郭俊偉 陳啟卷

（1.福建寧德核電公司，福建 寧德 355200；2.武漢大學(xué) 動(dòng)力與機(jī)械學(xué)院，湖北 武漢 430072）

0 引言

反應(yīng)堆控制系統(tǒng)是核電站最核心的控制系統(tǒng)，反應(yīng)堆控制的基本目的是使一回路所產(chǎn)生的功率與二回路所吸收的功率相等，而一回路功率的變化實(shí)際上是通過(guò)控制反應(yīng)性的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)的，同時(shí)保證一回路的各項(xiàng)熱工、物理參數(shù)能滿足各方面要求。反應(yīng)堆控制系統(tǒng)的控制策略（也稱控制模式）從第一代核電站到當(dāng)今正在建設(shè)的第三代核電站一直在不斷演進(jìn)。本文對(duì)早期壓水堆核電站反應(yīng)堆控制策略和具有典型意義的代表二代加技術(shù)的CPR1000（來(lái)源于M310）堆型，以及代表第三代核電技術(shù)的AP1000堆型的反應(yīng)堆控制策略進(jìn)行了研究闡述。

1 早期核電站反應(yīng)堆控制策略

早期壓水堆核電機(jī)組一般都是帶基本負(fù)荷運(yùn)行，即連續(xù)以可行的最大功率運(yùn)行，不參與負(fù)荷調(diào)節(jié)與跟蹤，因此其控制模式一般為A模式控制策略。

壓水堆核電站在發(fā)展初期是帶基本負(fù)荷運(yùn)行的，因而A模式運(yùn)行的特點(diǎn)是采用強(qiáng)吸收中子的調(diào)節(jié)棒組——黑棒束，它能以較大的功率變化速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，但引起的中子通量密度畸變將是很大的，因此需要嚴(yán)格控制軸向功率偏差保證堆芯燃料組件安全。

在A模式下，用來(lái)控制功率和功率分布的手段主要包括：

（1）反應(yīng)堆控制采用以冷卻劑平均溫度為主調(diào)節(jié)量的冷卻劑平均溫度控制策略，控制回路由平均溫度定值回路、溫度測(cè)量回路、功率失配前置回路構(gòu)成的三通道閉環(huán)控制邏輯組成。

（2）移動(dòng)控制棒（A、B、C、D 組）：該方式的特點(diǎn)是調(diào)節(jié)速度快，但由于A模式中控制棒均為吸收中子能力較強(qiáng)的黑棒，因此單純的控制棒調(diào)節(jié)會(huì)導(dǎo)致功率在軸向分布的畸變，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行可能危及燃料組件的安全。為確保堆芯安全，實(shí)現(xiàn)恒定軸向功率偏移（AO）的控制目標(biāo)，必須把控制棒的移動(dòng)限制在一定范圍之內(nèi)。

（3）調(diào)節(jié)反應(yīng)堆冷卻劑中硼酸的濃度：該方式的調(diào)節(jié)速度較慢，且會(huì)導(dǎo)致大量廢液的產(chǎn)生，尤其是在壽期末接近換料時(shí)，由于硼酸濃度比較低，產(chǎn)生的廢液量更大。

在實(shí)際運(yùn)行中，為了滿足反應(yīng)性控制要求，控制棒的移動(dòng)必須與硼酸濃度的調(diào)節(jié)聯(lián)合運(yùn)行，即在功率變化初期通過(guò)反應(yīng)性變化量預(yù)測(cè)值來(lái)增加或減小冷卻劑中硼酸的濃度，以補(bǔ)償功率虧損及氙毒效應(yīng)引起的反應(yīng)性變化，從而縮小控制棒的移動(dòng)范圍。

2 CPR1000反應(yīng)堆控制策略

隨著核電在電力生產(chǎn)中所占的比重越來(lái)越大，核電機(jī)組將不能只帶基本負(fù)荷運(yùn)行，核電機(jī)組也需要參與負(fù)荷調(diào)節(jié)和頻率調(diào)節(jié)，以提高電站運(yùn)行的靈活性和電網(wǎng)的穩(wěn)定性，這對(duì)核電機(jī)組的控制提出了更高的要求。G模式控制策略隨之被提出并應(yīng)用，目前國(guó)內(nèi)在役的二代及二代加核電機(jī)組及法國(guó)大型核電機(jī)組（功率≥1300MW）反應(yīng)堆控制一般都采用G模式控制策略。

