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

張　瑜　陳　杰　陳冬雷　雷　晴

(深圳中廣核工程設(shè)計(jì)有限公司，廣東 深圳　518124)

CPR1000與AP1000反應(yīng)堆功率控制系統(tǒng)控制策略對(duì)比分析

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

張瑜陳杰陳冬雷雷晴

(深圳中廣核工程設(shè)計(jì)有限公司，廣東 深圳518124)

摘要：對(duì)CPR1000與AP1000反應(yīng)堆功率控制系統(tǒng)的控制策略進(jìn)行了研究。從總體策略、功率控制策略、軸向功率分布控制策略、甩負(fù)荷功率控制策略四個(gè)方面進(jìn)行了對(duì)比分析。分析結(jié)果表明，AP1000功率控制系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行范圍廣，自動(dòng)化程度高，可以減少操縱員工作負(fù)荷，并降低人因產(chǎn)生錯(cuò)誤的可能。AP1000快速降功率系統(tǒng)可減少蒸汽排放系統(tǒng)的設(shè)計(jì)容量，但會(huì)對(duì)反應(yīng)堆產(chǎn)生較大沖擊，在設(shè)計(jì)時(shí)需要特別考慮。

關(guān)鍵詞：CPR1000AP1000功率控制軸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

反應(yīng)堆功率控制系統(tǒng)是核電廠重要的控制系統(tǒng)，它作用于控制棒控制系統(tǒng)，完成反應(yīng)堆功率的自動(dòng)控制，從而實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆正常啟動(dòng)、功率運(yùn)行及停堆功能。該系統(tǒng)對(duì)于保證反應(yīng)堆安全、經(jīng)濟(jì)和可靠的運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用[1-2]。

本文分別介紹CPR1000與AP1000反應(yīng)堆功率控制系統(tǒng)控制策略，并進(jìn)行對(duì)比分析，可作為反應(yīng)堆功率控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研發(fā)的參考。

1CPR1000功率控制系統(tǒng)控制策略

CPR1000反應(yīng)堆功率控制系統(tǒng)由功率控制子系統(tǒng)和溫度控制子系統(tǒng)組成。功率控制子系統(tǒng)自動(dòng)控制G棒組，用于補(bǔ)償大的反應(yīng)性變化，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆功率的粗調(diào);溫度控制子系統(tǒng)自動(dòng)控制R棒組，用于反應(yīng)堆冷卻劑平均溫度控制，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆功率的精調(diào)。此外，R棒組還用于軸向功率分布控制。

1.1　功率控制子系統(tǒng)控制策略

功率控制子系統(tǒng)根據(jù)二回路功率需求控制G棒組的位置，最終目標(biāo)是使G棒組的實(shí)際位置與定標(biāo)曲線確定的棒位整定值一致，從而使反應(yīng)堆功率迅速跟蹤二回路功率。功率控制子系統(tǒng)控制策略如圖1所示。

圖1　功率控制子系統(tǒng)控制策略

功率控制子系統(tǒng)根據(jù)二回路的工況、控制模式和運(yùn)行方式等條件，在二回路功率需求值中選擇一個(gè)作為跟蹤值，加上校正因子，作為功率整定值，通過(guò)定標(biāo)曲線轉(zhuǎn)化為棒位整定值。功率控制子系統(tǒng)重疊計(jì)數(shù)器處理G棒組的提升和插入信號(hào)，G棒組每提升一步，計(jì)數(shù)器加1，插入一步，計(jì)數(shù)器減1，最終生成G棒組實(shí)際位置[3]。功率控制子系統(tǒng)將G棒組棒位整定值與棒位實(shí)際值的棒位偏差輸入到函數(shù)發(fā)生器，生成G棒組的方向信號(hào)和速度信號(hào)，信號(hào)發(fā)送到控制棒控制系統(tǒng)，自動(dòng)控制G棒組的運(yùn)動(dòng)。功率控制子系統(tǒng)的自動(dòng)控制范圍為0~100%FP。

1.2　溫度控制子系統(tǒng)控制策略

溫度控制子系統(tǒng)根據(jù)二回路功率需求控制反應(yīng)堆冷卻劑平均溫度，最終目標(biāo)是使反應(yīng)堆冷卻劑平均溫度測(cè)量值盡可能接近由二回路功率確定的整定值，從而實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆功率的精確控制。溫度控制子系統(tǒng)控制策略如圖2所示。

