压水堆核电站反应堆控制系统培训教材.docx

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压水堆核电站反应堆控制系统培训教材

培训教材

压水堆核电站

反应堆控制系统

编写：

校对：

审核：

中国核动力研究设计院

前言

目前压水型反应堆已成功运用于商用核电站和军用核动力装置。

压水型反应堆控制系统由反应堆冷却剂平均温度控制系统、稳压器压力控制系统、稳压器水位控制系统、蒸汽发生器水位控制系统和蒸汽排放控制系统组成。

本文是在总结秦山二期反应堆控制系统设计经验的基础上编写而成，主要内容包括反应堆控制系统的功能及其组成、各控制系统的功能、控制通道说明及其相关的报警和逻辑动作等内容。

由于编者时间仓促，书中难免有不妥之处，欢迎提出宝贵意见，谢谢。

第一章概述

一．反应堆控制系统的功能

反应堆控制系统的主要功能如下：

1．在稳态运行时，维持主要运行参数尽可能接近核电厂设计所要求达到的最优值，使核电厂的输出功率维持在所要求的范围内。

2．使核蒸汽供应系统能适应正常运行的各种瞬态工况，根据电网的要求和运行上的需要，改变系统的运行状态，保持操作上的灵活性。

3．在运行的瞬态或设备故障时，保持电厂主要参数在所允许的范围内，以尽可能减少反应堆保护系统动作。

秦山二期60万千瓦电厂按Mode-A方式运行，即以基本负荷为主，并满足日负荷循环的要求，即12-3-6-3工作制（即用3个小时从100%FP降功率至50%FP，在50%FP运行6小时，然后又用3小时从50%FP升功率至100%FP，在满功率运行12小时）。

