压水堆核电站负荷跟踪控制模式的探讨

压水堆核电站负荷跟踪控制模式的探讨

喻扬李斌沈华

喻扬李斌沈华

中核核电运行管理有限公司一厂运行二处浙江省海盐县

摘要：本文介绍了核电机组功率调节的主要手段，以及分析了国内核电站常用的3种控制模式.着重探讨了方家山的负荷跟踪G控制模式。对压水堆核电站核功率控制技术的发展优化趋势提出了看法：随着电网对核电站负荷跟踪要求的提高，控制棒方法将继续强化，可燃毒物棒方法有变革的潜力，化学溶剂的控制比例将会进一步减少。

关键词：压水堆；核电站；G模式；功率控制；负荷跟踪

DiscussionofReactorPowerControlModesin

PWRNuclearPowerPlant

YuYang

（CNNCNuclearPowerOperationsManagementCo.，Ltd.TheSecondOperationDepartmentoftheFirstPlantHaiyanZhejiang）

Abstract：Describesthemainmethodofpowerregulationofnuclearpowerplant，andthreecommonpowercontrolmodesindomesticPWRnuelearPowerPlantareanalyzed.ThepowercontrolmodeGofFangjiashanwillbeespeciallydiscussed.Finally，thetrendofthenuclearpowercontroltechnologyoptimizationforPWRnuclearPowerPlantisputforward：controlrodmethodwillbestrengthened，andtherearepotentialsforburnablepoisonmethodtobereformed，whereasthecontrolproportionofthechemicalsolventmaybefurtherweakened.

Keywords：PWR；nuclearPowerPlant；modeG；Powercontrol；load-following

1.引言

核电机组由于其技术和经济特性要求，适于承担系统基本负荷，只有在用电淡季（如春节期间）才会按照电网的要求在短时间内降低到一定负荷，核电机组基本不参与负荷调节。未来10年，中国积极推进核电建设，预计2020年核电装机规模将达到7000万～8000万kW，广东、浙江、福建、海南4省的核电装机比例将分别达到19%、22%、21%和29%。随着装机比例的提高，核电机组的负荷跟踪能力，日益成为影响系统安全经济运行、电网及电源结构发展，乃至核电自身发展的重要因素。根据国家核电发展规划，压水堆核电技术是未来发展的主流。因此在保证安全的情况下，提高核电机组的负荷跟踪能力已成为研究核电站运行的重点.[1]

火电机组的负荷跟踪能力提升的重点在于锅炉燃烧的调整，核电机组的负荷跟踪能力提升的重点在于核反应堆核功率的控制能力，因此在核能利用安全性的约束下的核功率控制成为研究的关键。

2.压水堆核电机组功率调节的主要手段

核电机组的负荷跟踪能力，是通过调节核反应堆输出功率来实现的。压水堆核电机组调节功率主要有调节硼浓度和调节控制棒位置2种手段。调低硼浓度或提升控制棒在堆芯的位置，均可使反应堆功率上升；反之，则降低反应堆功率。硼浓度的变化速度较慢，因而调节反应堆功率的速度也较慢。另外，堆功率要进行频繁的升降时，如果

单独以调节硼浓度的方式来跟踪这种升降，则要对一次侧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，使硼回收系统难以应付。因此，调节硼浓度这一方式，不能满足快速功率调节的要求，只能进行较缓慢的堆功率调节。控制棒调节功率的速度比较快，但在运行中，当功率控制棒从堆芯底部开始向上抽出，特别是当功率棒长期插入堆芯时，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。因此使用该手段也有一系列的约束。

3.压水堆核电机组负荷跟踪思路的演进

3.1“机跟堆”模式

“机跟堆”模式不要求核电机组参与负荷调节。这种模式下，反应堆能输出多少功率的能量，发电机就向电网输出相应的电量。它优先考虑核电站，有利于核电站安全、经济地运行，而不要求反应堆功率做频繁调节。但这种模式对并网的其他发电机组不利，特别是缺乏合理的调峰辅助服务补偿机制的情况下，难以调动其他机组参与负荷调节的积极性。