圖2　溫度控制子系統(tǒng)控制策略

溫度控制子系統(tǒng)由溫度偏差通道和功率偏差通道兩個(gè)通道構(gòu)成。在溫度偏差通道中，二回路功率通過(guò)函數(shù)發(fā)生器轉(zhuǎn)化為平均溫度整定值TREF，該值與平均溫度測(cè)量值的最大值TAVG MAX進(jìn)行比較，產(chǎn)生溫度偏差。另外，當(dāng)二回路功率突然變化時(shí)，會(huì)造成核功率與二回路功率的短時(shí)失配。由于測(cè)量和傳遞的延誤，平均溫度測(cè)量值來(lái)不及反映實(shí)際平均溫度的變化，造成溫度偏差通道動(dòng)作響應(yīng)緩慢。為了提高響應(yīng)速度，設(shè)置了功率偏差通道[3]。功率偏差通道取核功率與二回路功率偏差變化率及二回路功率為輸入，通過(guò)函數(shù)發(fā)生器分別生成相應(yīng)的值，通過(guò)乘法器，生成功率偏差。溫度偏差與功率偏差共同形成綜合溫度偏差，輸入到函數(shù)發(fā)生器，生成R棒組的方向信號(hào)和速度信號(hào)，信號(hào)發(fā)送到控制棒控制系統(tǒng)，自動(dòng)控制R棒組的運(yùn)動(dòng)。溫度控制子系統(tǒng)的自動(dòng)控制范圍為15%~100%FP。

R棒組除了調(diào)節(jié)平均溫度以外，還用于負(fù)荷瞬變期間協(xié)助G棒組完成反應(yīng)堆功率及軸向功率分布控制。CPR1000利用四個(gè)堆外中子探測(cè)器監(jiān)測(cè)反應(yīng)堆軸向功率偏差、軸向功率偏移以及方位角傾斜等變量，由操縱員手動(dòng)調(diào)節(jié)硼濃度及R棒組進(jìn)行反應(yīng)堆軸向功率分布控制[4]。

2AP1000功率控制系統(tǒng)控制策略

AP1000反應(yīng)堆功率控制系統(tǒng)由功率控制子系統(tǒng)、軸向功率偏差控制子系統(tǒng)組成。功率控制子系統(tǒng)通過(guò)調(diào)節(jié)M棒組自動(dòng)控制反應(yīng)堆冷卻劑平均溫度。軸向功率偏差控制子系統(tǒng)通過(guò)調(diào)節(jié)AO棒組自動(dòng)控制堆芯軸向功率偏差。此外，AP1000設(shè)置了快速降功率系統(tǒng)，用于發(fā)生大的甩負(fù)荷時(shí)快速降低核功率[5-6]。

2.1　功率控制子系統(tǒng)控制策略

功率控制子系統(tǒng)采用兩種控制策略，分別為高功率控制策略和低功率控制策略。在功率水平為15%~100%FP時(shí)，采用高功率控制策略；在功率水平為3%~15%FP時(shí)，采用低功率控制策略[7]。

2.1.1高功率控制策略

AP1000功率控制子系統(tǒng)高功率控制策略與CPR1000溫度控制子系統(tǒng)控制策略相同。AP1000功率控制子系統(tǒng)溫度偏差信號(hào)和功率偏差信號(hào)形成綜合溫度偏差信號(hào)，由該信號(hào)確定M棒組的運(yùn)動(dòng)速度和方向。

2.1.2低功率控制策略

AP1000功率控制子系統(tǒng)低功率控制策略直接對(duì)核功率進(jìn)行控制，利用核功率測(cè)量值與計(jì)算出的整定值間的功率失配信號(hào)驅(qū)動(dòng)M棒組運(yùn)動(dòng)。操縱員輸入要求的最終核功率及核功率變化率；核功率整定值計(jì)算器根據(jù)操縱員的輸入及核功率水平計(jì)算出一個(gè)變化的整定值；系統(tǒng)計(jì)算當(dāng)前核功率水平與整定值間的偏差，經(jīng)過(guò)函數(shù)發(fā)生器轉(zhuǎn)化為功率失配信號(hào)，由該信號(hào)確定M棒組的運(yùn)動(dòng)速度和方向，使反應(yīng)堆功率達(dá)到操縱員所要求的功率水平。低功率控制策略如圖3所示[7]。

