核电站仪表与控制.docx

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核电站仪表与控制

1、反应性控制

v燃料消耗、裂变物积累——反应性↘

v足够的剩余反应性

v需补偿

v一、压水堆反应性效应

v二、压水堆自稳自调特性

v三、反应性控制的功能要求及措施

一、压水堆反应性效应

1、燃料温度系数

反应堆温度变化而引起反应性变化的效应

铀238的共振吸收随温度变化引起的

燃料温度的上升导致燃料有效吸收截面增大，中子吸收增大

铀238的燃料温度系数总是负的，并且相应时间很短，仅零点几秒

-2——-3pcm/℃

2、慢化剂稳定系数

温度↗，水膨胀，密度↘，慢化能力↘，使反应性↘

温度系数是负的。

由于压水堆是载硼运行，温度升高时，硼毒作用将随硼密度

小而下降，使反应性增大，故硼酸的反应性温度系数是正的。

因此，如果硼酸的浓度足够大，慢化剂温度系数将变为正的。

而压水堆在功率运行时，要求慢化剂温度系数是负的，该温度效应相应时间较长（约几秒），在反应堆温度效应反馈中起决定作用。

v寿期初：

满功率，有氙

v-20pcm/℃,限制在±100pcm/℃

v寿期末：

满功率，有氙

v-50pcm/℃,限制在±250pcm/℃

3、慢化剂压力系数

在寿期开始时，慢化剂压力系数在慢化剂温度部分范围内是负的，但在功率运行下常是正的。

由于压水堆允许压力波动范围小，且压力变化所引起的变化不大，故可忽略。

4、慢化剂汽泡系数

慢化剂汽泡系数反应了慢化剂汽泡量变化引起的反应性变化。

但是由于压水堆不允许沸腾，因此这个系数实际上不起作用。

二、压水堆自稳自调特性

影响反应堆动态特性的主要因素：

燃料温度系数和慢化剂温度系数

压水堆温度系数总是设计成负的

这个内部负反馈作用使反应堆具有自稳自调特性（固有）

利于反应堆控制系统设计

自稳性

反应堆出现内、外扰动时，反应堆能维持原功率水平的特性。

eg：

当反应堆引入一个正的反应性扰动时，中子通量将突然增加，燃料温度增加，慢化剂平均温度增加，由于温度效应产生一个负反应性效果，抵消了正反应性扰动，最后中子通量能基本上恢复到初始值。

自调性

v负荷变化时，反应堆自身能迅速达到热平衡

veg：

汽轮机负荷↗——转速↘——汽轮机阀门↗——蒸汽流量↗——蒸汽温度和压力↘——一回路冷却剂温度↘——（负温度系数产生一个正反应性）中子通量密度↗——燃料温度↗则会产生一个负反应性，最后反应性达到新的平衡状态。

