CN105139908B - 一种压水堆核电厂堆芯的控制模式 - Google Patents
一种压水堆核电厂堆芯的控制模式 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种压水堆核电厂堆芯的控制模式，设置两套独立控制的控制棒组：T棒组和D棒组；负荷跟踪模式运行时，通过下列方式进行反应堆控制：冷却剂平均温度控制由独立的T棒组完成，控制堆芯的反应性变化，轴向功率分布形状由独立的D棒组控制，阶段性调节可溶性硼，将控制棒组恢复到运行范围内；负荷跟踪模式之外的其它模式运行时，通过下列方式进行反应堆控制：冷却剂平均温度控制由独立的D棒组完成，D棒组还用来调整堆芯轴向功率形状和较小的反应性变化。本发明的有益效果是：本发明负荷跟踪模式运行时使用控制棒进行堆芯反应性控制，大大减轻了操作员负担；减少了硼废水的生成，减少了运行成本和废水处理成本，并有利于环境保护。
Description
技术领域
本发明涉及领域核电厂控制技术领域，具体地，涉及一种压水堆核电厂堆芯的控制模式。
背景技术
压水堆堆芯的功率调节手段主要有以下两个：1）调节一次冷却剂中的硼浓度从而改变硼溶液向反应堆带来的反应性；2）调节控制棒在堆芯的位置以改变堆芯的反应性。第一种反应堆功率的调节手段，需要由化容控制系统向一回路注入水或高浓度的硼溶液来进行冷却剂的稀释或硼化。由于每次稀释或硼化后，一次冷却剂需要一定时间才能混合均匀，因此一次冷却剂硼浓度的变化速度较慢，调节反应堆的功率也较慢。另外，堆功率要进行频繁的升降，如果单独以调节硼浓度的方式来跟踪这种升降，则要对一次冷却剂进行频繁的稀释和硼化，这样会产生大量待回收的硼溶液。第二种反应堆功率的调节手段，通过控制棒在堆芯内的移动来调节堆功率，它的速度比较快；但在运行中，控制棒在堆芯中移动会导致堆芯轴向功率分布不平衡，由此还会引起堆芯轴向核燃料消耗程度不平衡等问题，因此使用控制棒调节堆功率也有一系列约束。
目前国内在运行核电厂一般采用Mode-A和Mode-G控制模式。Mode-A模式中控制棒均为黑体控制棒，其吸收中子能力较强。在这种模式下，如果全部通过控制棒补偿功率变化导致的反应性变化，极易造成轴向功率分布不平衡的现象持续时间较长，燃料组件的某些部位工作条件变差，可能产生热点；而且堆芯轴向功率分布的长期不平衡会造成堆芯内核燃料的轴向燃耗分布不均匀。因此，控制棒主要用于堆芯轴向偏移控制，同时补偿功率变化引起的反应性变化；当两者矛盾时，反应性变化差额由调硼系统承担。由于反应堆一次冷却剂硼浓度调整需要一定的时间，所以反应堆功率无法快速调节。
Mode-G模式中部分控制棒采用灰体控制棒，其吸收中子能力较弱，含灰体控制棒的功率补偿棒组相互之间设置重叠步。功率补偿棒组插入堆芯的深度是功率水平的函数，在这种模式下，功率补偿棒组移动不会造成堆芯功率在轴向分布的严重畸变，不需要调节一次冷却剂的硼浓度来配合功率调节，可以快速调节反应堆功率。氙毒、燃耗等引起的慢反应性变化仍通过调硼系统调节。
综上，Mode-A控制模式无法快速调节反应堆功率；Mode-A和Mode-G控制模式都需要调硼系统参与；负荷跟踪需要对一次冷却剂进行频繁的稀释和硼化，调硼带来下述不足之处：
1）产生大量待回收的硼溶液，使硼回收系统难以应付；
2）寿期末利用调硼来补偿负荷跟踪过程中的反应性变化，会产生比寿期初多数倍的废液，使得核电厂的废液处理系统无法承担而丧失负荷跟踪能力；
3）调硼会产生大量放射性废液，增加了运行成本，这些额外的放射性废液进入环境，对环境保护带来了潜在的威胁；
4）调硼操作相对频繁而且是手动实施的，增加了操作员负担。
