AP1000机组反应堆功率控制逻辑

郭述志

【摘 要】 AP1000机组反应堆功率控制系统是电厂控制系统的子系统，由模式选择、低功率和高功率模块组成；本文重点介绍了AP1000机组反应堆功率控制中的低功率模式控制和高功率模式控制逻辑，列举了对各个控制模式的输入信号，并分别对其进行了简要的分析。总结了AP1000机组反应堆功率控制逻辑的特点以及相较于二代核电站的改进及优势等。

【关键词】 AP1000 功率控制 控制逻辑

1 前言

反应堆功率控制系统的主要任务是抑制反应堆的功率扰动，使得反应堆功率维持在一定水平，保证一回路与二回路的功率相匹配，并保证堆芯功率分布能满足限制要求，使反应堆的功率输出稳定。

2 AP1000功率控制系统的组成

AP1000反应堆功率控制系统是电厂控制系统的子系统，采用了机械补偿运行控制策略，其主要特点是日常运行时利用高、低价值的控制棒对反应性进行机械调节，极少需要调节硼浓度。

AP1000的控制棒组件包括M棒组、AO棒组以及停堆棒组，M棒组用于控制反应堆的功率水平，AO棒组控制反应堆的轴向功率分布，功率控制系统动作的主要是M棒组。

反应堆功率控制系统通过自动调节M棒组，实现对反应堆功率水平的自动控制，其通过向控制棒控制系统发送控制命令来实现这些功能，控制棒控制系统根据来自于功率控制系统的信号对反应堆内的控制棒位置进行调节。

AP1000的功率控制逻辑包括模式选择、低功率模式和高功率模式三个部分：

（1）高功率控制逻辑适用于15%-100%FP的功率范围。功率控制系统对一回路冷却剂平均温度Tavg进行监测，并通过温度失配偏差和功率失配偏差信号来驱动控制棒按特定的速率和方向移动，从而实现堆芯功率的自动控制；（2）低功率控制逻辑适用于3%-15%FP的功率范围。操纵员手动设定目标功率值及功率变化速率，以实现对反应堆功率的直接控制；（3）模式选择逻辑用于反应堆控制系统控制模式的判断及切换。

3 低功率模式控制逻辑

当功率控制系统处于低功率模式时（0-15%额定功率），电厂通常处于启动和停堆工况，故控制逻辑比较简单。

低功率模式控制逻辑输入信号有以下几个：（1）“最终功率目标”：操纵员可在主控室操纵员工作站操作界面中输入需要达到的最终功率目标值，其范围为0%-15%额定功率；（2）“功率改变时间”：操纵员可在主控室操纵员工作站操作界面中输入期望的功率改变时间，从而控制功率改变的速率；（3）“开始/暂停/继续/退出”：操纵员可在主控室操纵员工作站操作界面中控制低功率模式下的功率改变进程，有开始/暂停/继续/退出四个选项，可用于开始、暂停、继续或退出功率改变过程；（4）“核功率”：与模式选择逻辑中的核功率信号相同。

低功率模式下，操纵员首先需要输入最终功率目标和功率改变时间，核功率定值计算环节利用最终功率目标值、功率改变时间以及实测的核功率值，计算出功率变化过程中的动态定值（QNSP（t））及其变化速率（DQNDT）。

核功率信号首先送入一个滞后环节进行滤波，除去噪声信号，之后分别送往核功率定值计算环节、加法器及动态增益环节，用于低功率模式的后续计算。

核功率定值计算环节计算出的定值信号，送往加法器，与核功率值信号求差值，得到功率失配差值信号。功率失配差值信号之后经过动态增益环节，用于改善信号质量。动态增益环节会根据输入的核功率值不同而变化，是实测核功率值的函数。

功率失配差值信号最终被送往棒控单元，转换成控制棒移动方向、速率信号，驱动M棒组移动，从而向堆芯引入反应性以改变反应堆功率。

4 高功率控制模式

当功率控制系统处于高功率模式时（15%-100%额定功率），电厂处在正常运行工况，此时功率控制系统的主要任务是保证一、二回路功率的匹配，使一回路平均温度Tavg保持在其目标带宽内并保持稳定。

高功率模式控制逻辑输入信号有以下几个：（1）“核功率”：堆外核测量系统功率量程仪表的信号送至核电厂保护和监视系统（PMS）处理，之后经过中值选择处理得到此核功率输入信号。（2）“汽轮机负荷”：主蒸汽系统安装在汽轮机第一级内的压力仪表测得的压力信号，经过中值选择后输入高功率模式控制逻辑，被换算为汽轮机当前负荷；（3）“一回路平均温度”：一回路冷段温度和热段温度经过PMS处理，得到一回路平均温度信号，其代表了一回路实际输出的功率。

高功率控制模式的控制逻辑含有平均温度控制通道和功率失配的前馈通道：

（1）平均温度控制通道。系统利用预设曲线得到与堆芯目标功率相对应的平均温度整定值Tref，再与实测一回路冷却剂平均温度Tavg相比较，得到偏差值，从而计算出控制棒的移动方向和速率，直至偏差消除。

（2）功率失配通道。该通道的目的是加速反应堆对汽轮机负荷需求的响应。当出现快速功率失配而平均温度Tavg尚无明显变化时，失配通道的信号可以直接对控制棒进行移动，以加快平均温度控制系统的响应速度并降低瞬态峰值，提高系统性能。

此外，AP1000还设有快速降功率系统。在甩负荷>50%时，快速降功率系统使选定的控制棒落入堆芯，迅速引入大量的负反应性，将堆芯功率快速降至与二回路负荷匹配的水平[3]。

5 结语

AP1000反应堆功率控制系统包括高功率模式和低功率控制模式，实现了高功率和低功率情况下的反应堆的功率控制。相对于传统二代核电堆型，其将堆芯功率的粗调和精调进行了整合，在保证控制精度的前提下简化了功率控制系统的控制逻辑。

参考文献

[1]林桦，林萌，侯东，杨燕华.反应堆功率控制系统的建模及闭环验证[J].核动力工程，2009，30（4）.

[2]林诚格，郁祖盛.非能动安全先进压水堆核电技术[M].北京：原子能出版社，2010.

[3]冯俊婷，黄晓津，张良驹.核反应堆功率调节系统控制特性研究[J].原子能科学技术，2006，（40）3.

[4]顾军.AP1000核电厂系统与设备[M].北京：原子能出版社，2010.