三、反应性控制的功能要求及措施

反应堆有效增殖系数Keff

定义中子一代时间lp为

Keff=1临界状态功率水平不变

Keff<1次临界状态功率水平降

Keff>1超临界状态功率水平升

讨论反应堆控制，方便，引入反应性ρ

vρ=0临界状态功率水平不变

vρ<0次临界状态功率水平降

vρ>0超临界状态功率水平升

ρ=∑ρJ

v=ρi+ρat+ρd+ρx+ρbu

v+ρb+ρr

v燃料后备性反应调硼效应

v温度效应控制棒插入效应

v多普勒

v氙毒效应

v燃耗效应

反应性控制的目的

v采取各种有效的控制方式，在确保安全的前提下，控制反应堆的剩余反应性。

v剩余反应性：

无控制毒物时的反应性。

v调节堆内毒物的量达到控制剩余反应性。

v功率分布均匀：

棒分布、提棒程序。

v负荷变化：

控制棒调节。

v事故：

落棒停堆，浓度。

控制方法

v剩余反应性很大

v控制棒组件

v可燃毒物棒

v硼酸浓度

v联合使用，经济、实现容易

控制棒

v吸收中子

v灰棒：

1.1

v黑棒：

1.2

v控制停堆、反应性变化

硼酸浓度

v控制棒数量有限

v启动——满负荷：

稀释（慢）

v停堆、换料等：

加浓

可燃毒物棒

v新燃料：

剩余反应性很大

v可燃毒物棒：

中子吸收截面较大的物质。

v第一寿期后拆除。

2、负荷运行方式

一、基本负荷（模式A）运行方式机跟堆

二、负荷跟踪（模式G）运行方式堆跟机

AGC主要功能:

负荷频率控制：

电网系统频率调整到额定值，电网间联络线交换功率调整到计划值。

经济调度：

在满足负荷要求的情况下，计算出参与经济分配的机组（煤耗最低）

AGC指令：

电网调度中心的计算机产生的被控机组的目标功率。

（按RTU的通信规定组装成AGC遥调报文输送给电厂RTU，RTU装置将接收到的AGC控制信号转换成4～20mA的信号送至发电机组的功率调节系统。

）

反馈信号：

发电机组有功功率及反映机组控制系统的状态、AGC响应的品质参数及机组的负荷限制参数,经过RTU远动装置转换成线性比例的二进制遥测数据,该数据由RTU转换成高频载波信号,送到电网调度实时控制系统中。

（机组的负荷高、低限，机组负荷设定值的变化速率，发电机组AGC方式已投入等信号。

）

基本负荷运行，汽轮机的功率跟随反应堆功率运行

电力系统向反应堆没有反馈回路

控制系统较简单

负荷是变动的，参加电网功率调节

---自动跟踪负荷，具有从电力系统向反应堆自动反馈回路

---控制系统较为复杂。

模式A：

排出慢化剂数量少，热应力较小，这将有利于反应堆安全和机组的寿命。

模式G：

排出的慢化剂数量较多，是第三代反应堆所普遍采用的运行模式。

技术问题尚待解决，如棒束驱动机构的机械寿命是个突出的问题。

大亚湾核电站是按模式G运行的。

两种模式可由一套控制系统实现

压水堆核电厂稳态运行方案

v能量平衡

v（一回与二回,反应堆与汽机功率）

v能量以参数形式表现

v温度、压力、流量

平衡计算

vPH=（UA）S（TAVG-TS）

vTAVG=（TH+TC）/2

vPN=F×CP×（TH-TC）

vPH（汽机功率）=PN（反应堆功率）

vUA、CP：

常数（传热、比热）

vF:

流量

一次冷却剂平均温度恒定

vP2=K（TAVG-TS）

vTAVG不变,如P2（二回功率）↗，则：

vTS↘，PS↘

v汽机效率会降低

v稳压器可小

蒸汽压力恒定

vPS不变，TAVG变化

v稳压器大

v一回排除液多

v调节棒移动范围较大

v汽机有利

一次冷却剂平均温度随负荷线性变化

v折中：

热，机械（多采用）

vTAVG=TAV0+KP2

v一回与二回共同承担功率变化

vPS和TAVG都随负荷变化

3、功率控制、平均温度控制

1）功率控制

1、压水堆核功率传递函数

设N（S）为堆的核功率传递函数：

式中稳态功率水平，lp为中子寿命，为缓发中子份额；

为先驱核衰变常数

模式A功率控制

在模式A中，反应堆功率调节系统是一个以平均温度为主调节量的冷却剂平均温度调节系统。

它主要由三通道非线性调节器。

主通道是平均温度定值和测量通道构成的闭环通道。

它的组成设备有：

控制棒逻辑控制装置；

大功率可控硅整流装置和控制棒驱动机构等。

反应堆功率调节系统有两个基本目的：

一、能使反应堆输出功率与负荷需求相适应；

二、当有内、外扰动加入反应堆时，能够消除扰动的作用。

设-慢化剂温度系数产生的反应性；

-控制棒移动产生的反应性；

-燃料温度系数产生的反应性；

K-汽轮机蒸汽阀门开度。

3、模式G功率控制

此时反应堆功率控制系统分为两部分：

1由汽轮机负荷信号控制的功率控制系统

这是一个开环系统，由控制回路和监督回路组成。

控制过程是：

按一个基本刻度曲线给出的负荷功率和功率控制棒的对应位置，来确定棒组的定位，利用汽机负荷信号与棒位之间的定值关系，经处理与实测位置比较，产生控制功率棒组移动的方向和速度。

2）平均温度控制系统

这是一个闭环系统，由平均温度控制回路和功率失配前馈回路组成。

基本动态要求是：

在额定负荷±10%FP的阶跃变化和±5%/min的线性变化的瞬变条件下，在15%FP-100%FP范围内，系统能自动调节平均温度达到其定值温度。

控制过程：

控制回路产生棒束的速度和方向信号，汽机负荷产生平均温度参考定值曲线，产生非线性增益及其与核功率的偏差。

最后给出棒束驱动的模拟信号和两个方向的逻辑信号。

4、控制棒组件

控制棒驱动机构

v机械传动部分

v电磁线圈（弹簧）

v密封套件

v静止，上升，下降，保护

v爪2

v线圈3

v弹簧3

v爪11得电

保护

v爪（11，17）失电，松

v重力

v下降到底

上升（下降）

v爪11、爪17、提升线圈交替得电

v步进

v不能频繁动作

有关参数

v行程：

3.664m

v额定行程：

3.619m

v步数：

228

v步距：

15.875mm

v15MPa,343℃,线圈温度200℃

v机械40年，线圈20年

5、控制棒棒位检测

v各控制棒组件位置（53个）

v控制室显示、记录等

v报警

控制棒有关参数

v行程：

3.664m

v测量范围：

232步（实际228步）

v步距：

15.875mm

v精度：

5%（±12步距）

v270×270×4016mm，80kg

v工作温度200℃

v220VAC（±10----15%）

原理

v差分变压器

v初级线圈（1个），220VAC

v次级线圈（31个），按一定规律排列

v同名端

v葛莱（GRAY）

v铁芯（驱动杆）

显示

v1.数字

v2.模拟（DA）

v3.上下限（另设两个独立线圈）

v4.异常报警

测量位置与指定位置比较

6、LSS基本原理

压水堆功率分布控制

■堆功率分布在运行中是变化的。

慢化剂温度效应、可燃毒物效应、多普勒效应和功率水平效应等都会影响到功率的分布；氙效应、控制棒组件移动和燃耗都对轴向功率分布产生影响。

■保护堆内局部不过热

轴向功率分布的描述

（1）热点因子，描述堆芯功率的均匀程度：

Pmax为堆芯最大线功率密度

Pav为堆芯的平均线功率密度

不可测

引入可测量的中间量：

轴向偏移AO来检测。

（2）轴向偏移AO

■轴向中子通量密度或轴向功率分布

■PH:

堆芯上半部功率，PB:

堆芯下半部功率

■AO可以适应堆功率轴向分布监控的需要，避免出现热点。

■不能精确的反应燃料热应力情况（负荷）

对不同功率水平，尽管AO相同，但由于堆芯上、下部功率差异而产生的热应力和机械应力将会有所差别

（3）轴向功率偏差

■△I=PH-PB=AO×（PH+PB）

反应给定功率下中子通量密度不对称情况

控制棒组件是控制轴向功率分布的主要手段，但移动控制棒又可能引起氙震荡，所以在正常运行时，采用轴向偏移AO为恒值来控制反应堆。

这是目前压水堆主要采用的控制方法。

■LOCA

■（LostOfCoolantAccident）冷却剂意外丢失

 LSS系统主要用于监视堆芯的运行状态，辅助操纵员进行反应堆的控制。

大亚湾核电站原LOCA监视系统是一个专用系统，现场运行十余年，设备已严重老化且缺乏备件供应和技术支持，系统经常闪发报警信号，曾错误闪发C21降功率信号，影响了电站的安全运行和经济效益。