西屋公司开发的MSHIM模式以及专利“在负荷改变期间控制一种核反应堆以减少硼浓度调整的方法及装置（EP0540951A1；1993.）”均实现了不调硼负荷跟踪运行，提高了反应堆的经济性和运行灵活性。但在基负荷运行时，有两组控制棒插入堆芯，由此带来燃料的燃耗阴影、控制棒注量升高和吸收体燃耗、控制棒驱动机构负荷增大等不利影响。而对于基负荷运行，因不要求反应堆功率作频繁调节，只需要一组控制棒稍微插入堆芯即可满足运行要求；又有成熟的运行和实践经验可供参考，有利于核电站安全、经济地运行。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种减轻操作员负担、减少了运行成本的压水堆核电厂堆芯的控制模式。
本发明解决上述问题所采用的技术方案是：
一种压水堆核电厂堆芯的控制模式，设置两套独立控制的控制棒组：T棒组和D棒组；T棒组采用部分灰体控制棒，移动时满足规定的重叠步数以及顺序。进行负荷跟踪时，T棒组插入堆芯的深度由堆芯各种反应性总量决定，用于维持堆芯反应性平衡或按一定规律维持反应堆的平均温度与功率的关系。D棒组为黑体控制棒，一般插入堆芯较少，只在堆芯上部的一个运行带内运行；主要用于轴向功率分布控制，控制堆芯轴向偏移值在目标值范围内。
负荷跟踪模式运行时，通过下列方式进行反应堆控制：
冷却剂平均温度控制由独立的T棒组完成，控制堆芯的反应性变化，
轴向功率分布形状由独立的D棒组控制，
阶段性调节可溶性硼，将控制棒组恢复到运行范围内，故调硼系统主要用于保持控制棒在需要的运行区间内移动；
负荷跟踪模式之外的其它模式运行时，通过下列方式进行反应堆控制：
冷却剂平均温度控制由独立的D棒组完成，
D棒组还用来调整堆芯轴向功率形状和较小的反应性变化，例如，当D棒组在自动运行时，操纵员调整硼浓度便可以自动改变D棒组的位置，从而保证轴向功率分布在规定的运行区内。
本发明改进了现有的负荷跟踪模式，使用控制棒代替调节可溶硼进行堆芯反应性控制。负荷跟踪过程中的反应性和功率分布通过棒控系统自动完成，大大减轻了操作员负担；负荷跟踪过程基本不需要频繁地调硼操作，允许简化化容系统设计，减少了废水处理成本，并有利于环境保护。另外和调硼负荷跟踪相比，由于负荷跟踪期间不需要废液处理系统参与，从而有效地延长了核电厂的负荷跟踪能力。
该控制模式适用于压水堆核电厂各种堆型。
所述的负荷跟踪模式之外的其它模式包括基负荷模式、频率控制模式。
进一步的，所述的负荷跟踪模式运行时，其控制方式为：
负荷跟踪开始时，汽轮机负荷降低，反应堆冷却剂平均温度升高；T棒组插入堆芯、降低反应堆功率，以维持冷却剂平均温度在设定的运行带内；功率降低将开启氙瞬态，当达到低功率运行平台后，氙的累积引入负反应性，导致T棒组缓慢提出；经过氙峰后，T棒组将再次缓慢插入；
反之，当汽轮机负荷升高时，反应堆冷却剂平均温度降低；T棒组提出、提高反应堆功率，以维持冷却剂平均温度在设定的运行带内；当达到高功率运行平台后，氙的消耗引入正反应性，导致T棒组缓慢插入堆芯；经过氙谷后，T棒组将再次缓慢提出；
整个瞬态过程中，通过D棒组将堆芯轴向偏移维持在设定的运行带内；阶段性调节可溶性硼，将控制棒组恢复到运行范围内。
进一步的，采用本发明控制核电站运行时，通过自动棒控系统实现基负荷、负荷跟踪、频率控制及其他瞬态所要求的反应性变化的补偿。所述的D棒组和T棒组均由自动控制方式控制运行，控制棒的速度和方向信号是以下参数决定的：中子注量率、反应堆轴向偏移、汽机第一级压力、实际的反应堆冷却剂平均温度；根据实际的反应堆冷却剂平均温度与参考温度的偏差，以及中子注量率与汽机第一级压力的失配信号的组合，组成一个温度误差信号，由此温度误差信号产生一个模拟信号和两个逻辑信号，它们分别是：控制棒运动速度信号和它的提升或插入的方向信号；根据反应堆轴向偏移与参考堆芯轴向偏移的偏差，确定一个堆芯轴向偏移误差信号，由此误差信号产生一个模拟信号和两个逻辑信号，它们分别是：控制棒运动速度信号和它的提升或插入的方向信号。
所述负荷跟踪模式运行时，D棒组通过堆芯轴向偏移误差信号驱动，T棒组由温度误差信号驱动；基负荷模式运行时，D棒组由温度误差信号驱动；在负荷跟踪模式与基负荷模式转换时，需要将控制棒的控制方式进行切换，切换D棒组的控制任务。