圖3　低功率控制策略

2.2　軸向功率偏差控制子系統(tǒng)控制策略

軸向功率偏差控制子系統(tǒng)通過(guò)調(diào)節(jié)AO棒組，控制堆芯軸向功率偏差處于目標(biāo)帶范圍內(nèi)。

軸向功率偏差控制子系統(tǒng)的控制信號(hào)為軸向功率偏差測(cè)量值與目標(biāo)帶計(jì)算值的差值。軸向功率偏差測(cè)量值由保護(hù)系統(tǒng)功率量程中子注量率探測(cè)器測(cè)量。目標(biāo)帶計(jì)算值由軸向偏差目標(biāo)帶計(jì)算器根據(jù)核功率水平及操縱員輸入的軸向功率偏差目標(biāo)值、目標(biāo)帶寬和控制模式計(jì)算得出。當(dāng)電廠處于負(fù)荷調(diào)節(jié)模式時(shí)，核功率信號(hào)和軸向功率偏差信號(hào)將進(jìn)行滯后補(bǔ)償，以提供平滑的信號(hào)，從而避免AO棒組不必要的運(yùn)動(dòng)。為了避免相互干擾，在設(shè)計(jì)中采取功率控制優(yōu)先于軸向功率偏差控制的策略。

2.3　快速降功率系統(tǒng)控制策略

快速降功率系統(tǒng)觸發(fā)部分控制棒落入堆芯，使反應(yīng)堆功率快速減少到蒸汽排放系統(tǒng)所能處理的水平。當(dāng)發(fā)生50%FP以上的甩負(fù)荷時(shí)，快速降功率系統(tǒng)向控制棒控制系統(tǒng)發(fā)送信號(hào)觸發(fā)部分，控制棒落入堆芯，配合蒸汽排放控制系統(tǒng)及功率控制系統(tǒng)，使電廠能夠承受100%FP的甩負(fù)荷，而不觸發(fā)反應(yīng)堆緊急停堆，不需要向大氣排放蒸汽，也不要求打開(kāi)穩(wěn)壓器或蒸汽發(fā)生器的安全閥。快速降功率系統(tǒng)自動(dòng)控制范圍為50%~100%FP。

3控制策略對(duì)比分析

3.1　總體策略

功率控制系統(tǒng)的主要目標(biāo)是控制反應(yīng)堆功率與二回路功率的匹配，并滿足反應(yīng)堆功率分布的要求。從實(shí)現(xiàn)方式來(lái)看，CPR1000功率控制系統(tǒng)通過(guò)功率控制子系統(tǒng)與溫度控制子系統(tǒng)，分別對(duì)G棒組和R棒組進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆功率的粗調(diào)和精調(diào)。對(duì)于軸向功率分布的控制，則通過(guò)監(jiān)測(cè)相關(guān)參數(shù)，由操縱員手動(dòng)調(diào)節(jié)硼濃度及R棒組實(shí)現(xiàn)。AP1000功率控制系統(tǒng)通過(guò)功率控制子系統(tǒng)與軸向功率偏差控制子系統(tǒng)分別對(duì)M棒組和AO棒組進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆功率及軸向功率分布的調(diào)節(jié)。此外，AP1000設(shè)置了快速降功率系統(tǒng)，用于處理大的甩負(fù)荷工況。

從自動(dòng)運(yùn)行范圍來(lái)看，CPR1000溫度控制子系統(tǒng)僅能在15%FP以上自動(dòng)運(yùn)行，而AP1000功率控制子系統(tǒng)采用高、低功率兩種策略，在3%FP以上可自動(dòng)運(yùn)行，使得整個(gè)系統(tǒng)的自動(dòng)運(yùn)行范圍更廣，可以減少操縱員的工作負(fù)荷。

從功率控制與軸向功率分布控制相互作用來(lái)看，CPR1000功率控制與軸向功率分布控制都需要R棒組的參與，在實(shí)際控制過(guò)程中兩者之間可能會(huì)產(chǎn)生影響。AP1000功率控制與軸向功率分布控制相互獨(dú)立，采用不同的系統(tǒng)分別控制各自的控制對(duì)象，并賦予功率控制更高的優(yōu)先級(jí)，兩個(gè)子系統(tǒng)間不產(chǎn)生干擾[8]。

