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        秦山第二核電廠反應(yīng)堆功率系數(shù)應(yīng)用分析

        2019-08-22 03:25:52
        中國(guó)核電 2019年3期
        關(guān)鍵詞:秦山冷卻劑平均溫度

        (中核核電運(yùn)行管理有限公司,浙江 海鹽 314300)

        當(dāng)反應(yīng)堆功率發(fā)生變化時(shí),堆芯冷卻劑溫度、核燃料溫度和冷卻劑空泡份額等都發(fā)生相應(yīng)的變化,這些變化又引起反應(yīng)性的變化。功率系數(shù)定義為反應(yīng)堆功率變化1%FP,由堆芯冷卻劑溫度、核燃料溫度和冷卻劑空泡份額發(fā)生變化所引起的反應(yīng)性變化量,以Δρ/%FP表示[1]。

        當(dāng)反應(yīng)堆的堆芯設(shè)計(jì)完成后,可以得到設(shè)計(jì)的功率系數(shù)。在反應(yīng)堆的功率升降操作中,操縱員就可以參考設(shè)計(jì)的功率系數(shù),計(jì)算反應(yīng)性變化,進(jìn)行控制棒和硼酸的相關(guān)操作,因此,功率系數(shù)對(duì)反應(yīng)堆運(yùn)行具有重要指導(dǎo)作用。

        但是反應(yīng)堆機(jī)組不同的功率運(yùn)行情況,功率系數(shù)的應(yīng)用是不一樣的,本文對(duì)功率系數(shù)的應(yīng)用情況進(jìn)行具體分析。

        1 功率系數(shù)的原理

        功率系數(shù)αP可用下式(1)表示:

        (1)

        式中:dP——功率變化和堆芯冷卻溫度變化引起的點(diǎn)反應(yīng)性變化;

        dρ——堆芯冷卻劑溫度變化、核燃料溫度和冷卻劑空泡份額發(fā)生改變引起的總反應(yīng)性變化;

        dρm——堆芯功率變化后,冷卻劑溫度變化引入的反應(yīng)性;

        dρf——堆芯功率變化后,燃料溫度變化引入的反應(yīng)性;

        dρx——堆芯功率變化后,冷卻劑空泡份額變化引入的反應(yīng)性。

        對(duì)于壓水堆而言,冷卻劑空泡份額是很小的,其隨功率變化也是很小的,因此壓水堆的功率系數(shù)主要取決于功率變化過(guò)程中冷卻劑溫度變化和燃料溫度變化引入的反應(yīng)性,這兩項(xiàng)可分別表示為式(2)和式(3):

        (2)

        (3)

        式中:dTm——冷卻劑溫度的變化;

        dTf——燃料溫度變化;

        式(2)和式(3)中幾個(gè)計(jì)算功率系數(shù)的因子,在反應(yīng)堆運(yùn)行中,與運(yùn)行工況直接相關(guān)的是冷卻劑溫度隨功率的變化,并間接影響慢化劑溫度系數(shù)、燃料多普勒溫度系數(shù)和燃料溫度隨功率的變化,從而進(jìn)一步對(duì)功率系數(shù)產(chǎn)生影響。

        冷卻劑溫度與反應(yīng)堆功率的對(duì)應(yīng)關(guān)系從設(shè)計(jì)上來(lái)說(shuō)是固定的,秦山第二核電廠冷卻劑平均溫度和反應(yīng)堆功率的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖1所示。

        圖1 秦山第二核電廠冷卻劑平均溫度和反應(yīng)堆功率的對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.1 Corresponding relations between coolant temperature and reactor power of Qinshan 2

        理論計(jì)算功率系數(shù)正是基于冷卻劑溫度與反應(yīng)堆功率的這種對(duì)應(yīng)關(guān)系。該對(duì)應(yīng)關(guān)系在反應(yīng)堆運(yùn)行中通過(guò)功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。但是反應(yīng)堆機(jī)組的部分運(yùn)行工況中,冷卻劑溫度與反應(yīng)堆功率的對(duì)應(yīng)關(guān)系會(huì)偏離原設(shè)計(jì),在這些情況下,設(shè)計(jì)功率系數(shù)的應(yīng)用需要進(jìn)一步分析。

