壓水堆功率調節系統

基本介紹

• 中文名：壓水堆功率調節系統  
• 外文名：PWR　power　control　system

根據汽輪機負荷和反應堆冷卻劑的平均溫度，操縱控制棒在堆芯中的位置，以調節反應堆的功率，使其與汽輪發電機組的出力相匹配。同時根據反應堆軸向功率偏移信號，手動或自動調節冷卻劑中的硼濃度，調整控制棒在堆芯中的位置，以調節反應堆軸向功率分布。

調節特性

壓水堆具有良好的自調特性，但隨負荷變化參數波動很大。為改善調節性能必須讓控制棒參加調節。壓水堆核電廠的調節特性有平調節特性、過調節特性、中間調節特性、組合調節特性四種。

(1)平調節特性:其特點是當負荷變化時維持一迴路的平均水溫不變。此時控制棒參加的調節量較小，僅需補償都卜勒效應引起的反應性變化。但蒸汽參數會隨負荷增加而下降，平均每增加1%負荷，蒸汽溫度下降0.35~0.45℃。這將影響汽輪機熱效率。

(2)過調節特性:當負荷變化時，蒸汽參數維持不變，但一迴路的平均溫度變化較大，平均每增加1%負荷，迴路平均溫度上升0.3~0.4℃。由於溫度效應和都卜勒效應的作用，反應性變化較大，要求控制棒系統具有較大的補償能力，因此在適應負荷變化的能力上較差。

(3)中間調節特性:介於上述兩者之間的調節特性。例如，負荷每增加1%，一迴路平均溫度上升約0.22℃，而蒸汽溫度下降約0.1~0.15℃。

(4)組合調節特性:系兩種不同調節特性的組合。即在低負荷段採用過調節特性或中間調節特性，以適應較小較慢的負荷變化；而在高負荷段採用平調節特性，以適應較大較快的負荷變化。

大容量、高比功率的壓水堆一般具有後兩類調節特性。

調節系統的組成

該系統由四個電子邏輯迴路組成，即主控制迴路、整定值確定迴路、出力不一致迴路、控制棒驅動迴路(見圖1)。

圖1 壓水堆功率調節系統

—冷卻劑第1、第i環路的進、出堆溫度；—第1、第i環路平均溫度；

p_s—二迴路蒸汽壓力；φ_N—反應堆中子注量率；T_AVmax—迴路最高平均溫度；T_REF—平均溫度整定值；

p_L—汽輪機第一級後壓力；L，P，T—水位、壓力、溫度監測儀表

(1)主控制迴路:在實際運行時，壓水堆各迴路的平均溫度可能有差異。為安全起見，將各迴路的平均溫度輸入信號送到高參數選擇器，選擇其中最高的迴路平均溫度參數作為控制信號。然後，經濾波電路，除去噪聲；經相位補償電路，補償由反應堆冷卻劑的熱容量引起的信號時滯。將上述補償校正後的信號輸入信號比較裝置，與給定的整定值相比較，其偏差就作為控制棒驅動迴路的控制信號。

(2)整定值確定迴路:按照選定的調節特性，根據汽輪機的出力，給出相應的迴路冷卻劑平均溫度整定值信號，送入信號比較裝置。汽輪機出力信號可通過下述方式測得:①測出高壓缸第一級後的壓力，它正比於汽輪機的出力；②測出核電廠發電部分的功率(圖上所採用的是第一種方式)。其中整定值程式器的輸入、輸出特性由所選擇的調節特性確定。延滯補償用來使整定值信號產生時滯。當出現微小急劇的負荷波動時，由核電廠的迴路熱容量來補償這些負荷波動，沒有必要使反應堆功率跟蹤這類負荷變化，從而避免控制棒過於頻繁地來回調整。

(3)出力不一致迴路:輸入端引入汽輪機負荷信號及反應堆中子注量率信號。其偏差反映過渡過程中堆功率和汽輪機出力不平衡情況。採用前饋原理，經微分電路二次放大後，輸入信號比較裝置，以加速控制系統的回響速度，提高系統的穩定性。第一級非線性放大造成的不平衡量越大，回響速度增加越多。為減少高出力時功率調節系統的超調量，設有第二級非線性放大，其增益隨汽輪機出力增加而減少。