3.2“堆跟机”模式

“堆跟机”模式要求核电机组在一定范围内调节发电功率，以跟踪电力系统负荷变化。它对核电站的反应堆功率调节系统提出了更高的要求，要求反应堆功率能够跟随核电站发电机功率的变化。反应堆这种频繁的功率变化对于其运行会产生一定的不利影响，需要采用相应的技术措施来解决。

4.核电站核功率的3种控制模式

从国内已投运及在建核电机组来看，其负荷跟踪控制模式大致可归结为3种模式，即：A模式（如我厂30万千瓦机组、秦山二期）；G模式（如方家山核电机组、大亚湾及岭澳核电站）；APl000模式（三门核电站）.

4.1A模式

在国内运行的核电站中，我厂30万千瓦机组及秦山二期都采用的的是“A模式”，在A模式中，核功率控制手段只用了两种——改变硼酸浓度和移动黑体控制棒.核功率水平的调节是通过硼酸浓度调节和黑体控制棒组位置调节来实现的.而核功率分布的控制则是通过调节硼酸浓度和限制控制棒的移动操作，使热点因子低于限值来实现的.其中，硼酸浓度调节是一种用于功率水平粗调的开环控制手段，其响应速度慢，常以间歇式的半自动方式进行；而黑体控制棒组位置调节则是快响应的控制手段，准确地说，黑体控制棒组位置调节系统被分为开环控制和闭环控制两部分.大部分黑体控制棒属于开环控制部分，一般分为A，B，C，D4组，其移动位置由功率设定值确定[2].小部分黑体控制棒执行闭环控制任务的位置将由控制器根据冷却剂的平均温度进行调整.因此，黑体控制棒组位置调节是一种既有开环又有闭环，且既有粗调又有细调的核功率水平控制手段.

4.2G模式

方家山核电厂反应堆控制系统即采用G模式，其特点是具有较强的负荷跟踪能力，允许根据电网负荷的变化，快速降低或提高反应堆功率水平。

G模式运行的核电站反应堆，维持正常运行是靠下述手段实现的：

——由功率补偿控制棒组的位置来改变反应堆功率水平；

——温度调节棒用来调整较小的反应性变化和轴向功率分布形状；

——调节堆内可溶硼浓度补偿由于燃耗、氙浓度变化等引起的较慢的反应性变化。

4.2.1功率补偿棒组（G棒组）

功率补偿棒组（G棒组）又称灰棒组，它包括4组棒：G1，G2，N1和N2，其中仅仅G1和G2才是灰棒。

灰棒组用于补偿负荷跟踪时的反应性变化。在一定燃耗下，对应于每个电功率水平有一个棒位（图1）。功率水平与灰棒组棒位之间的关系曲线叫做有效标定曲线。

图1功率补偿棒刻度曲线

如果运行要求功率补偿棒组相对于刻度曲线位置部分地或完全地抽出，则负荷跟踪能力降低。该曲线是根据实测的标定曲线推算出来的。在有效标定曲线上，灰棒组开始插入的功率称为有效插入功率，记为Pg。灰棒组按叠步顺序插入。先插G1棒组，最后插N2棒组（图2）。提升的顺序则刚好相反，先提N2最后提G1。叠步的目的是减少堆芯轴向功率分布扰动，提高棒微分价值。重叠步数为85（N2/N1）、85（N1/G2）、95（G2/G1）。

图3温度调节棒R棒位

为了确保温度调节的R棒组具有足够的反应性引入的能力，以满足补偿堆芯反应性扰动的要求，并尽可能使轴向功率分布平坦，规定

了调节区的上限；为了满足停堆裕量、弹棒事故安全准则、核焓升因子等限制要求，还确定了R棒的最大插入深度。

R棒组除了调节平均温度以外，还有两个用途。在负荷瞬变期间协助G棒组控制反应性，此时R棒组可能在短时间内超出调节区。另外为了控制轴向功率分布，可能需要将R棒置于调节区以外几个小时。

