浅析AP1000核电站快速降功率和落棒恢复

毛文礼

(中核辽宁核电有限公司，辽宁 葫芦岛 125100)

【摘　要】分析了AP1000核电站快速降功率系统的设计特点、控制和闭锁逻辑。讨论了该系统在100%额定功率水平下停机不停堆的响应。对停机后核功率在低功率水平稳定运行，恢复落棒操作，瞬态开始至落棒恢复的反应性控制方式进行探讨，以期对电站的运行工作有所帮助。

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关键词 快速降功率；AP1000；落棒恢复

0 引言

AP1000快速降功率系统与二代核电站有很大的不同，在满功率情况下出现汽轮机故障跳闸时，通过快速降功率系统动作，将反应堆功率降低到汽轮机旁排系统和反应堆功率控制系统能够控制的水平，避免反应堆停堆和主蒸汽安全阀打开。

汽轮机旁排系统为一回路提供一个人为的负荷，将主蒸汽旁路到凝汽器，排放能力为40%额定蒸汽流量。反应堆控制系统能够调节10%的阶跃降负荷或负荷每分钟线性变化5%。汽轮机旁排系统和反应堆功率控制系统总共能够满足50%的机组甩负荷。大于50%的阶跃甩负荷或汽轮机在50 %负荷以上的跳闸工况，超过了上述两个系统的调节能力，会导致一回路过热。这些工况下，快速降功率系统需要动作，快速降低核功率，防止一回路过热。

1　快速降功率系统的触发

AP1000反应堆有69束棒束控制组件，按功能可分为功率控制棒组（M棒组）、轴向偏移棒组（AO棒组）和停堆棒组（SD棒组）。负荷跟踪时，反应堆功率控制系统调节M棒组的提升和下插，保持一、二回路的功率匹配。AO棒组用于调整堆芯轴向功率分布。停堆棒组用于保证反应堆停堆后具有足够的停堆裕度。快速降功率系统也是通过棒束控制组件来实现其功能的，快速降功率系统动作信号产生后，释放预先选定的停堆棒组和中心的AO棒。

快速降功率系统释放的棒组由操纵员依据BEACON（堆芯核运行最佳评估分析器）来选定。通过对持续监测的堆芯热功率数据进行汇总得到堆芯的燃耗分布情况，根据堆芯燃耗分布情况和堆功率水平给出推荐的快速降功率时需要插入堆芯的停堆棒组和中心的AO棒，经操纵员确认后，最终选定棒组。

只有在发生阶跃甩负荷超过50%额定功率或汽轮机在50%以上负荷跳机时才会触发快速降功率系统动作，因此快速降功率系统的触发有两个条件：1）核功率大于50%额定功率；2）汽轮机甩负荷超过50%额定负荷（如图1所示）。以100 %功率时汽轮机跳闸来说明快速降功率系统的运行。该工况下产生保持的快速降功率信号，系统触发，将预先选定的棒组断电，棒组在重力作用下插入堆芯，迅速将反应堆功率降至50%左右。反应堆功率控制系统根据一回路平均温度Tavg与二回路参考温度Tref之间的偏差信号将M棒组插入堆芯，反应堆功率逐渐降低。此时由于反应堆有功率存在，而汽轮发电机组已跳闸，因此一、二回路热量不平衡。然后判断二回路是否可用，若二回路不可用，则需要将反应堆停堆；若二回路可用（主给水泵在运行，蒸汽发生器液位维持正常稳定，汽轮机旁排系统可用，凝汽器可用等），则在各系统的协作下，导出一回路多余的热量，维持一回路温度。当反应堆功率下降到低于15%，反应堆功率控制系统将进入低功率模式，操纵员设定一个目标功率和速率，维持反应堆功率在12%~15%之间，此时热量通过汽轮机旁排系统带走。