如果機(jī)組需要進(jìn)行快速負(fù)荷跟蹤或參與電網(wǎng)的頻率調(diào)節(jié)，就必須具備快速負(fù)荷調(diào)節(jié)能力。在目前的技術(shù)條件下，快速的負(fù)荷調(diào)節(jié)必須通過(guò)控制棒來(lái)實(shí)現(xiàn)。為了使控制棒對(duì)功率進(jìn)行快速調(diào)節(jié)時(shí)不對(duì)功率分布產(chǎn)生過(guò)大的擾動(dòng)，引入了灰棒。采用灰棒可以在較快調(diào)節(jié)功率的同時(shí)實(shí)現(xiàn)功率分布的控制目標(biāo)，這種模式即為G模式。在G模式下，反應(yīng)性功率效應(yīng)的補(bǔ)償通過(guò)功率補(bǔ)償棒組（包括黑棒和灰棒）來(lái)完成，較慢的反應(yīng)性效應(yīng)（如燃耗及氙毒效應(yīng)等）則由硼酸濃度的調(diào)節(jié)來(lái)完成[1]。G模式控制策略的特點(diǎn)是：

（1）設(shè)有功率補(bǔ)償棒組（棒組）和溫度調(diào)節(jié)棒組（棒組），通過(guò)調(diào)節(jié)G棒組、R棒組和調(diào)節(jié)硼濃度來(lái)協(xié)調(diào)控制反應(yīng)性，使電站具有一定的參與電網(wǎng)調(diào)峰、負(fù)荷變化跟蹤的能力。在功率補(bǔ)償棒組中有一些稱為“灰棒”的棒束，這種棒束由8根Ag-In-Cd吸收棒和16根不銹鋼棒組成，而黑棒束由24根Ag-In-Cd吸收棒組成。需要指出的是，并非所有控制棒均為灰棒，從既滿足核安全設(shè)計(jì)要求又盡可能滿足功率調(diào)節(jié)需要的角度，灰棒共設(shè)有兩組，其中G1組由4個(gè)灰棒束組成，G2組由8個(gè)灰棒束組成。具體配置信息見表1。

表1 CPR1000控制棒配置

（2）控制邏輯上設(shè)有兩個(gè)獨(dú)立的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，以G棒組為調(diào)節(jié)對(duì)象的反應(yīng)堆功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)，和以R棒組為調(diào)節(jié)對(duì)象的平均溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

（3）反應(yīng)堆功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)是開環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，它使反應(yīng)堆的功率迅速跟蹤二回路的功率。它根據(jù)二回路的工況、控制模式和方式在幾個(gè)代表二回路功率需求值或操縱員設(shè)定值中選擇一個(gè)作為功率整定值，在一定燃耗下，每個(gè)功率水平對(duì)應(yīng)于有一個(gè)棒位。在負(fù)荷跟蹤運(yùn)行時(shí)，功率調(diào)節(jié)棒組G1、G2、N1、N2依次插入堆芯并有一定的重疊，以減少對(duì)軸向功率分布的擾動(dòng)。

（4）平均溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)是閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其作用是補(bǔ)償由于因灰棒組整定不準(zhǔn)確或弱的局部氙變化而產(chǎn)生的小范圍的反應(yīng)性變化。通過(guò)測(cè)量一回路平均溫度，與代表二回路功率的參考溫度整定值比較后，經(jīng)調(diào)節(jié)器產(chǎn)生調(diào)節(jié)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)R棒組，改變反應(yīng)堆的反應(yīng)性，從而維持一、二回路功率準(zhǔn)確匹配，即使一回路平均溫度等于其整定值。為了提高響應(yīng)速度，控制邏輯中設(shè)計(jì)了功率失配前饋通道，此通道的輸入信號(hào)為核功率與汽輪機(jī)功率失配信號(hào)，這個(gè)控制信號(hào)使得控制系統(tǒng)能夠在功率失配時(shí)迅速反應(yīng)，為控制系統(tǒng)提供超前調(diào)節(jié)作用，從而減小瞬態(tài)峰值。為了避免減少對(duì)軸向功率分布的不合適的影響以及產(chǎn)生不恰當(dāng)?shù)娜己模琑棒組只限于堆芯上部的一個(gè)很窄的調(diào)節(jié)帶內(nèi)移動(dòng)。