4.2.3稀释或硼化

稀释或硼化的目的是补偿燃耗引起的慢速反应性变化和氙效应引起的大范围的反应性变化。其特点是对堆芯功率分布形状不起破坏作用。另外，通过稀释或硼化可以维持R棒组在调节区内。

当堆芯轴向功率偏差为正时，即堆芯上部功率大于堆芯下部功率时，可以通过稀释使R棒下插，减少堆芯上部功率的比例，使堆芯上、下部功率趋向于相等。当堆芯轴向功率偏差为负时，通过硼化使R棒提升，增加堆芯上部功率的比例，使堆芯上、下部功率趋向于相等。

4.3AP1000模式

AP1000模式采用了核功率水平与功率分布单独控制的设计思路[3].功率分布控制系统采用专用的控制棒（AO棒）独立调节，且与功率水平控制回路不产生干扰.功率水平控制系统则采用4组灰体控制棒组（MA，MB，MC，MD）和2组黑体控制棒组（Ml，M2）.此外，还设计了快速降负荷的棒组操作.

AP1000模式的功率水平控制系统可细分为一个闭环调节回路和一个前馈控制通道.闭环调节回路是指一回路冷却剂平均温度控制回路.其中的参考平均温度表征了二回路功率由外界负荷确定.偏差通过功率水平调节棒组进行调节，该调节系统设置了一定死区，且负荷跟踪模式下的死区要比带基本负荷时的死区宽.当偏差位于死区内时，控制棒不移动，通过反应堆自身的反应性反馈来稳定反应堆；当偏差超出死区时，控制系统根据偏差大小及正负来确定控制棒的移动速度和移动方向.前馈控制通道通过反应堆功率与汽轮机功率失配信号进行调节，在负荷降低较大幅度时，它能使控制棒在一回路平均温度变化前适当动作，为系统提供超前调节作用，以减小瞬态峰值.

该模式中还设置了快速降功率系统，如汽轮机负荷大幅度降低时，反应堆功率与汽轮机功率失配，通过前馈通道的作用，预选定的一定数量的功率水平调节棒下插，使核功率快速降低，与此同时，蒸汽排放系统也被开启.在选定的控制棒下插后，通过闭环调节作用来调节一回路平均温度，使电厂回到正常状态.

该模式中的功率分布控制系统与功率水平控制系统是各自独立的.功率分布为轴向功率偏移控制棒（AO棒）的单值函数，通过设置AO棒来进行功率分布的控制.AO棒分为两组，分别包含4束和5束控制棒，当轴向偏差超出规定范围时，系统发出控制信号，使这两组AO棒交替移动，从而达到功率分布控制目标.

4.3种控制模式的比较分析

A模式是一种“机跟堆”的基本负荷运行模式.该模式下，汽轮机负荷随核反应堆功率的变化而变化，反应堆输出多少功率的能量，发电机就向电网输出相应的电量.因此，功率控制系统的作用主要是完成反应堆的启动、停闭，以及维持核反应堆的功率在某一给定水平并抑制功率波动.

该模式下的调节棒组均为黑体棒束，中子吸收能力强，且其移动基本同步同幅，极易导致轴向功率分布严重畸变.因此，控制棒移动速度被限制在一定范围内，使得压水堆核电站的负荷跟踪能力也受到限制.而为了补偿功率变化，就必须通过化容系统来调节冷却剂中的硼酸浓度，其调节速度受到很大限制，并且随燃耗的加深，硼酸浓度已经变得很小，功率提升速率会变得很慢，且会产生大量的废液，大大加重了废液处理系统的负担.

此外，该模式下所需的控制棒数量少且插入浅，轴向与径向燃耗较为均匀一致，有较大的停堆裕度，核电站的安全性有所提高.同时，这种采用“机跟堆”运行模式的核电站通常带基本负荷运行，反应堆不频繁调节，运行过程中设备受到热应力影响较小，有利于核电站安全、经济的运行.

