AP1000反应堆功率控制系统棒联锁逻辑分析

1、AP1000反响堆功率控制系统棒联锁逻辑分析AP1000反响堆功率控制系统棒联锁逻辑分析1概述反响堆功率控制系统用于维持和调节反响堆堆芯参数在设计要求范围内，以确保反响堆按照电厂功率要求输出热功率。作为主要过程控制系统之一，反响堆功率控制系统的控制逻辑设计对电厂稳定运行至关重要。AP1000反响堆功率控制系统包括两个子系统：反响堆冷却剂平均温度Tavg控制子系统和反响堆轴向功率偏移A控制子系统以下简称Tavg控制和A控制。Tavg控制响应二回路负荷要求，根据一回路工艺过程实测温度值与二回路要求值之间的偏向计算并输出控制，调节反响堆功率控制棒组棒组按一定速率8步/分至72步/分在堆芯挪动，从而实

2、现维持或调节反响堆冷却剂平均温度在程序设定值的目的，Tavg控制即反响堆输出热功率控制。A控制根据堆外核测仪表所测的反响堆上下部功率之差反响堆功率轴向偏向与系统设定偏向带之间的偏移量来计算并输出控制，调节反响堆轴向功率偏移控制棒组A棒组按固定速率8步/分在堆芯挪动，从而维持轴向功率偏向在要求的偏向控制带内。反响堆稳定运行及瞬态过程中，Tavg控制子系统和A控制子系统同时独立采集不同的堆芯参数，响应不同的控制要求，逻辑上独立运算，最终输出控制指令至棒控系统不同类型的控制棒组。在系统功能设计上两者相对独立，但在实际控制执行中，两者存在逻辑接口。西屋原设计中两个子系统的逻辑接口包括：1在控制棒交换过

3、程中，A控制棒将执行Tavg控制指令，此时仅执行Tavg控制。2在棒挪动过程中，A棒的挪动将被闭锁，直至棒动作Tavg调节完毕。接口1：是AP1000反响堆控本文由论文联盟.LL.搜集整理制过程中的周期性操作，本文不做分析。接口2即为实现棒组动作优先于A棒组动作的棒联锁设计，棒动作指令将直接作为闭锁A棒挪动的条件之一，本文重点对此联锁设计进展分析。2控制要求及棒联锁逻辑分析2.1反响堆控制要求如前所述，反响堆正常运行过程中，棒控系统将独立接收来自Tavg控制和A控制输出的棒和A棒动作指令，棒挪动提棒或插棒将闭锁A棒挪动提棒或插棒，直至棒动作指令完毕。此控制策略表达了Tavg控制要优先A控制，在

4、某一瞬态均有Tavg和A调节需求时，只有先完成Tavg调节后才能进展A调节。我们知道：理想均匀裸堆模型的轴向热中子通量密度分布呈对称于反响堆半高度断面的余弦函数，径向中子通量密度分布近似为对称于反响堆中心的贝塞尔函数。实际的反响堆堆芯虽然是非均匀的，但由于燃料轴向装载一般是均匀的，燃料组件的构造也是均匀的，所以在热态零功率下近似认为热段冷段无温差，理论上与实际上的反响堆轴向中子通量密度分布形状相似，都可以用垂直余弦函数近似表示轴向中子通量密度分布。反响堆带功率运行时的轴向中子通量密度受控制棒棒位、功率程度、堆芯燃耗、氙的再分布等多种因素的影响。AP1000反响堆使用分布于堆腔四个方向上的堆外功

5、率量程核探测器来进展反响堆功率测量，每组堆外功率量程探测器包括上、下两个探测器，分别通过测量堆芯泄露中子率来探测以堆芯中断面为分界的堆芯上、下部功率。根据每组探测器测量并经算法修正和计算，可以近似得出：反响堆总功率P=Pt+Pb反响堆轴向功率偏向I=Pt-Pb其中：Pt：堆芯上部功率测量值；Pb：堆芯下部功率测量值；随反响堆功率程度升高，反响堆冷却剂热段、冷段温差增加，即Tavg增加，因冷却剂温度效应，导致堆芯上端面功率程度略低于下半面，即I向负方向变化，AP1000堆芯设计中，I的目的值随反响堆功率程度增加而减小向负方向增大，A控制棒组一般位于堆芯上半面。2.1.1假设某瞬态：反响堆升功率进

6、步Tavg：起始时刻棒组调节末端处于堆芯上半断，随棒提升，Pt增加，近似认为Pb不变。总功率P增加的同时，轴向偏向将会逐步增大，某一时刻可能导致A控制输出A棒下插指令。起始时刻棒组调节末端处于堆芯下半断，随棒提升，Pb增加，近似认为Pt不变。总功率P增加的同时，轴向功率偏向将会逐步减小，符合A与核功率反向变化的趋势。但某一时刻可能导致A控制输出A棒下插的指令。2.1.2假设某瞬态：反响堆降功率降低Tavg：起始时刻棒组调节末端位置处于堆芯上半断，随棒插入，Pt减小，近似认为Pb不变。此时总功率P减小的同时，轴向偏向逐步减小，某一时刻可能导致A控制输出A棒提升的指令。起始时刻棒组调节末端位置处于