        功率虧損的設(shè)計(jì)值與試驗(yàn)結(jié)果相對(duì)偏差的絕對(duì)值驗(yàn)收準(zhǔn)則為不超過(guò)15%,考慮到功率虧損和功率系數(shù)的關(guān)系,可以認(rèn)為,反應(yīng)堆運(yùn)行中的功率系數(shù)偏離設(shè)計(jì)值15%時(shí),原設(shè)計(jì)的功率系數(shù)不能應(yīng)用。

        2 功率系數(shù)應(yīng)用分析

        2.1 機(jī)組并網(wǎng)前功率系數(shù)的應(yīng)用

        機(jī)組在并網(wǎng)前,反應(yīng)堆控制棒處于手動(dòng)控制,汽輪機(jī)旁路排放系統(tǒng)處于壓力控制模式[2],該控制模式下,冷卻劑平均溫度與反應(yīng)堆功率的對(duì)應(yīng)關(guān)系趨勢(shì)大致符合設(shè)計(jì),但有一定的偏差。圖2是秦山第二核電廠某臺(tái)機(jī)組某次并網(wǎng)前冷卻劑平均溫度和反應(yīng)堆功率的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

        圖2 秦山第二核電廠并網(wǎng)前冷卻劑溫度和反應(yīng)堆功率的對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.2 Corresponding relations between coolant temperature and reactor power before grid connection of Qinshan 2

        可見(jiàn),反應(yīng)堆機(jī)組并網(wǎng)前的冷卻劑平均溫度與反應(yīng)堆功率的對(duì)應(yīng)關(guān)系偏離了原設(shè)計(jì),圖2中偏離幅度在3 ℃以?xún)?nèi)。使用ORIENT[3]計(jì)算了秦山第二核電廠2號(hào)機(jī)組第11循環(huán)冷卻劑平均溫度偏離原設(shè)計(jì)后對(duì)功率系數(shù)的影響,見(jiàn)表1。

        表1 冷卻劑平均溫度對(duì)功率系數(shù)的影響Table 1 Influence of coolant temperature to power coefficient

        反應(yīng)堆功率15%FP,冷卻劑平均溫度偏離設(shè)計(jì)溫度±2 ℃時(shí),功率系數(shù)與原設(shè)計(jì)值的偏差不超過(guò)±6%;冷卻劑平均溫度偏離設(shè)計(jì)溫度±4 ℃時(shí),功率系數(shù)與原設(shè)計(jì)值的偏差不超過(guò)±15%。

        因此,機(jī)組并網(wǎng)前,可以使用設(shè)計(jì)的功率系數(shù)計(jì)算功率變化過(guò)程中的反應(yīng)性。

        2.2 機(jī)組并網(wǎng)后正常升降功率情況下功率系數(shù)的應(yīng)用

        秦山第二核電廠在反應(yīng)堆機(jī)組并網(wǎng)后的正常運(yùn)行工況下,控制棒處于自動(dòng)控制,機(jī)組計(jì)劃性的升降功率速率一般為3 MW/min。圖3是某臺(tái)機(jī)組的一次降功率過(guò)程,降功率速率為3 MW/min??梢?jiàn),此種情況下,冷卻劑平均溫度與反應(yīng)堆功率的對(duì)應(yīng)關(guān)系基本與設(shè)計(jì)相符,偏差一般在±1 ℃以?xún)?nèi),根據(jù)表1的計(jì)算,可以使用設(shè)計(jì)的功率系數(shù)計(jì)算功率變化過(guò)程中的反應(yīng)性。

        圖3 秦山第二核電廠降功率過(guò)程冷卻劑溫度和反應(yīng)堆功率的對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.3 Corresponding relations between coolant temperature and reactor power through falling power of Qinshan 2

