AP1000反应堆控制系统特点分析

功率水平控制系统的另外一个控制通道为前 馈通道，此通道的输入信号为核功率与汽轮机功 率失配信号，这个控制信号使得控制系统能够在 功率失配时迅速反应，为控制系统提供超前调节 作用，从而减小瞬态峰值。如在甩负荷工况下， 负荷突然降低，核功率与电功率失配，此时，前 馈通道的作用可以使系统在一回路平均温度变化 之前使控制棒适当动作。
4 3 种控制模式的比较
表 2 给出了 A 模式、G 模式及 AP1000 控制 模式的不同。通过对 A 模式、G 模式及 AP1000 控制模式优缺点的分析。可以看出，机组快速负 荷跟踪能力的强弱，主要取决于在特定情况下机 组对快速的功率效应所采取的补偿方法。如采用 调节硼酸浓度的方法进行补偿，会使得机组的负 荷跟踪能力十分有限，从经济性及安全性的角度 考虑也是不现实的；G 模式虽然也采用控制棒来 进行补偿，提高了反应性调节速率，但没有从根
在 AP1000 的控制模式下，棒控系统接收来 自功率控制系统的控制信号，根据棒速信号及方 向信号移动相应的控制棒。控制棒包括 M 棒及 AO 控制棒，具体配置信息见表 1。
表 1 AP1000 控制棒配置信息
Table 1 Control Rod Configuration
控制棒组件
数量
控制棒组件
如果机组需要进行快速负荷跟踪或参与电网 的频率调节，就必须具备快速负荷调节能力。在 目前的技术条件下，快速的负荷调节必须通过控 制棒（M 棒）来实现。为了使 M 棒对功率进行 快速调节时不对功率分布产生过大的扰动，引入 了灰棒。采用灰棒可以在较快调节功率的同时实 现功率分布的控制目标，这种模式即为 G 模式。 在 G 模式下，反应性功率效应的补偿通过 M 棒（包 括黑棒和灰棒）来完成，较慢的反应性效应（如 燃耗及氙毒效应等）则由硼酸浓度的调节来完成。 G 模式具有以下优缺点：
缺点：①该控制模式在已有的电厂机组中应 用较少，国内还没有此方面的经验。此种控制模 式对堆芯燃料布置、控制棒本身及运行提出了更 高的要求，要特别重视此方面的设计审查工作， 并要求西屋公司给出充分的证据来证明其设计的 合理性；②按照西屋公司的设计，功率水平控制 与功率分布控制之间不会产生干扰，但目前国内 没有这方面的运行经验。在实际运行中，如果二 者之间的干扰作用比较明显，则需要运行人员临 时应变或指定相应的预案。
优点：①由灰棒进行功率反应性补偿，使得 机组具备快速负荷跟踪能力，同时能够保证机组 功率分布的控制目标；②在功率下降后的功率回 升过程中，不存在硼稀释困难的问题。
缺点：①由于 M 棒与硼酸浓度的调节相互独 立，在降负荷后不能使用控制棒补偿由氙毒效应 引起的功率效应，使得运行灵活性降低。在寿期 末，当硼酸浓度很小时，仍然会出现稀释量大且 速率慢的问题；②功率水平控制与轴向功率分布 控制相互影响，使得反应堆的自动化控制变得较 为复杂；③在满功率运行时，轴向功率偏差的运 行范围较窄，而轴向功率偏差不能自动控制，因 此需要操纵员及时监视其动作趋势，与 A 模式存 在同样的人因隐患。
功率分布的调节相互独立，功率分布为 AO 棒的 单值函数，可实现功率分布的自动控制，降低了 运行时由于人因而发生某些事件的可能性；另外， 在功率调节过程及其他瞬态下，这种控制方式可 保证功率分布不发生畸变，不会出现堆芯热点， 从而保障燃料组件的安全；③由于负荷跟踪是通 过 M 棒来完成的，跟踪时不需要进行硼稀释操 作，因此跟踪速度较快。硼酸浓度的调节主要是 用来补偿燃耗及氙毒引起的反应性变化。AP1000 采用 M 棒进行功率调节的方法既能发挥 M 棒控 制灵活的特点，又能使 M 棒的作用与硼酸浓度的 调节作用相结合，使反应堆的控制更为灵活。
另外，AP1000 反应堆控制系统中设置了快 速降功率系统，保证机组在大幅度降负荷（超过 50%）时一、二回路功率能够快速匹配，稳定机 组的运行。快速降负荷系统的功能是在汽轮机负 荷大幅降低时下插一定数量的控制棒，降低核功 率，使得一、二回路功率得以快速匹配，这使得 机组能够接受 50%以上的大幅负荷降低。当功率 减小值小于 50%时，启动蒸汽排放系统来匹配一、 二回路。当探测到大幅负荷降低时，系统发出信 号控制预先选定的 M 棒下落，使得反应堆核功率 快速降低大约 50%。在大幅负荷降低的同时启动 蒸汽排放系统，并向功率控制系统发出功率失配 信号。在选定的控制棒释放后，功率控制系统将 继续控制其他的控制棒来调节一回路平均温度， 操纵员可以按照预定的程序将电厂再带回正常状 态。快速降负荷系统降低了蒸汽旁路排放能力的 设计值，减少了蒸汽排放阀的数量，简化了控制。
通过 A 模式的运行特点及其调节手段的介 绍，总结出了 A 模式的优缺点：
优点：①在正常运行时，只需要调节硼酸浓 度来补偿燃耗和调节轴向功率偏差使其在运行 梯形图的运行带之内，机组在额定功率运行，经 济性较好；②棒控系统控制设计较为简单，便于
收稿日期：2010-06-17；修回日期：工程
Vol. 32. No. 4. 2011