（5）R棒組除了調(diào)節(jié)平均溫度以外，還有兩個(gè)作用，在負(fù)荷瞬變期間（負(fù)荷階躍變化，切換到廠用負(fù)荷運(yùn)行和負(fù)荷以大于每分鐘2-3%額定功率的速率變化）協(xié)助G棒組控制反應(yīng)性，在一定范圍內(nèi)配合硼化或稀釋限制軸向功率偏差。后面的這兩個(gè)功能棒組的位置可以短時(shí)間超出調(diào)節(jié)帶的范圍，但不能超出插入低-低限值，遵守這個(gè)低-低限值（插入位置的極限值）以滿足核安全分析要求的安全裕度，并且需要盡快采取措施使R棒恢復(fù)到調(diào)節(jié)帶運(yùn)行區(qū)間。

（6）G模式情況下必須遵守如下運(yùn)行限制[2]：在大于30%Pn低功率水平的負(fù)荷跟蹤或頻率控制運(yùn)行期間，在任何24小時(shí)內(nèi)，上限功率運(yùn)行的持續(xù)時(shí)間至少為12小時(shí)。如果功率補(bǔ)償棒組插入運(yùn)行的持續(xù)時(shí)間大于12小時(shí)，就會(huì)對(duì)軸向功率分布產(chǎn)生擾動(dòng)，并且在堆芯的上部形成燃耗陰影現(xiàn)象，這在堆芯安全分析中是沒有考慮的。例外情況，對(duì)于極特殊的運(yùn)行需要（上限功率可以迅速返回的情況），功率補(bǔ)償棒插入的低功率水平運(yùn)行可延長(zhǎng)到12小時(shí)以上，但無(wú)論如何不得超過(guò)24小時(shí)。在大于12小時(shí)的低功率水平運(yùn)行之后，要求持續(xù)7天的上限功率水平運(yùn)行，在此期間，禁止日負(fù)荷跟蹤，但允許頻率控制。這是由于持續(xù)的上限功率水平運(yùn)行能夠消除堆芯上部形成的燃耗陰影，恢復(fù)正常的軸向功率分布，而且7天是必須的包絡(luò)時(shí)間。

3 AP1000反應(yīng)堆控制策略

AP1000核電機(jī)組的反應(yīng)堆控制模式不同于A模式及G模式，AP1000控制模式采用革新的功率水平與功率分布獨(dú)立控制思想[3]，進(jìn)一步提高了機(jī)組運(yùn)行的靈活性和安全性。

AP1000反應(yīng)堆控制模式的特點(diǎn)是：

（1）最大的特點(diǎn)在于將功率水平的控制與功率分布的控制區(qū)分開，采用不同的控制回路分別控制各自的控制對(duì)象。AP1000反應(yīng)堆功率控制系統(tǒng)包括功率水平控制系統(tǒng)和功率分布控制系統(tǒng)?？刂瓢舭∕棒及AO控制棒，具體配置信息見表2。

表2 AP1000控制棒配置

（2）功率水平控制系統(tǒng)有閉環(huán)調(diào)節(jié)通道和前饋通道組成[4]，這一設(shè)計(jì)思路與CPR1000控制R棒組移動(dòng)的反應(yīng)堆溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)一致。閉環(huán)調(diào)節(jié)通道通過(guò)實(shí)測(cè)平均一回路溫度與表征二回路功率的參考平均溫度之間的偏差來(lái)進(jìn)行控制。平均溫度控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)為M棒組，棒控系統(tǒng)根據(jù)溫度偏差信號(hào)的大小及極性來(lái)確定控制棒的移動(dòng)速度及移動(dòng)方向。同樣為了提高響應(yīng)性能，設(shè)計(jì)了功率失配前饋通道，如在甩負(fù)荷工況下，負(fù)荷突然降低，核功率與電功率失配，此時(shí)，前饋通道的作用可以使系統(tǒng)在一回路平均溫度變化之前使控制棒提前動(dòng)作。