        2.3 功率瞬態(tài)情況下功率系數(shù)的應(yīng)用

        這里的功率瞬態(tài)是指反應(yīng)堆在帶負(fù)荷運(yùn)行中,電功率出現(xiàn)快速變化的情況。此時(shí)控制棒處于自動(dòng)狀態(tài),反應(yīng)堆功率隨電功率的快速變化而變化。在這種情況下,反應(yīng)堆冷卻劑溫度變化相對(duì)于功率的變化是滯后的,冷卻劑平均溫度和功率的對(duì)應(yīng)關(guān)系并不能處于很好的狀態(tài)。圖4是秦山第二核電廠的某次功率快速變化過(guò)程。

        在圖4中,電功率從640 MW以20 MW/min的速率降功率到600 MW,之后立即以20 MW/min升功率到640 MW。在這個(gè)電功率變化過(guò)程中,反應(yīng)堆功率跟隨電功率迅速變化,但是冷卻劑平均溫度在反應(yīng)堆功率快速變化過(guò)程中并不能與反應(yīng)堆功率變化完全同步。其實(shí)際變化過(guò)程是一個(gè)先上升后下降,再上升的過(guò)程。若與反應(yīng)堆功率相對(duì)應(yīng),冷卻劑平均溫度最低應(yīng)下降1.2 ℃,實(shí)際其只下降了0.6 ℃??紤]到壽期中至壽期末慢化劑溫度系數(shù)對(duì)功率系數(shù)的貢獻(xiàn)約為50%,因此,用設(shè)計(jì)的功率系數(shù)來(lái)計(jì)算反應(yīng)性顯然會(huì)與實(shí)際存在較大的偏差。

        圖4 秦山第二核電廠功率快速變化中冷卻劑溫度和反應(yīng)堆功率的對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.4 Corresponding relations between coolant temperature and reactor power through quick power change of Qinshan 2

        秦山第二核電廠一般升降功率速率不超過(guò)5 MW/min,其他功率變化速率大于5 MW/min的運(yùn)行情況一般為功率階躍、甩負(fù)荷及試驗(yàn),保守考慮,這些運(yùn)行情況下使用設(shè)計(jì)的功率系數(shù)計(jì)算反應(yīng)性時(shí),其結(jié)果應(yīng)作為參考,,而不作為操作依據(jù)

        2.4 降參數(shù)延伸運(yùn)行時(shí)功率系數(shù)的應(yīng)用

        降參數(shù)延伸運(yùn)行[4-5]是指改變功率與冷卻劑溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系,通過(guò)冷卻劑溫度降低釋放出來(lái)的反應(yīng)性來(lái)達(dá)到延伸運(yùn)行的目的。圖5是降參數(shù)延伸運(yùn)行中功率和冷卻劑溫度對(duì)應(yīng)關(guān)系改變的示意圖。運(yùn)行中需要根據(jù)具體的燃料管理論證結(jié)果和延伸運(yùn)行策略決定冷卻劑溫度的降低幅度。

        圖5 降參數(shù)延伸運(yùn)行中功率和溫度對(duì)應(yīng)關(guān)系的改變Fig.5 Corresponding relation change between coolant temperature and reactor power in stretch-out operation

        當(dāng)采用降參數(shù)延伸運(yùn)行時(shí),慢化劑平均溫度與反應(yīng)堆功率的對(duì)應(yīng)關(guān)系發(fā)生了改變,使用ORIENT計(jì)算了降參數(shù)延伸運(yùn)行后的功率系數(shù)(秦山第二核電廠2號(hào)機(jī)組11循環(huán)數(shù)據(jù))。如表2所示。

        表2 延伸運(yùn)行的功率系數(shù)

        可見(jiàn)延伸運(yùn)行后,高功率情況下的功率系數(shù)有一定的變化,考慮到延伸運(yùn)行需要重新進(jìn)行核設(shè)計(jì),并會(huì)得到新的功率系數(shù),因此,延伸運(yùn)行工況下需要使用新的設(shè)計(jì)功率系數(shù)進(jìn)行反應(yīng)性計(jì)算。