综上，本发明的有益效果是：
本发明负荷跟踪模式运行时使用控制棒进行堆芯反应性控制，调硼系统主要用于保持控制棒在需要的运行区间内移动。对于基负荷及其它运行方式，维持现有的控制方式不变，即一组控制棒稍微插入堆芯。从而改进现有的负荷跟踪模式，使用控制棒代替调节可溶硼进行堆芯反应性控制。负荷跟踪过程中的反应性和功率分布通过棒控系统自动完成，大大减轻了操作员负担；负荷跟踪过程基本不需要频繁地调硼操作，从而大大减少硼废水的生成，允许简化化容系统设计，减少了运行成本和废水处理成本，并有利于环境保护。另外和调硼负荷跟踪相比，由于负荷跟踪期间不需要废液处理系统参与，从而有效地延长了核电厂的负荷跟踪能力。对于基负荷及其它运行模式，因不要求反应堆功率作频繁调节，维持现有的控制方式不变，即仍只有一组控制棒稍微插入堆芯；有成熟的运行和实践经验可供参考，有利于核电站安全、经济地运行。由于基负荷运行时插入堆芯的那一组控制棒在负荷跟踪运行时承担不同的控制任务，因此，在负荷跟踪运行与基负荷运行转换时，需要将控制棒的控制任务进行切换。
附图说明
图1是本发明的控制棒布置示意图；
图2是本发明的日负荷周期示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例：
本实施例针对一个65万千瓦级核电厂压水堆堆芯，该堆芯由121个燃料组件构成。堆芯采用45束控制棒，其中33束为黑体控制棒，12束为灰体控制棒。控制棒组包括T棒组和D棒组，T棒组在移动时要求满足规定的重叠步数以及顺序，用于控制堆芯反应性/冷却剂平均温度；D棒组用于堆芯轴向功率分布控制。停堆棒组为S棒组，用于确保反应堆在任何功率水平下都有足够的停堆裕量。图1给出了一个典型的控制棒布置示意图，全堆芯中含T棒组或D棒组或S棒组的燃料组件的布置遵循1/4旋转对称，以图中右下1/4部分为例，对含T棒组或D棒组或S棒组的燃料组件的布置方式进行说明，横坐标从外圈向里圈依次由A-G排列，纵坐标从里圈向外圈依次由07-13排列，在堆芯的C7、E7、F8、E9、G9、D10、G11位置布置的燃料组件中含有T棒组，在堆芯的C9、E11位置布置的燃料组件中含有D棒组，在堆芯的B8、D8、F10、F12、G7位置布置的燃料组件中含有S棒组。
压水堆核电厂堆芯的控制模式为：
负荷跟踪模式运行时，通过下列方式进行反应堆控制：
冷却剂平均温度控制由独立的T棒组完成，控制堆芯的反应性变化，
轴向功率分布形状由独立的D棒组控制，
阶段性调节可溶性硼，将控制棒组恢复到运行范围内。
图2给出了一个典型的日负荷周期示意图。负荷跟踪开始时，汽轮机负荷降低，反应堆冷却剂平均温度升高；T棒组插入堆芯、降低反应堆功率，以维持冷却剂平均温度在设定的运行带内；功率降低将开启氙瞬态，当达到低功率运行平台后，氙的累积引入负反应性，导致T棒组缓慢提出；经过氙峰后，T棒组将再次缓慢插入。反之，当汽轮机负荷升高时，反应堆冷却剂平均温度降低；T棒组提出、提高反应堆功率，以维持冷却剂平均温度在设定的运行带内；当达到高功率运行平台后，氙的消耗引入正反应性，导致T棒组缓慢插入堆芯；经过氙谷后，T棒组将再次缓慢提出。整个瞬态过程中，通过D棒组将堆芯轴向偏移维持在设定的运行带内。阶段性调节可溶性硼，将控制棒组恢复到运行范围内。
负荷跟踪模式之外的其它模式运行时，通过下列方式进行反应堆控制：
冷却剂平均温度控制由独立的D棒组完成，
D棒组还用来调整堆芯轴向功率形状和较小的反应性变化。
所述的负荷跟踪模式之外的其它模式包括基负荷模式、频率控制模式。
对于负荷跟踪模式之外的其它模式，冷却剂平均温度控制由独立的D棒组完成，主要用于对堆内反应性快变化进行微调，为了使D棒不致对轴向功率分布产生大的影响，它只在堆芯上部一个运行带内运行；此外，核电机组调频时，D棒组也补偿氙毒的小变化。当D棒组在自动运行时，操纵员调整硼浓度便可以自动改变D棒组的位置，从而保证轴向功率分布在规定的运行区内。