（3）AP1000采用單獨(dú)的功率分布控制系統(tǒng)，通過(guò)設(shè)置軸向功率偏移控制棒（AO棒）來(lái)進(jìn)行控制。軸向功率偏差控制系統(tǒng)的主要功能是：在負(fù)荷跟蹤及電網(wǎng)頻率改變的瞬態(tài)下，將軸向功率偏移控制在規(guī)定范圍內(nèi)。當(dāng)軸向功率偏移測(cè)量值超出預(yù)定范圍時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出控制信號(hào)使AO棒移動(dòng)，從而達(dá)到功率分布的控制目標(biāo)。AO棒分為2組，一組包含4束控制棒，一組包含5束控制棒，這2組AO棒在上提和下插的過(guò)程中遵循交替移動(dòng)原則[5]。

（4）為了防止M棒與AO棒之間可能出現(xiàn)的干擾，當(dāng)二者控制信號(hào)出現(xiàn)沖突時(shí)，M棒控制信號(hào)占主導(dǎo)地位，M棒移動(dòng)時(shí)，AO棒被閉鎖移動(dòng)。

4 比較分析

A模式控制策略具有如下優(yōu)缺點(diǎn)：

優(yōu)點(diǎn)：①在正常運(yùn)行時(shí)，只需要調(diào)節(jié)硼酸濃度來(lái)補(bǔ)償燃耗和調(diào)節(jié)軸向功率偏差使其在運(yùn)行梯形圖的運(yùn)行帶之內(nèi)，機(jī)組在額定功率運(yùn)行，經(jīng)濟(jì)性好；②棒控系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單，便于控制；③運(yùn)行設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中受到的熱應(yīng)力較小，有利于安全和延長(zhǎng)機(jī)組壽命。

缺點(diǎn)：①在反應(yīng)堆升降功率時(shí)，都需要投入化學(xué)和容積控制系統(tǒng)來(lái)調(diào)節(jié)硼酸濃度，以補(bǔ)償反應(yīng)性變化，但硼酸濃度的調(diào)節(jié)速率受到稀釋及硼化流量的限制，較為被動(dòng)。而且，隨著壽期的深入，當(dāng)硼酸濃度變得很小時(shí)，升功率速率變得很慢并且產(chǎn)生大量的廢液，不僅加重廢液處理系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，廢液量的接收能力還受到廢液處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力的限制。②控制棒移動(dòng)時(shí)，同時(shí)對(duì)功率水平及功率分布產(chǎn)生影響，需要對(duì)硼酸濃度進(jìn)行調(diào)節(jié)，以滿足軸向功率偏差的控制要求。③在滿功率運(yùn)行時(shí)，軸向功率偏差的運(yùn)行范圍較窄，而軸向功率偏差不能自動(dòng)控制，需要操縱員及時(shí)監(jiān)視其變化趨勢(shì)，存在人因隱患。

G模式控制策略具有如下優(yōu)缺點(diǎn)：

優(yōu)點(diǎn)：①由灰棒進(jìn)行功率反應(yīng)性補(bǔ)償，使得機(jī)組具備快速負(fù)荷跟蹤能力，同時(shí)能夠保證機(jī)組功率分布的控制目標(biāo)；②在功率下降后的功率回升過(guò)程中，不存在硼稀釋困難的問題；③機(jī)組具有較靈活的功率調(diào)節(jié)性能，在一定條件下可以參與負(fù)荷跟蹤和電網(wǎng)調(diào)頻運(yùn)行。

