毛文禮

(中核遼寧核電有限公司，遼寧 葫蘆島 125100)

0 引言

AP1000 快速降功率系統(tǒng)與二代核電站有很大的不同，在滿功率情況下出現(xiàn)汽輪機故障跳閘時，通過快速降功率系統(tǒng)動作，將反應堆功率降低到汽輪機旁排系統(tǒng)和反應堆功率控制系統(tǒng)能夠控制的水平，避免反應堆停堆和主蒸汽安全閥打開。

汽輪機旁排系統(tǒng)為一回路提供一個人為的負荷，將主蒸汽旁路到凝汽器，排放能力為40%額定蒸汽流量。反應堆控制系統(tǒng)能夠調節(jié)10%的階躍降負荷或負荷每分鐘線性變化5%。汽輪機旁排系統(tǒng)和反應堆功率控制系統(tǒng)總共能夠滿足50%的機組甩負荷。大于50%的階躍甩負荷或汽輪機在50 %負荷以上的跳閘工況，超過了上述兩個系統(tǒng)的調節(jié)能力，會導致一回路過熱。這些工況下，快速降功率系統(tǒng)需要動作，快速降低核功率，防止一回路過熱。

1 快速降功率系統(tǒng)的觸發(fā)

AP1000 反應堆有69 束棒束控制組件，按功能可分為功率控制棒組（M 棒組）、軸向偏移棒組（AO 棒組）和停堆棒組（SD 棒組）。負荷跟蹤時，反應堆功率控制系統(tǒng)調節(jié)M 棒組的提升和下插，保持一、二回路的功率匹配。AO 棒組用于調整堆芯軸向功率分布。停堆棒組用于保證反應堆停堆后具有足夠的停堆裕度?？焖俳倒β氏到y(tǒng)也是通過棒束控制組件來實現(xiàn)其功能的，快速降功率系統(tǒng)動作信號產(chǎn)生后，釋放預先選定的停堆棒組和中心的AO 棒。

快速降功率系統(tǒng)釋放的棒組由操縱員依據(jù)BEACON（堆芯核運行最佳評估分析器）來選定。通過對持續(xù)監(jiān)測的堆芯熱功率數(shù)據(jù)進行匯總得到堆芯的燃耗分布情況，根據(jù)堆芯燃耗分布情況和堆功率水平給出推薦的快速降功率時需要插入堆芯的停堆棒組和中心的AO 棒，經(jīng)操縱員確認后，最終選定棒組。

圖1 AP1000 快速降功率系統(tǒng)示意圖

只有在發(fā)生階躍甩負荷超過50%額定功率或汽輪機在50%以上負荷跳機時才會觸發(fā)快速降功率系統(tǒng)動作，因此快速降功率系統(tǒng)的觸發(fā)有兩個條件：1）核功率大于50%額定功率；2）汽輪機甩負荷超過50%額定負荷（如圖1 所示）。以100 %功率時汽輪機跳閘來說明快速降功率系統(tǒng)的運行。該工況下產(chǎn)生保持的快速降功率信號，系統(tǒng)觸發(fā)，將預先選定的棒組斷電，棒組在重力作用下插入堆芯，迅速將反應堆功率降至50%左右。反應堆功率控制系統(tǒng)根據(jù)一回路平均溫度Tavg與二回路參考溫度Tref之間的偏差信號將M 棒組插入堆芯，反應堆功率逐漸降低。此時由于反應堆有功率存在，而汽輪發(fā)電機組已跳閘，因此一、二回路熱量不平衡。然后判斷二回路是否可用，若二回路不可用，則需要將反應堆停堆；若二回路可用（主給水泵在運行，蒸汽發(fā)生器液位維持正常穩(wěn)定，汽輪機旁排系統(tǒng)可用，凝汽器可用等），則在各系統(tǒng)的協(xié)作下，導出一回路多余的熱量，維持一回路溫度。當反應堆功率下降到低于15%，反應堆功率控制系統(tǒng)將進入低功率模式，操縱員設定一個目標功率和速率，維持反應堆功率在12%～15%之間，此時熱量通過汽輪機旁排系統(tǒng)帶走。