在自动控制方式运行时，即所述的D棒组和T棒组均由自动控制方式控制运行，控制棒的速度和方向信号是由以下参数决定的：
中子注量率：代表堆芯功率；
轴向偏移：代表堆芯轴向功率分布；
汽机第一级压力：代表汽机功率；
实际的反应堆冷却剂平均温度。
根据反应堆冷却剂平均温度与参考温度的偏差，以及中子注量率与汽机功率的失配信号的组合，组成一个温度误差信号。由此温度误差信号产生一个模拟信号和两个逻辑信号，它们分别是：控制棒运动速度信号和它的提升或插入的方向信号。根据反应堆轴向偏移与参考堆芯轴向偏移的偏差，确定一个堆芯轴向偏移误差信号。由此误差信号产生一个模拟信号和两个逻辑信号，它们分别是：控制棒运动速度信号和它的提升或插入的方向信号。
负荷跟踪模式运行时，D棒组通过堆芯轴向偏移误差信号驱动，T棒组由温度误差信号驱动；基负荷模式运行时，D棒组由温度误差信号驱动。在负荷跟踪运行与基负荷运行转换时，需要将控制棒的控制方式进行切换。
如上所述，可较好的实现本发明。
Claims (5)
1.一种压水堆核电厂堆芯的控制模式，其特征在于，设置两套独立控制的控制棒组：T棒组和D棒组；
负荷跟踪模式运行时，通过下列方式进行反应堆控制：
冷却剂平均温度控制由独立的T棒组完成，控制堆芯的反应性变化，
轴向功率分布形状由独立的D棒组控制，
阶段性调节可溶性硼，将控制棒组恢复到运行范围内；
负荷跟踪模式之外的其它模式运行时，通过下列方式进行反应堆控制：
冷却剂平均温度控制由独立的D棒组完成，
D棒组还用来调整堆芯轴向功率形状和较小的反应性变化；
所述的负荷跟踪模式运行时，其控制方式为：
负荷跟踪开始时，汽轮机负荷降低，反应堆冷却剂平均温度升高；T棒组插入堆芯、降低反应堆功率，以维持冷却剂平均温度在设定的运行带内；功率降低将开启氙瞬态，当达到低功率运行平台后，氙的累积引入负反应性，导致T棒组缓慢提出；经过氙峰后，T棒组将再次缓慢插入；
反之，当汽轮机负荷升高时，反应堆冷却剂平均温度降低；T棒组提出、提高反应堆功率，以维持冷却剂平均温度在设定的运行带内；当达到高功率运行平台后，氙的消耗引入正反应性，导致T棒组缓慢插入堆芯；经过氙谷后，T棒组将再次缓慢提出；
整个瞬态过程中，通过D棒组将堆芯轴向偏移维持在设定的运行带内；阶段性调节可溶性硼，将控制棒组恢复到运行范围内。
2.根据权利要求1所述的一种压水堆核电厂堆芯的控制模式，其特征在于，负荷跟踪模式之外的其它模式包括基负荷模式、频率控制模式。
3.根据权利要求1或2所述的一种压水堆核电厂堆芯的控制模式，其特征在于，所述的D棒组和T棒组均由自动控制方式控制运行，控制棒的速度和方向信号是以下参数决定的：中子注量率、反应堆轴向偏移、汽机第一级压力、实际的反应堆冷却剂平均温度；根据实际的反应堆冷却剂平均温度与参考温度的偏差，以及中子注量率与汽机第一级压力的失配信号的组合，组成一个温度误差信号，由此温度误差信号产生一个模拟信号和两个逻辑信号，它们分别是：控制棒运动速度信号和它的提升或插入的方向信号；根据反应堆轴向偏移与参考堆芯轴向偏移的偏差，确定一个堆芯轴向偏移误差信号，由此误差信号产生一个模拟信号和两个逻辑信号，它们分别是：控制棒运动速度信号和它的提升或插入的方向信号。
4.根据权利要求3所述的一种压水堆核电厂堆芯的控制模式，其特征在于，所述负荷跟踪模式运行时，D棒组通过堆芯轴向偏移误差信号驱动，T棒组由温度误差信号驱动。
5.根据权利要求3所述的一种压水堆核电厂堆芯的控制模式，其特征在于，所述负荷跟踪模式运行时，D棒组通过堆芯轴向偏移误差信号驱动，T棒组由温度误差信号驱动；基负荷模式运行时，D棒组由温度误差信号驱动；在负荷跟踪模式与基负荷模式转换时，需要将控制棒的控制方式进行切换，切换D棒组的控制任务。
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