缺點(diǎn)：①由于控制棒與硼酸濃度的調(diào)節(jié)相互獨(dú)立，在降負(fù)荷后不能使用控制棒補(bǔ)償由氙毒效應(yīng)引起的功率效應(yīng)，使得運(yùn)行靈活性大為降低。在壽期末，當(dāng)硼酸濃度很小時(shí)，仍然會(huì)出現(xiàn)稀釋量大且速率慢的問題。②雖可以進(jìn)行電網(wǎng)負(fù)荷跟蹤和頻率控制，但必須遵守嚴(yán)格的運(yùn)行限制條件，以使核安全分析所得出的結(jié)論得以保證。③R棒組對(duì)軸向功率偏差的控制有限，在滿功率運(yùn)行時(shí)，軸向功率偏差的運(yùn)行范圍較窄，且不能自動(dòng)控制，因此需要操縱員及時(shí)監(jiān)視并手動(dòng)控制其變化趨勢(shì)。④功率水平與灰棒組棒位之間的關(guān)系曲線叫做有效標(biāo)定曲線，此曲線參數(shù)需要每60個(gè)滿等效功率日進(jìn)行一次修正，R棒組的調(diào)節(jié)帶參數(shù)也需要定期調(diào)整，這些在增加維護(hù)人員工作量的同時(shí)，也增加了人因隱患。

表3 反應(yīng)堆三種控制策略比較

AP1000反應(yīng)堆控制策略具有如下優(yōu)缺點(diǎn)：

優(yōu)點(diǎn)：①AP1000采用相互獨(dú)立的功率水平控制與功率分布控制兩個(gè)系統(tǒng)。功率水平控制系統(tǒng)采用閉環(huán)調(diào)節(jié)，相比于開環(huán)調(diào)節(jié)提高了控制的精準(zhǔn)度，功率分布控制系統(tǒng)可自動(dòng)控制軸向功率偏差。這些設(shè)計(jì)減少了對(duì)人的依賴，有效提高了自動(dòng)化控制水平和機(jī)組安全性能。②不同于CRP1000，由于無(wú)需定期修改有效標(biāo)定曲線和其他參數(shù)，避免了因頻繁修改參數(shù)引入的人因失誤風(fēng)險(xiǎn)。控制功率分布的AO棒，可實(shí)現(xiàn)功率分布的自動(dòng)控制，無(wú)需操縱員干預(yù)，降低了運(yùn)行時(shí)由于人因而發(fā)生安全事件的可能性；③由于負(fù)荷跟蹤是通過(guò)M棒來(lái)完成的，跟蹤時(shí)不需要進(jìn)行硼稀釋操作，因此跟蹤速度較快。硼酸濃度的調(diào)節(jié)主要是用來(lái)補(bǔ)償燃耗及氙毒引起的反應(yīng)性變化。AP1000采用M棒進(jìn)行功率調(diào)節(jié)的方法既能發(fā)揮M棒控制靈活的特點(diǎn)，又能使M棒的作用與硼酸濃度的調(diào)節(jié)作用相結(jié)合，使反應(yīng)堆的控制更為靈活。

缺點(diǎn)：①該控制模式為革新性的設(shè)計(jì)，還沒有此方面的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。②按照西屋公司的設(shè)計(jì)，功率水平控制與功率分布控制之間不會(huì)產(chǎn)生干擾，但其實(shí)現(xiàn)方式尚有待研究，設(shè)計(jì)可靠性有待運(yùn)行檢驗(yàn)。

以上對(duì)A模式、G模式及AP1000反應(yīng)堆控制策略的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析，表3列出了三種控制策略主要不同點(diǎn)的比較情況。

5 結(jié)論

不同的控制策略與當(dāng)時(shí)的控制技術(shù)、機(jī)組運(yùn)行要求、自動(dòng)化水平等相適應(yīng)，這些演變體現(xiàn)出了控制策略更加合理、自動(dòng)化水平不斷提高的過(guò)程。AP1000反應(yīng)堆控制策略尚需實(shí)踐檢驗(yàn)，但不可否認(rèn)的是，其控制策略在適應(yīng)功率控制和負(fù)荷跟蹤更高要求的同時(shí)，進(jìn)一步降低了人因失誤的概率，提高了機(jī)組的自動(dòng)化控制水平和反應(yīng)堆的安全性，代表了新一代核電機(jī)組反應(yīng)堆控制策略的發(fā)展趨勢(shì)。

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