2 P-17 邏輯和Runback 功能

2.1 P-17 閉鎖邏輯

核功率負變化率高于15%/秒時，產(chǎn)生P-17 信號，如圖1 所示。該信號閉鎖了M 棒組的自動和手動提升，AO 棒組的自動下插，AO 棒組的自動和手動提升。這樣就避免了快速降功率觸發(fā)時，由于停堆棒組的落棒導致處于自動狀態(tài)的M 棒組和AO 棒組提出。該閉鎖信號未閉鎖M 棒組的自動插棒，在快速降功率觸發(fā)后，M 棒組將根據(jù)一回路平均溫度Tavg與二回路參考溫度Tref的偏差進行插棒。P-17 是一個保持的信號，若要進行棒的提升操作，需要手動進行復位。

2.2 Runback 功能

汽輪機大的甩負荷工況時，由于快速降功率系統(tǒng)的動作向堆芯插入了停堆棒組和AO 棒，可能引入過量的負反應性，使反應堆功率的下降多于汽輪機功率的下降。AP1000 的反應堆設計中，在沒有主動控制干預時，堆芯功率跟隨汽機功率運行。一、二回路功率失配引起冷卻劑平均溫度Tavg增加或降低，由于負的慢化劑的溫度系數(shù)，Tavg的改變反過來影響堆芯功率，直到達到新平衡。也就是說快速降功率系統(tǒng)動作時，即使引入了過量的負反應性，堆芯功率最終會恢復到與汽機功率一致，但是降低了一回路平均溫度Tavg。導致一回路過冷。因此在快速降功率系統(tǒng)動作后汽輪機需要Runback。

使用溫度/功率失配信號和快速降功率信號來控制汽輪機Runback。如圖1 所示，當快速降功率信號出現(xiàn)，且溫度/功率失配信號大于一個帶有回環(huán)的設定值時，汽機負荷將會產(chǎn)生Runback，以一定速率降低汽機負荷。從快速降功率信號出現(xiàn)到Runback 有一個延時，其目的是防止在甩負荷瞬態(tài)之初就觸發(fā)汽輪機Runback。當溫度/功率偏差信號小于設定值減去一個回環(huán)值后，汽輪機Runback 信號消失。

3 快速降功率系統(tǒng)落棒恢復

3.1 反應性補償

圖2 反應堆快速降功率動作后硼濃度及氙價值變化示意圖

反應堆功率由100%降到15%過程中，甩負荷后的反應性由快速降功率棒組和M 棒組的下插來補償。反應堆功率降到15%左右后，由于氙濃度的積累，向堆芯引入負反應性。若要使功率穩(wěn)定在這一水平運行，應該在快速降功率觸發(fā)后立即對一回路進行稀釋，降低硼濃度，以補償氙毒引入的負反應性。稀釋速率取決于穩(wěn)定在15%功率水平的時間長短，在0～30 分鐘內需要的稀釋流量是15.67m3/h。落棒恢復過程中，通過移動M 棒組來補償快速降功率棒組提升引入的正反應性和氙濃度增加引入的負反應性。圖2所示為反應堆穩(wěn)定在15%功率運行1 小時后，進行落棒恢復（持續(xù)2小時），一回路硼濃度及氙價值的變化示意圖。

3.2 落棒恢復策略

在15%功率水平時，若要將快速降功率系統(tǒng)動作而掉落的棒組恢復到原先位置，首先要停止對一回路的稀釋。然后通過將控制棒置于單棒控制模式，手動提升快速降功率棒組中的停堆棒，在停堆棒的提升過程中，控制M 棒的移動來維持反應堆功率恒定在15%。停堆棒恢復完畢后，再恢復掉落的AO 棒到其原先位置，當M 棒組中的M1 棒組接近棒的插入限值時，就需要進行硼化。一回路硼濃度增加將M 棒組趕到需要的位置。

4 總結

AP1000 快速降功率系統(tǒng)的設計，以及與其它一、二回路系統(tǒng)的相互協(xié)作，實現(xiàn)了電站停機不停堆的功能，從而減少了機組再次投入并網(wǎng)運行的時間，提高了電站的經(jīng)濟性。引用BEACON 系統(tǒng)進行快速降功率系統(tǒng)的棒組選擇，提高了靈活性。由于BEACON 在國內核電屬于首次應用，且是一個非安全相關系統(tǒng)，BEACON 系統(tǒng)的可靠性將影響快速降功率功能的實現(xiàn)。

快速降功率動作后，核功率要穩(wěn)定在15%水平運行，就要立即進行稀釋操作。若操縱員由于耽擱而未能快速響應，氙濃度的積累將引起反應堆進入次臨界。一旦反應堆處于次臨界且核功率下降到5%以下，操縱員就需要停堆。

［1］車濟堯.三門核電站停機不停堆的運行分析[J].中國核電,2014(3).