7、堆芯下半断，随棒插入，Pb减小，近似认为Pt不变。此时总功率P减小的同时，轴向偏向会逐步增大，符合A与核功率反向变化的趋势，但某一时刻可能导致A控制输出A棒下插的指令。2.2原棒联锁逻辑分析根据原控制棒联锁逻辑，上述过程中的棒动作将持续进展，A棒动作指令将一直被闭锁，直至Tavg调节过程完成。这种简单的闭锁逻辑将导致：2.2.1Tavg调节过程A调节被闭锁，某一时刻起I可能将持续向堆芯运行设计曲线外的某个方向偏离。A控制采用常轴向偏移控制，控制目的是在维持堆芯轴向功率常A轴向偏移率下，将轴向功率偏向I，见章节2.1值控制在反响堆堆芯设计要求的控制带内AP1000I控制带如下列图1所示。I控制带

8、由三条平行线决定，其中：IT是100%核功率时的I理想值，IL是100%核功率时I控制带低限，IH是100%核功率时I控制带高限。随核功率从0%提升至100%，I理想值也从0线性增加至IT，控制带低限与高限始终与理想值平行。控制带宽度将由满功率时的IL、IT、IH决定，目前设计变更要求该控制带仅为目的值两侧1%。这种严苛的I控制带要求下，在某Tavg控制瞬态过程中将更易出现轴向功率偏向偏离控制带的情况，偏向出现后，A控制会通过输出A控制棒动作指令的方式立即进展响应以调节I重回控制带，但因棒联锁限制，A棒在此瞬态期间不允许动作，因此随棒的持续挪动，I将持续偏大或减小，并将一直持续到整个棒动作完毕

9、。图1I控制带简图2.2.2氙震荡，并进一步导致不可承受的堆芯功率分布；反响堆功率运行过程中，有众多因素会对反响性和堆功率产生影响，尤其是易裂变核在热中子作用下产生的部分裂变产物，因其有较大热中子吸收截面，因此会对反响性造成明显影响也称中子毒物，其中需重点考虑的那么是裂变产物氙Xe。当反响堆在某功率平台下稳定运行一段时间后，堆芯内的氙浓度将到达与功率程度热中子通量程度和堆芯状况燃耗相平衡的一个稳定值也称作氙平衡。在大型热中子反响堆中，部分氙浓度随相应部分区域内的中子通量密度变化而变化，而氙的变化同样导致部分反响性的变化，从而反过来对中子通量密度产生影响。两者的互相作用可能使氙浓度和中子通量密度

10、分布产生空间震荡，即氙震荡现象。氙震荡会引起堆芯内部分中子通量密度增大，导致部分过热，严重时将使堆芯部分热点超出限值甚至导致燃料部分烧毁。同时氙震荡还会使堆芯中的温度场发生交替变化，加剧了堆芯材料温度应力的变化，缩短材料的寿命。因此我们从控制上要设法遏制或减少这种氙震荡现象。而遏制或减少氙震荡现象的根本方法是尽量维持堆芯内部分中子通量密度在一个相对稳定的程度，防止部分中子通量密度出现大的波动。而上文分析可知Tavg调节期间可能导致轴向偏向持续向偏离控制带的某个方向扩大，而受棒联锁限制，只有在棒动作完毕后，A棒才被允许动作，即轴向偏向将持续偏离到达一个最大偏向后A棒才开场调节，而A棒的动作将再次

11、导致Tavg偏离设定值，进而产生新一轮的调节，棒与A棒的交替挪动直至两者最终稳定在要求范围。以图2为例说明：假设瞬态初，堆芯轴向功率为理想状态，即以堆芯中部为对称分布，瞬态过程中，调节开场，棒下插导致堆功率下降的同时，也导致堆芯轴向功率峰值向堆芯下部挪动，直至I偏离相应功率下的控制带。此时因逻辑闭锁，将继续执行其控制下插控制棒，最终将导致轴向偏向严重偏离稳定状态。处于堆芯下部的A、B、等点，其部分中子通量密度较稳态前有不同程度的升高，继而引发氙震荡，而随着后续棒与A棒的屡次交替挪动，这种震荡将更加频繁，堆芯功率分布不均情况将更加突出，甚至影响堆芯热功率的稳定输出。图2堆芯轴向功率分布变化趋势简

12、图2.3改良后的棒联锁逻辑分析针对原设计采用简单闭锁带来的问题，最新逻辑设计从两方面考虑进展了改良：1尽量提早控制某个瞬态中I向设计曲线外的某个方向偏离的程度。2尽量减少某个瞬态控制棒组的挪动频率。通过2.1节的假设和分析可见从某瞬态的某个时刻起，Tavg控制和A控制将可能同时输出控制指令要求相应的棒组和A棒组动作，但根据各自控制偏向的方向，输出将存在两种情况：1Tavg控制输出的棒动作指令方向与A控制输出的A棒动作指令方向相反；2Tavg控制输出的棒动作指令方向与A控制输出的A棒动作指令方向一样；对第1种情况，建议仍使用原逻辑设计的闭锁方式；但对第2种情况，考虑到不同类型的控制棒组均为反响性

13、控制体，均具有吸收热中子以降低堆功率的特性，当A棒组在调节轴向偏向的同时也间接性的调节了功率，因此可以允许此时暂停棒组的动作，而允许A棒组动作，因Tavg控制与A控制输出的两种棒组的指令方向一样，因此A棒动作类似于棒动作，这样A棒既及时快速响应了A控制的要求，防止了轴向偏向I持续向某个方向的偏离，同时也间接性的调节了Tavg，从控制棒组动作频率来看，A调节完毕后，Tavg已得到了一定的调节，Tavg的再次调节类似于新的瞬态开场，总的控制棒动作频率得到了有效降低。优化后的棒联锁逻辑简图如图3：图3优化后的棒联锁逻辑简图棒组无动作指令时，允许A棒组动作；棒组有动作指令且动作指令与A棒组动作指令方向相反时，不允