A模式核电站负荷跟踪能力受限制的主要因素有两个方面：首先，该模式的功率水平调节主要靠硼酸浓度调整，大大降低了功率调节速度；其次，调节棒组均为黑体棒组，其移动对功率分布影响很大，移动范围和速度受到很大限制.

G模式实现了从“机跟堆”到“堆跟机”的演变，使得反应堆能够在一定范围内快速调节发电功率，跟踪电网需求的变化.相对于A模式，该模式具有从电力系统到核反应堆的自动反馈回路，因此机组的功率调节性更加灵活，可以参与负荷跟踪与电网调峰.

G模式中可燃毒物棒的出现主要解决了首次装料时所需硼酸浓度将超过上限的难题.灰体控制棒的应用带来了更快的核功率调节速度，控制棒方法发挥了更大的作用.但在升降负荷时仍需要调节硼酸浓度，负荷降低后，氛毒效应引起的功率效应需要通过稀释硼酸溶液来实现.因此，当硼酸浓度很低时，仍会出现稀释量大且速度慢的问题.此外，功率水平控制时仍会影响轴向功率的分布控制，需要自动监测和保护，有时也需要人工控制.

AP1000模式继承了采用了将核功率水平与功率分布分开控制的设计思路，并且采用了专用的控制棒（AO棒）进行功率分布的控制，且不影响功率水平控制回路.功率水平控制系统不仅采用了灰棒组件来调整基本负荷，而且采用了黑棒组件以控制冷却剂平均温度，并可进行快速降负荷，其总体控制能力更强，可以在负荷跟踪时只调节控制棒而无需调整硼酸浓度.

5.结语

随着我国核电机组装机比重的提高，核电站参与负荷跟踪的要求越发强烈.特别是对现代压水堆核电机组而言，都要求具备负荷跟踪能力，以适应电力市场的发展趋势，满足电网峰谷差变大的负荷需求.压水堆核功率控制模式经过50多年发展，已取得长足的进步，但放眼未来，其控制模式还有待提高的空间.

（l）通过控制棒调节核功率的方法可进一步优化.控制棒的改进已从黑体到灰体，从功率调节棒到功率分布棒，下一个或许是一种更高性能的彩体棒.独立专用控制系统的设计可进一步完善和提高，除功率水平和功率分布分开控制外，还要做到更大范围和更快速度的调峰.

下转第468页

（2）对可燃毒物棒控制法的优化.目前，可燃毒物棒与燃料棒一样为一次性装入使用.如果设计为可移动式，或许能大幅提高毒物棒的反应性控制速率，从而减少响应较慢的硼酸浓度调节.

（3）核功率的化学补偿溶剂控制将主要用于不同燃耗深度的反应性调节.由于硼酸浓度调节响应慢且稀释时产生大量废液，所以核功率控制中应尽量减少其使用.但是硼酸浓度调节仍然是核电站基本负荷控制的主要手段，用于大幅度慢响应负荷跟踪.至于稀释时废液量大的问题则可从减少稀释液量和加强废水处理两方面着手解决.

（4）化学补偿溶剂控制、可燃毒物棒控制和控制棒控制3种压水堆核电站功率控制方法，各有所长，可同时应用.前两者主要用于燃料燃耗不同的反应性调节，后者主要用于快速负荷跟踪.如何将3种方法更加有效地优化组合!统筹兼顾，发挥更高效!更灵活的核反应堆控制作用，仍将是一个值得研究的方向.

参考文献

[l]余文奇，彭波，郑秀波.压水堆核电机组负荷跟踪能力综述.中国能源，2011，33（3）：38-45

[2]张建民，姜晶.核反应堆控制.北京：原子能出版社，2009：137一139.

[3]张小东，刘琳.AP1000反应堆控制系统特点分析.核动力工程，2011，32（4）：62-65.