为了防止 M 棒与 AO 棒之间可能出现的干 扰，当二者控制信号出现冲突时，M 棒控制信号 占主导地位，M 棒移动时，AO 棒被闭锁移动。 在瞬态下的调节过程中，如果 M 棒与 AO 棒之间 的闭锁功能不完善，则可能出现二者动作相互干 扰而引起控制的混乱，使得功率分布出现较大的 变化。鉴于逻辑的复杂性及国内电厂曾经出现过 的文件审查方面的问题，在进行系统审查和调试 时，要制定完整的计划及试验项目，确保系统的 可用性及可靠性。
段主要包括： （1）移动控制棒（A、B、C、D 组）：该方
式的特点是调节速度快，但由于 A 模式中控制棒 均为吸收中子能力较强的黑棒，因此单纯的控制 棒调节会导致功率在轴向分布的畸变，长时间运 行可能危及燃料组件的安全。为确保堆芯安全， 实现恒定轴向功率偏移（AO）的控制目标，必须 把控制棒的移动限制在一定范围之内。
数量
灰棒组件 A (MA)
4
轴向偏移控制组(AO 件)
9
灰棒组件 B (MB)
4
停堆组件 1 (SD1)
8
灰棒组件 C (MC)
4
停堆组件 2 (SD2)
8
灰棒组件 D (MD)
4
停堆组件 3 (SD3)
8
黑棒组件 1 (M1)
4
停堆组件 4 (SD4)
8
黑棒组件 2 (M2)
8
—
—
AP1000 的控制模式具有以下优缺点： 优点：①采用灰棒进行功率反应性补偿，机 组具备快速负荷跟踪能力；②功率水平的调节与
关键词：反应堆功率控制；A 模式；G 模式；AP1000；负荷跟踪 中图分类号：TL36 文献标志码：A
1引言
目前国内的核电机组一般都是带基本负荷运 行，只有在用电淡季才会按照电网的要求在短时 间内降低到一定负荷，核电机组基本不参与负荷 调节与跟踪。随着核电在电力生产中所占的比重 越来越大，核电机组将不能只带基本负荷运行， 电网也需要核电机组通过参与负荷调节和频率调 节等来提高电网的稳定性及供电质量，这对核电 机组的控制提出了更高的要求。早期核电机组的 控制模式一般为 A 模式。随着核电的发展，法国 法马通公司提出了 G 模式，目前法国国内大型核 电机组（功率≥1300 MW）一般都采用 G 模式， 部分机组采用 A 模式与 G 模式配合运行。与 A 模式相比，G 模式在负荷调节速率方面有了较大 的改善，但仍存在一些问题，需要进一步改善。 全球首台 AP1000 核电机组的反应堆控制模式将 不同于 A 模式及 G 模式，AP1000 控制模式采用 革新的功率水平与功率分布独立控制思想，提高 了机组运行的灵活性和安全性。
功率水平控制系统有 2 个控制通道：①闭环 调节通道；②前馈通道。
闭环调节通道通过实测平均温度与参考平均 温度之间的偏差来进行控制。实测平均温度表征 一回路功率，参考平均温度表征二回路功率。平 均温度控制系统的执行机构为 M 棒组，棒控系统 根据温度偏差信号的大小及极性来确定控制棒的 移动速度及移动方向。为了防止控制棒的频繁移 动，平均温度的控制设置了一定的死区，在不同 运行模式下（负荷跟踪、频率调节、带基本负荷）， 控制系统的死区是不一样的，负荷跟踪和频率调 节模式下的死区比带基本负荷模式下的死区宽， 有助于利用反应堆自身的反应性反馈来稳定反应 堆，可以减少控制棒的移动，减缓控制棒磨损。
表 2 控制模式比较
Table 2 Comparison of Control Modes
项目
A 模式
G 模式
AP1000 模式
功率水平 调节
黑棒+调节硼酸浓度
第 32 卷 第 4 期 2011 年 8 月
文章编号：0258-0926(2011)04-0062-04
核动力工程
Nuclear Power Engineering
Vol.32. No.4 Aug. 2011
AP1000 反应堆控制系统特点分析
张小冬 1，刘 琳 2
（1. 中核集团三门核电有限公司，浙江三门，317112；2. 中国核工业集团公司，北京，100822）
在低功率下，当汽轮机停机而蒸汽排放系统 启动来控制一回路平均温度时，通过操纵员手动 输入目标功率值及功率变化速率直接对反应堆的 功率进行控制。 3.2 功率分布控制系统
AP1000 采用单独的功率分布控制系统，通 过设置轴向功率偏移控制棒（AO棒）来进行功率 分布控制。轴向功率偏差控制系统的主要功能是： 在负荷跟踪及电网频率改变的瞬态下，将轴向功 率偏移控制在规定范围内。当轴向功率偏移测量 值超出预定范围时，系统发出控制信号使 AO 棒 移动，从而达到功率分布的控制目标。AO 棒分 为 2 组，一组包含 4 束控制棒，一组包含 5 束控 制棒，这 2 组 AO 棒在上提和下插的过程中遵循 交替移动的原则。
摘要：通过对核电机组常见的控制模式以及 AP1000 采用的控制模式的介绍，总结出各种模式的优缺点， 并分析 AP1000 所采取的控制模式的先进性，对三门核电厂首台机组及后续机组的运行控制模式提出建议； 还结合 AP1000 反应堆功率控制系统的特点，对在正常运行期间可能遇到的问题加以分析，并提出相应的对 策。