        2.5 部分試驗(yàn)工況下功率系數(shù)的應(yīng)用

        對(duì)于某些特別的試驗(yàn),設(shè)計(jì)的功率系數(shù)是不適用的,例如反應(yīng)性系數(shù)測(cè)量試驗(yàn)[6]。該試驗(yàn)是在50%FP和100%FP功率水平下,控制棒置于手動(dòng)狀態(tài),以30 MW/min的速率降低電功率30 MW,測(cè)定堆芯的反應(yīng)性變化。圖6是秦山第二核電廠某次反應(yīng)性試驗(yàn)中,反應(yīng)堆功率和冷卻劑平均溫度的變化。可見(jiàn)在這個(gè)過(guò)程中,反應(yīng)堆功率和冷卻劑平均溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系與設(shè)計(jì)的對(duì)應(yīng)關(guān)系完全不符,因此,在這個(gè)過(guò)程中設(shè)計(jì)的功率系數(shù)已不再適用。

        圖6 反應(yīng)性系數(shù)試驗(yàn)中功率和溫度對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.6 Corresponding relations between coolant temperature and reactor power in reactivity coefficient test

        2.6 蒸汽發(fā)生器和汽輪機(jī)進(jìn)汽調(diào)門(mén)之間設(shè)備異常時(shí)功率系數(shù)的應(yīng)用

        秦山第二核電廠在機(jī)組正常的并網(wǎng)運(yùn)行時(shí),反應(yīng)堆的控制系統(tǒng)是基于平均溫度和參考溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系,當(dāng)蒸汽發(fā)生器和汽輪機(jī)進(jìn)汽調(diào)門(mén)之間的設(shè)備出現(xiàn)異常時(shí),例如旁路管線有蒸汽泄漏等,就會(huì)使這種對(duì)應(yīng)關(guān)系發(fā)生改變。

        對(duì)于秦山第二核電廠而言,當(dāng)機(jī)組滿(mǎn)功率運(yùn)行時(shí),蒸汽發(fā)生器和汽輪機(jī)進(jìn)汽調(diào)門(mén)之間的蒸汽泄漏造成的功率損失相當(dāng)于反應(yīng)堆額定功率的1%時(shí),會(huì)造成冷卻劑平均溫度偏離原設(shè)計(jì)-0.192 ℃,即使蒸汽泄漏造成的功率損失相當(dāng)于反應(yīng)堆額定功率的5%時(shí),平均溫度偏離也僅約-1.0 ℃,根據(jù)表1的計(jì)算結(jié)果,這對(duì)設(shè)計(jì)功率系數(shù)的影響很小。而且不是極端情況下,蒸汽發(fā)生器和汽輪機(jī)進(jìn)汽調(diào)門(mén)之間蒸汽泄漏也不可能如此高。因此,蒸汽發(fā)生器和汽輪機(jī)進(jìn)汽調(diào)門(mén)之間一般的設(shè)備異常對(duì)功率系數(shù)的影響可忽略。

        3 結(jié) 論

        根據(jù)本文的分析可以得出如下結(jié)論:

        1)機(jī)組并網(wǎng)前、并網(wǎng)后的升降功率、蒸汽發(fā)生器和汽輪機(jī)進(jìn)汽調(diào)門(mén)之間一般的設(shè)備異常等運(yùn)行工況,設(shè)計(jì)的功率系數(shù)適用;

        2)反應(yīng)堆功率變化速率大于5 MW/min的功率階躍、甩負(fù)荷及試驗(yàn)和部分導(dǎo)致冷卻劑平均溫度嚴(yán)重偏離原設(shè)計(jì)的試驗(yàn)工況,設(shè)計(jì)的功率系數(shù)不適用;

        3)降參數(shù)延伸運(yùn)行時(shí),根據(jù)冷卻劑平均溫度降低的幅度需重新計(jì)算功率系數(shù)。

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