新的LSS系统采用目前工控领域技术成熟的PLC产品，并采用冗余配置方案，提高了系统的可靠性和稳定性。

使用通用设备开发系统也方便了后期的备件供应和技术服务保障。

7、测量、控制的基本知识

1．测量的基本要素

从测量的定义可知，测量要有对象（测量的客体），测量要由人（测量主体）来实施，测量需要专门的仪器设备（硬件）作工具，测量要有理论和方法（软件）作指导，测量总是在一个特定的环境中进行的，因此构成测量的基本要素是：

被测对象、测量仪器、测量技术、测量人员和测量环境。

2．测量的基本内容

电能量的测量：

如电流、电压、功率等的测量；

电路、元器件参数的测量：

如电阻、电感、电容、阻抗的品质因数、电子器件参数等的测量；

电信号特性的测量：

如频率、波形、周期、时间、相位、谐波失真度的测量；

电路性能的测量：

如放大倍数、衰减量、灵敏度等的测量；

特性曲线的测量：

如幅频特性、相频特性、器件持性的测量。

3.测量三要素

测量对象，测量设备，测量单位

测量系统的组成

•大亚湾：

•50个通道：

分为5组（10个通道）

•每组配1只微型裂变室

•每组配机—电驱动设备

•套管（50）

•屏蔽室：

储存

控制：

电厂自动化或自动控制系统的重要组成部分。

用以实现热工过程的自动控制。

自动控制包括对主机、辅助设备和公用系统的控制。

热工控制系统的功能是控制各种热工过程的参数,包括温度、压力、流量、液位（或料位）等，使其处于最佳状态,以达到火电厂的安全、经济运行。

热工控制系统一般由感受件或变送单元、连接单元（或中间单元）、调节单元、执行单元组成，包括自动检测（遥测）、自动报警、远方操作（遥控）、自动操作（程控）、自动调节、自动保护和连锁等环节。