2　P-17逻辑和Runback功能

2.1　P-17闭锁逻辑

核功率负变化率高于15%/秒时，产生P-17信号，如图1所示。该信号闭锁了M棒组的自动和手动提升，AO棒组的自动下插，AO棒组的自动和手动提升。这样就避免了快速降功率触发时，由于停堆棒组的落棒导致处于自动状态的M棒组和AO棒组提出。该闭锁信号未闭锁M棒组的自动插棒，在快速降功率触发后，M棒组将根据一回路平均温度Tavg与二回路参考温度Tref的偏差进行插棒。P-17是一个保持的信号，若要进行棒的提升操作，需要手动进行复位。

2.2　Runback功能

汽轮机大的甩负荷工况时，由于快速降功率系统的动作向堆芯插入了停堆棒组和AO棒，可能引入过量的负反应性，使反应堆功率的下降多于汽轮机功率的下降。AP1000的反应堆设计中，在没有主动控制干预时，堆芯功率跟随汽机功率运行。一、二回路功率失配引起冷却剂平均温度Tavg增加或降低，由于负的慢化剂的温度系数，Tavg的改变反过来影响堆芯功率，直到达到新平衡。也就是说快速降功率系统动作时，即使引入了过量的负反应性，堆芯功率最终会恢复到与汽机功率一致，但是降低了一回路平均温度Tavg。导致一回路过冷。因此在快速降功率系统动作后汽轮机需要Runback。

使用温度/功率失配信号和快速降功率信号来控制汽轮机Runback。如图1所示，当快速降功率信号出现，且温度/功率失配信号大于一个带有回环的设定值时，汽机负荷将会产生Runback，以一定速率降低汽机负荷。从快速降功率信号出现到Runback有一个延时，其目的是防止在甩负荷瞬态之初就触发汽轮机Runback。当温度/功率偏差信号小于设定值减去一个回环值后，汽轮机Runback信号消失。

3　快速降功率系统落棒恢复

3.1　反应性补偿

反应堆功率由100%降到15%过程中，甩负荷后的反应性由快速降功率棒组和M棒组的下插来补偿。反应堆功率降到15%左右后，由于氙浓度的积累，向堆芯引入负反应性。若要使功率稳定在这一水平运行，应该在快速降功率触发后立即对一回路进行稀释，降低硼浓度，以补偿氙毒引入的负反应性。稀释速率取决于稳定在15%功率水平的时间长短，在0~30分钟内需要的稀释流量是15.67m3/h。落棒恢复过程中，通过移动M棒组来补偿快速降功率棒组提升引入的正反应性和氙浓度增加引入的负反应性。图2所示为反应堆稳定在15%功率运行1小时后，进行落棒恢复（持续2小时），一回路硼浓度及氙价值的变化示意图。

3.2　落棒恢复策略

在15%功率水平时，若要将快速降功率系统动作而掉落的棒组恢复到原先位置，首先要停止对一回路的稀释。然后通过将控制棒置于单棒控制模式，手动提升快速降功率棒组中的停堆棒，在停堆棒的提升过程中，控制M棒的移动来维持反应堆功率恒定在15%。停堆棒恢复完毕后，再恢复掉落的AO棒到其原先位置，当M棒组中的M1棒组接近棒的插入限值时，就需要进行硼化。一回路硼浓度增加将M棒组赶到需要的位置。

4　总结

AP1000快速降功率系统的设计，以及与其它一、二回路系统的相互协作，实现了电站停机不停堆的功能，从而减少了机组再次投入并网运行的时间，提高了电站的经济性。引用BEACON系统进行快速降功率系统的棒组选择，提高了灵活性。由于BEACON在国内核电属于首次应用，且是一个非安全相关系统，BEACON系统的可靠性将影响快速降功率功能的实现。

快速降功率动作后，核功率要稳定在15%水平运行，就要立即进行稀释操作。若操纵员由于耽搁而未能快速响应，氙浓度的积累将引起反应堆进入次临界。一旦反应堆处于次临界且核功率下降到5%以下，操纵员就需要停堆。

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参考文献

［１］车济尧.三门核电站停机不停堆的运行分析[J].中国核电,2014(3).

［责任编辑：邓丽丽］