IB也随之降低，应按照规定在RPN功率量程和热功率测量偏差超过定值后进行RPN调整。

3.3.8 GCT-C相关的改变

参考温度程序发生改变时，GCT-C的参考温度程序(GCT401GD)也必须同时按同样的方法进行改变。同时需要进行改变的还有GCT402GD、GCT410GD、GCT403GD以及未停堆情况下用于快开信号和参与产生GCT-C不可用信号的阈值继电器定值。而在停堆情况下Tref0仍然等于290.8 ℃，故对GCT404GD以及相关快开阈值继电器定值不需要进行修改。

1)GCT401GD：根据图3中的“线1”至“线6”进行相同的改变，改变后的GCT401GD函数曲线如图6所示。

图6 GCT401GD函数修改

2)GCT402GD：延伸运行几步以后，由于参考温度程序的斜率降低，在机组大幅度甩负荷后，会导致GCT-C排放阀开启时间过于滞后，反应堆有可能因为一回路高压力而跳堆。为了提高蒸汽排放系统的效率，在降温延伸运行的第四步(Tref4=304 ℃)，必须对GCT402GD进行调整，即当参考温度程序的斜率小于或等于13.2 ℃/100%FP时。修改后的GCT402GD函数曲线如图7所示。

图7 GCT402GD函数修改

3)GCT410GD：延伸运行几步以后，由于参考温度程序的斜率降低，同样的功率偏差对应的温度修正信号需降低。GCT410GD的修改与GCT402GD同步，即在降温延伸运行的第四步(Tref4=304 ℃)。修改后的GCT410GD函数曲线如图8所示。

图8 GCT410GD函数修改

4)GCT403GD：在降温延伸运行的第四步(Tref4=304 ℃)对GCT410GD修改的同时也需要对GCT403GD进行修改。修改后的GCT403GD函数曲线如图9所示。

图9 GCT403GD函数修改

5)未停堆情况下的快开信号(GCT401XU1/401XU2/402XU1)：在降温延伸运行的第四步(Tref4=304 ℃)对GCT402GD修改时，开度信号达到100%时的拐点对应的温度偏差由14.9 ℃改为11.2 ℃，故需要同时对未停堆情况下的快开信号相关阈值继电器定值进行修改，修改情况如表1所示。

表1 未停堆情况下GCT-C快开信号修改

6)参与产生GCT-C不可用信号的阈值继电器(GCT402XU2/407XU)定值的修改情况如表2所示。

3.4 降温延伸运行主要操作

通过上述3.3节降温延伸运行涉及的参数修改分析，秦二厂降温延伸运行按照30EFPD来设计，降温延伸运行操作共分为六步。总结上述涉及的参数修改步骤如表3所示。

表3 秦二厂降温延伸运行参数修改总表

此外，在实施的每一步操作中都需要对ΔIref以及RPN功率量程校正系数进行调整，且保证ΔIref的校准频度至少每周一次。

3.5 实践

大亚湾核电厂于2003年3月11日到3月20日成功实施了我国首次降温方式的延伸运行[9]，顺利实现了错开大亚湾核电厂209大修和109大修的目的。阳江核电1号机组于2016年7月13日9：30至7月14日22：30也顺利进行了降温方式的延伸运行。

而中国核电旗下的反应堆尚未进行过降温方式的延伸运行，2022年秦山核电实现发电量8年增，年发电量提升难度逐渐加大，降温方式延伸运行在议定情况下能满足提升发电量的要求。同时，鉴于秦二厂与大亚湾核电同为M310机组，建议及早计划进行降温延伸运行模式的相应安全论证和评审。

4 降温方式延伸运行优缺点

4.1 安全性方面

降温方式延伸运行需要修改相关的控制曲线以及报警、保护定值，对于没有降温延伸运行经验的秦山二期核电厂而言，这些修改相当于将机组带入陌生的运行状态，不可避免地增加了机组运行的风险。但鉴于相同堆型机组的成功实践，在前期充分试验、安全分析及策划准备的前提下，核反应堆运行所需的安全裕度能够得到保证。

4.2 经济性方面

降温方式延伸运行的经济性比降功率方式延伸运行好，且延伸运行时间越长经济性优势越大。

假设机组需要延伸运行t=30天，经计算得：均匀连续降功率方式延伸运行总发电量亏损9.346 5×107kW·h，降温方式延伸运行总发电量亏损1.813 2×107kW·h。降温方式延伸运行比降功率方式延伸运行可以多生产电量7.533 3×107kW·h，且降温方式延伸运行的总发电量亏损仅为降功率方式延伸运行的19.4%。

5 总结

本文介绍了反应堆寿期末降功率方式延伸运行和降温方式延伸运行，并针对秦山二厂反应堆机组降温方式延伸运行进行了技术研究以及方案策划，对过程中需要修改的相关控制程序及报警、保护定值进行了详细的分析、计算以及建模，相关各函数发生器的修改做出图形进行直观展示，并对秦二厂反应堆降温方式延伸运行进行了方案策划，该方案按照延伸运行30EFPD进行策划，共分为六步，并针对参数修改所涉及的各个模块在六步中一一对应。

最后，本文将降温方式与降功率方式延伸运行进行了对比，分别从安全性方面和经济性方面分析了降温方式延伸运行的优缺点。通过秦二厂反应堆寿期末延伸运行30天的例子计算，降温方式延伸运行比降功率方式延伸运行可以多生产电量7.533 3×107kW·h，且降温方式延伸运行的总发电量亏损仅为降功率方式延伸运行的19.4%。中国核电尚无降温方式延伸运行实例，建议秦山核电及早进行降温延伸运行模式的相应安全论证、评审及实践，从而做好中国核电领跑者，谱写创新优化新华章。