3.2　功率控制策略

CPR1000功率控制由功率控制子系統(tǒng)與溫度控制子系統(tǒng)共同實(shí)現(xiàn)，其中功率控制子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆功率的粗調(diào)，而溫度控制子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功率的精調(diào)。AP1000功率控制由功率控制子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，取消了通過(guò)棒位偏差進(jìn)行功率粗調(diào)的控制策略，而采用高功率和低功率兩種控制策略。AP1000功率控制子系統(tǒng)高功率控制策略與CPR1000溫度控制子系統(tǒng)控制策略相同，采用溫度偏差和功率偏差共同生成的綜合溫度偏差作為控制參數(shù)，而低功率控制策略是對(duì)核功率直接進(jìn)行控制。

3.3　軸向功率分布控制策略

CPR1000與AP1000軸向功率分布控制均采用“常軸向偏移”控制原理[9]，即反應(yīng)堆軸向功率偏移為恒定值，軸向功率偏差與反應(yīng)堆功率成正比，但兩者的控制策略不同。CPR1000軸向功率分布控制由操縱員手動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)。CPR1000利用堆外中子探測(cè)器監(jiān)測(cè)反應(yīng)堆軸向功率偏差、軸向功率偏移以及方位角傾斜等變量，由操縱員手動(dòng)調(diào)節(jié)硼濃度及R棒組實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆軸向功率分布的控制。AP1000軸向功率分布控制由軸向功率偏差控制子系統(tǒng)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。軸向功率偏差控制子系統(tǒng)將軸向功率偏差測(cè)量值與目標(biāo)帶計(jì)算值的差值作為控制信號(hào)，自動(dòng)控制反應(yīng)堆軸向功率分布，降低了由于人因產(chǎn)生錯(cuò)誤的可能。

3.4　甩負(fù)荷功率控制策略

CPR1000與AP1000在發(fā)生50%FP以上的甩負(fù)荷時(shí)，都能夠不觸發(fā)反應(yīng)堆緊急停堆，不需要向大氣排放蒸汽，也不要求打開(kāi)穩(wěn)壓器或蒸汽發(fā)生器的安全閥，但兩者控制策略不同。CPR1000蒸汽排放系統(tǒng)的設(shè)計(jì)容量較大，當(dāng)發(fā)生大的甩負(fù)荷時(shí)，通過(guò)蒸汽排放系統(tǒng)及反應(yīng)堆功率系統(tǒng)維持功率的平衡。AP1000引入快速降功率系統(tǒng)，通過(guò)使部分控制棒落入堆芯，使反應(yīng)堆功率快速降低到蒸汽排放系統(tǒng)可以處理的水平，配合功率控制系統(tǒng)，使反應(yīng)堆功率與二回路功率匹配。AP1000通過(guò)引入快速降功率系統(tǒng)，減少了蒸汽排放系統(tǒng)的設(shè)計(jì)容量，但可能會(huì)對(duì)反應(yīng)堆產(chǎn)生比較大的沖擊，在設(shè)計(jì)時(shí)需要特別考慮。CPR1000與AP1000反應(yīng)堆功率控制系統(tǒng)控制策略對(duì)比如表1所示。

表1　控制策略對(duì)比

4結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了CPR1000與AP1000反應(yīng)堆功率控制系統(tǒng)的控制策略，并進(jìn)行了對(duì)比分析。相比而言，AP1000功率控制系統(tǒng)在自動(dòng)化控制程度及控制范圍方面具有優(yōu)勢(shì)，有利于減少操縱員的負(fù)荷及產(chǎn)生人因錯(cuò)誤的可能。AP1000引入快速降功率系統(tǒng)，減少了蒸汽排放系統(tǒng)的設(shè)計(jì)容量，但由于直接釋放控制棒，可能會(huì)對(duì)反應(yīng)堆產(chǎn)生較大的沖擊，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)特別關(guān)注。此外，AP1000功率控制系統(tǒng)控制策略國(guó)內(nèi)經(jīng)驗(yàn)較少，其優(yōu)越性還需要經(jīng)過(guò)實(shí)踐的驗(yàn)證。

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中圖分類號(hào)：TP272；TL362

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201507013

修改稿收到日期：2014-09-22。

第一作者張瑜(1983-)，男，2007年畢業(yè)于北京航空航天大學(xué)機(jī)械制造及其自動(dòng)化專業(yè)，獲碩士學(xué)位，工程師；主要從事核電廠保護(hù)及功率控制系統(tǒng)的研究。