因此，秦山二期电厂不考虑频率控制。

仅考虑某些由于电网事故引起的瞬态。

二．反应堆控制系统的组成

秦山第二核电厂核蒸汽供应系统主要包括以下五个系统：

1．反应堆冷却剂平均温度控制系统；

2．稳压器压力控制系统；

3．稳压器水位控制系统；

4．蒸汽发生器水位控制系统；

5．蒸汽排放控制系统。

第二章反应堆冷却剂平均温度控制系统

2.1反应堆冷却剂平均温度控制的功能

压水堆电厂反应堆功率调节系统的设计是要充分利用压水堆良好的自稳自调特性，使反应堆功率自动跟踪汽机负荷的变化，并保持机组的主要状态参数在规定的安全限度内。

为了保证汽轮发电机组的正常运行，需要控制的两个关键参数是反应堆的功率和冷却剂的平均温度。

然而在实践上，只需要控制反应堆冷却剂的平均温度。

只要保持冷却剂的温度充分接近它的整定值，则依靠汽机进汽阀的开度调节就可以保证机组的输出功率。

因此，控制平均温度就能调节反应堆功率。

反应堆冷却剂平均温度控制系统的功能：

——保持反应堆冷却剂平均温度在规定的程序温度的死区范围内。

程序温度是负荷的函数。

——在稳态和瞬态过程中，补偿功率亏损。

——补偿由于下述过程引起的反应性改变：

·频率控制；

·可溶硼浓度改变的时间滞后；

·氙引起的反应性变化（频率控制运行）。

反应堆冷却剂平均温度控制由D、C、B、A四个棒组完成。

D棒组是主调节棒组。

2.2用于反应堆冷却剂平均温度控制的测量值

反应堆冷却剂平均温度控制使用了三个测量值：

——反应堆冷却剂平均温度；

——中子通量；

——汽机负荷。

此外，还有一个代表总的负荷的反应堆功率定值信号。

2.2.1反应堆冷却剂温度测量

每一冷却剂环路的热段和冷段的温度是分别在热段的旁路管线上和堆冷却剂泵后的旁路管线上测量的。

电阻温度计探测器热段旁路连接器是一个伸入反应堆冷却剂内并在一个截面上成120°分布的勺形结构，它们是为了RTD岐管能采集到具有代表性的温度。

每一个旁路管道上都有两个温度计投入运行。

温度变送器通过属于保护系统的隔离变压器将信号送到控制系统。

另两个RTD则处于备用状态。

两个加法器用在计算每一环路的平均温度。

由高选单元选出两个平均温度中的大者即Tauc。

如果测量值中有一个偏离Tauc太大，则警报器动作。

Tauc值是用于反应堆控制的，同时也用于计算稳压器水位定值和蒸汽排放阀门的控制。

2.2.2中子通量测量

这里只讨论功率量程范围的中子通量测量。

它们是由多节电离室测得的。

每一个电离室给出6个电流信号，其中三号信号正比于堆芯顶部的热中子通量（堆顶三部），而其余三节则正比于堆芯下半部分的热中子通量。

在每一个电离室，对来自堆顶和堆底的各三个电流求和并加权，然后对其总和重新调整（乘以可调常数）以与热功率相匹配。

从四个堆外电离室给出的四个数据中高选出中子通量信号。

该信号用于反应堆温度控制。

一个一阶滤波器接在高选器之后，以便滤掉四个输入信号切换时对后面微分组件产生的影响。

2.2.3汽机负荷测量

汽机负荷测量实际上是汽机压力测量（在汽机入口至第一级旁路连接处进行）。

此压力被认为几乎和汽机负荷成正比。

因而只需对压力信号进行正确刻度。

NSSS用了三个压力探测器。

其一给出窄量程测量。

另两个信号通过一个三通开关可以选择其中任一信号或高选信号以便输入到：

——冷凝器水位控制（NSSS范围之外）

——蒸汽发生器水位控制

——反应堆冷却剂温度控制

负荷信号经过一个一阶低通滤波器1/1+τ6P。

滤波后的汽机负荷信号Qn用于功率失配通道，也用来计算平均温度整定值（稳定运行曲线）。

此负荷信号也用来产生一个代表总的负荷的反应堆功率定值信号。

2.2.4反应堆功率定值

当汽机旁路系统运行时，汽机压力信号不再代表总的负荷（汽机加冷凝器）。

此时，设定一个反应堆功率定值信号，让反应堆从跟踪汽机负荷变为跟踪反应堆功率定值信号。

反应堆功率定值是这样产生的:

设置一个P1定值（大约30%FP）。

当切换到厂用负荷（断路器打开）或汽机脱扣（有C8信号）运行时，而当时负荷又大于P1时，则NSSS的功率下降到P1所规定的水平。

在负荷低于P1时切换到厂用电负荷或汽机脱扣运行时，则NSSS的功率保持在当时的功率水平（记忆在控制卡件中）。

因此，反应堆功率定值与运行工况转换前的功率水有关，它不是P1值，就是当时的反应堆功率水平。

此外，在反应堆紧急停堆或GCT-C处于压力控制模式时，记忆在控制卡件中的当时的功率水平信号被清除。

当汽机负荷水平恢复到大于反应堆功率定值时，则系统复位，反应堆功率又恢复到跟踪汽机负荷运行。

2.3控制系统说明

2.3.1控制系统结构

为了保证汽轮发电机的正常运行，要求控制的两个关键参数是反应堆冷却剂平均温度和它的功率。

然而，在实际上，只需要调节反应堆的平均温度。

因为只要平均温度保持非常接近于它的整定值，调节汽机进汽阀的开度就提拱了所需的功率了。

因而，确定反应堆冷却剂平均温度通道结构的主要准则是这些：

——当快速加负荷时，反应堆主冷却剂温度的下降极限。

——当快速降负荷时，反应堆主冷却剂温度的上升极限（如需要，可加蒸汽排放）。

——高于100%FP的堆功率超调极限。

——良好的稳定性。

这些准则导致控制系统包含如图1所示两个不同的通道。

正如所述，由于反应性变化引起的温度响应是缓慢的。

如果仅根据Tavg-Tref的差值的作用，而又要得到快速性，则只能靠将此通道的增益设置很高才能实现。

而功率失配通道是附加在温度通道上的。

此通道是根据反应堆功率与汽机负荷的差值而使棒组移动。

误差信号Σ是根据三个输入算出的：

——计算好和滤波后的Tref；

——测量温度Tf，等于经过F（P）滤波后的Tauc；

——失配信号δQ，汽机负荷Qs与核功率Qn的差值经过滤波

G（P）后得到的。

于是：

该信号经过棒速程序处理后，得到了棒的速度信号和方向信号。

在稳态情况下，核功率与汽机负荷不是在所有的时间都是严格一致的。

此外，测量的不精确性也可以引起（Qs-Qn）不为零。

为了在稳态运行下消除δQ，传递函数G（P）必须在低频时具有零增益。

因此G（P）为：

平均温度测量值首先经过函数1/（1+T5P）滤波，以消除本底噪声。

为了改善温度通道的动态，此测量值还经过一个超前/滞后单元处理。

在电厂二回路的蒸汽负荷改变的清况下，高通滤波器G（P）使得δQ信号立即作用到控制棒上。

失配通道的基本功能是加速反应堆对负荷需求的响应。

而温度通道的功能则是把Tref-Tf的差值带回到死区之内。

时间常数T1，T3和T4应该调整以使得这两个通道解耦。

也就是说，失配通道的响应比温度通道快得多。

失配通道对整个控制系统的稳定性起着极为重要的作用。

2.3.2稳态运行程序

对于具有U形管蒸汽发生器的压水堆NSSS，可以有两种不同的反应堆冷却剂平均温度对负荷的稳态运行程序。

第一种程序是保持反应堆冷却剂平均温度不变。

它具有两个优点：

即控制棒的动作和稳压器的尺寸都最小。

在这种方式下，控制棒只需补偿燃料的多卜勒效应的反应性改变。

而主冷却剂的容积变化也最小。

然而，当反应堆冷却剂温度不变时，负荷的变化将导致二回路蒸汽压力的巨大变化。

实际上，经过蒸汽发生器传输的功率，近似正比于主冷却剂平均温度与蒸汽压力的饱和温度的差值。

这就是为什么满功率运行时蒸汽压力最低。

因此就需要加大汽机和蒸汽系统。

第二种程序是允许平均温度随负荷增加。

极端情况是保持蒸汽压力不变。

按这个方法，汽机的尺寸可以缩小。

然而，这种控制模式主冷却剂温度的大范围变化，它需要加大稳压器。

同时对整个反应堆冷却剂系统及燃料产生有害影响（热应力）。

因此采取了折衷方案，即主冷却剂平均温度是负荷的线性上升函数。

反应堆主冷却剂平均温度的参考值是从下面两个信号高选出来的：

——汽机压力

——反应堆功率整定值。

当负荷从0—100%FP时，参考温度Tref由290.8-310℃（见下图）

在这些条件下，当负荷从0—100%FP时，二回路蒸汽压力从7.6MPa下降到6.8MPa附近。

2.4棒控系统逻辑动作

配置一定数目的逻辑作用设施，用以防止由于反应堆启动时控制棒手动提升出现的事故以及意外操作所引起的功率偏移。

用两种不同的标识符号来识别两类不同的逻辑动作。

其中控制联锁标志为“C”，允许信号标志为“P”。

2.4.1C1、C2、C3、C4、C11、C20、C21和C22联锁信号

C1：

高中子通量（中间量程）

当两个中间量程中子通量读数中的一个超过20%FP，该信号取1，它闭锁手动和自动控制棒组提升。

只要P10取1，此闭锁可以手动切除。

C2：

高中子通量（功率量程）

若任一堆外电离室发生一个平均信号大于103%FP，则C2信号呈逻辑态1（在109%FP，反应堆停堆）。

此信号可以闭锁手动和自动控制棒组提升。

该信号不能手动切除。

C3（超温ΔT）和C4（超功率ΔT）：

当超温ΔT或超功率ΔT的裕度降至某一定限值后，则发出C3或C4信号，它禁止手动和自动提升控制棒，同时启动自动汽机降负荷。

C11：

当棒组D处在高棒位时，信号C11取1。

它闭锁自动和手动棒组提升。

C20：

当核功率低于15%时，该信号闭锁自动（非手动）提升控制棒组。

即只有在15%功率以上，系统才能投入自动。

C21：

根据与安全有关限制的要求，制定出反应堆的“运行区”。

应该避免反应堆运行在“运行区”之外。

当反应堆运行靠近“运行区”某一定宽度时，它发出警报信号，它提醒操纵员调整硼浓度以纠正这种情况。

或者调整控制棒位置以改善运行状态。

当运行达到区域边界，则产生C21逻辑动作，启动汽机降功率。

C22：

当反应堆低选的平均温度值低于某一定值时，则发生报警信号以提醒操纵员，此时表明反应堆温度过冷，已跟不上负荷的需求。

若平均温度继续降低到界限值，则启动汽机降负荷。

作为和低选平均温度相比较的参考温度，其定值既要保证在低负荷时要大于P12定值：

（284℃），而在高负荷时（＞90%FP）又不能太低，以保证蒸汽品质。

2.4.2核蒸汽供给系统要求的汽机降负荷

逻辑信号C3、C4、C21和C22经过“或”组件以单一逻辑信号的形式送给产生汽机降负荷周期信号的装置。

由C21和C22产生的汽机降负荷周期信号与C3、C