热工控制系统在火电厂自动化系统中的地位及与其他控制系统的关系见图。

　自动检测 　自动地检查和测量反映生产过程进行情况的各种物理量、化学量以及生产设备的工作状态参数，以监视生产过程的进行情况和趋势。

检测的参数主要有温度、压力、流量、液位（或料位）、电流、电压、功率、转数、周波、振动、气体成分、汽水品质等。

所使用的检测设备有常规的模拟量测仪表、巡回检测数字式显示仪表以及图象显示、自动记录和报警装置等。

　　远方控制与程序控制 　远方控制是通过开关或按钮，对生产过程中重要的调节机构和截止机构实现远距离控制。

程序控制是根据预先拟定的程序和条件，自动地对设备进行一系列操作，主要是用于主机或辅机的自启停。

　　自动保护 　利用自动化装置，对机组状态、参数和自动调节系统进行监视。

当发生事故时，自动采取措施，以防止事故进一步扩大或保护生产设备使之不受破坏。

如汽机的超速保护和锅炉的超压保护等。

　　自动调节 　自动地适应外界条件变化，使生产过程维持在规定的工况下进行，主要是锅炉水位调节、汽温调节、燃烧调节、辅助设备调节等。

有时自动调节系统本身也发生故障，这就要求有自身保护。

因此，现代自动调节系统往往包含有自动保护、自动检测、自动报警、程序控制等内容的较复杂的系统，以确保调节系统的安全可靠。

典型的自动调节系统有过热汽温单回路PID调节系统。

8、电离室、裂变室基本原理

1）电离室

¢由处于不同电位的电极和限定在电极之间的气体组成，通过收集因辐射在气体中产生的电子或离子运动而产生的电讯号来定量测量电离辐射的探测器。

¢电离室工作电压较低，直接收集射线在气体中原始产生的离子对。

其输出脉冲幅度较小，上升时间较快，可用于辐射剂量测量和能谱测量。

¢可分为脉冲电离室和电流电离室。

原理：

（1）电离室

•电脉冲叠加,电流输出

•I=e∫AN0dA

•E电子电荷

•A灵敏体积

•N0离子数

（2）r补偿电离室

•反应堆存在较强的r射线，影响测量精度

•功率量程，中子》r，可忽略

•中间量程，需补偿

•反向串接

•测量室涂硼中子

•补偿室不涂硼r

•A室：

i1=in+ir1

•B室：

i2=ir2

•方向相反，98%

（3）计数管

•脉冲

•低量程

•计数率由上升沿决定

•通常：

0.2微妙

•计数率5×105脉冲/S

•BF3和涂硼计数管

•当辐射超过量程时，测量无效

•BF3需屏蔽

硼仅关电源

2）裂变室原理

•内部涂层为裂变物质（如U235）

•体积小：

长30毫米，直径5毫米

•灵敏度高：

10-17A/n（cm2·s）

用于堆芯中子通量测量

9、10、11中子通量测量

一、功能

控制棒速度控制、失水监视LSS、显示、记录、停堆保护、棒提升闭锁。

二、系统

三、探测器

1、通过测量离子数量得到能量

2、中子无法直接测量

3、转换10B→7Li+a、10n+105B→73Li+a+2.792Mev、↘73Li*+r+2.792Mev（7Li激发态））、↘73Li+r+0.48Mev

4、物质和能量有变化

5、堆芯中子通量测量系统

6、堆外中子通量：

已衰减

7、堆内中子通量：

直接安全考虑

8、300度、15MPa、强辐射

9、空间限制

10、微型裂变室、小型10B电离室

自给能中子探测器

一、功能

堆内功率分布、校核堆外仪表、检查装料是否正确、燃料燃耗

二、测量系统的组成

大亚湾：

50个通道：

分为5组（10个通道）、每组配1只微型裂变室、每组配机—电驱动设备、套管（50）、屏蔽室：

储存、

三、工作过程

（1）取探测器

（2）通道N-1

（3）快速↓（18m/min），到底

（4）低速↑（3m/min），到顶

（5）低速↓（3m/min），到底

（6）快速↑（18m/min），到顶

（7）换通道（SG、SGV、SV）

（8）10个通道，屏蔽室

四、信号处理

同时记录：

探测器位置和探测器输出

计算机处理：

堆芯内辐射场

12、保护、联锁、记忆

一、辐射的防护

外照射防护的基本原则：

时间防护、距离防护、屏蔽防护。

内照射防护的基本原则：

把放射性物质密闭起来、把工作人员密闭起来

二、保护系统控制

目的：

在于防止反应堆偏离安全限值以及一旦超过这种安全限值后缓解所发生的后果。

亦即防止事故发生以及缓解事故所生的后果。

系统包括：

（1）反应堆保护系统：

当运行参数超过限值，危及堆芯及一回路压力边界时，该系统发出自动停堆信号。

通过安全动作系统使控制棒下插，保证反应堆热态安全停堆，并有足够的热态停堆深度。

在反应堆事故停堆的同时，汽轮机能自动脱扣。

（2）专设安全设施：

对于压水堆，运行中的几个主要危险是反应堆周期过短、中子水平过高、一回路冷却剂温度过高、压力过低、流量过低等。

故一般压水堆设有如下保护：

短周期事故保护

反应堆超功率及超功率流量比保护

反应堆进、出口水温过高保护

一回路冷却剂压力过低保护

一回路流量过低及断流保护

控制电源、电离室、裂变室电源断电保护

二回路系统、厂房放射性水平过高保护