(4)控制棒驅動迴路:根據信號比較裝置的輸出信號，驅動控制棒。控制棒的動作速度正比於該輸出信號的大小，但不能超過最大允許速度。其特性曲線由信號放大環節確定，為了在平衡點附近消除控制棒驅動電機開關線路的強制振盪和自激振盪，特性曲線在零點附近設有不靈敏區和滯後特性。控制棒驅動迴路還設有連鎖裝置，在反應堆運行不正常時或控制系統故障時，禁止提升控制棒。連鎖裝置還允許轉換到手動控制。控制棒驅動電路受停堆斷路器矩陣控制，當控制棒驅動電源斷開時，功率調節系統的控制棒和其他控制棒一起，自動下落，插入堆芯。

壓水堆上共有30~50多束控制棒，它們分成若干個控制棒組。在正常運行工況下，大多數控制棒組都處在堆芯上部，僅1~2組控制棒組插入堆芯，受功率調節系統控制，進行反應堆功率調節。其中一組工作，一組處於熱備用狀態。每一組控制棒組又分成兩個子組，它們交替移動，以便使每一步移動獲得較小的反應性變化增量。每一子組內的所有控制棒束同時移動。控制棒束的移動速度為每分鐘6~72步。

軸向功率分布調節有兩種不同的調節方式。

第一種方式為美國80年代開發的，其基本原理是將堆芯外長中子電離室測得的軸向功率偏移信號與目標帶信號進行比較。軸向功率偏移定義為上、下部電離室電流之差與上、下部電離室電流之和的比值。目標帶與反應堆功率、燃耗和氙濃度有關。如果實測的軸向功率偏移超出目標帶，則自動驅動化學和容積控制系統進行硼濃度調節。根據控制棒在目標帶的上或下，進行注硼或稀釋操作，將控制棒“趕”回到目標帶內，從而保證了軸向功率分布在允許的限值內。

第二種方式為德國80年代開發的，它將反應堆功率調節與軸向功率分布調節結合成一體，自動控制硼的濃度，以調整控制棒的棒位，使軸向功率分布處於最佳狀態，從而有可能使反應堆的比功率進一步提高。系統的基本原理示於圖2。控制棒束被分為兩類:一類稱L組(即負荷組)，占控制棒束的多數，另一類稱D組(即都卜勒組)，共4組。在滿功率穩定運行情況下，L組控制棒僅插入堆芯1/10高度左右。在此位置有較好的功率分布控制能力。D組控制棒除一組插入堆芯較深外，其他三組與L組控制棒插入同樣深度。

圖2 軸向功率分布調節

Φ_N—堆中子注量率；p_L—高壓缸第一級後壓力；T_AVmax—迴路最高平均溫度；S—控制棒驅動裝置；

C—燃耗補償、D棒位置及硼酸和去離子水流量控制

在負荷緩慢變化(每分鐘小於1%)的情況下，D組控制棒進行調節，根據需要依次提起或插入堆芯到相應位置。操縱D組棒可調節約30%的功率。由於D組棒對應的是冷卻劑硼濃度調節器的輸入信號，故通過注入或稀釋硼調節，在瞬態過程結束時，D組棒回復到它們的給定位置。

當負荷變化較快(每分鐘大於1%)時，L組和D組控制棒一起進行調節。由於L組棒的位置是D組棒的位置定值參數之一，所以當L組棒位偏離整定值時，D組棒便移動；若一組棒不足以補償，第二組、第三組、第四組D棒相繼移動，使L組棒返回其給定位置。由於D組棒動作比較迅速，因此控制棒位置調整的瞬態過程很快終止。這時，由於溫度效應、氙中毒引起的反應性變化將由D組棒來補償。當D組棒超出限定的位置時，起動硼控系統進行補償。由於兩組棒都返回到給定的位置上，因此反應堆軸向功率分布得到了調整。

當功率分布變化時，軸向功率分布測量裝置給出畸變信號，功率分布控制器給出L組棒的設定值，D組棒便進行調節，通過功率調節系統，使L棒移動到允許限值內。

在反應堆起動和停堆期間，對反應堆功率使用中子注量率信號進行調節。

功率調節系統性能要求

要求典型的功率調節系統在15%~100%的功率範圍內穩定工作；在出現±10%階躍負荷變化後，能使核電廠恢復至平衡狀態而不導致事故停堆、蒸汽排放或卸壓閥動作。當出現每分鐘±5%線性負荷變化時，系統有較好的負荷跟蹤能力。並且在負荷變化之後，將反應堆冷卻劑平均溫度維持在調節特性規定的限度內。額定功率的15%以下，採用手動控制。