秦山320MW机组稳定功率运行反应性控制探讨

肖勇国

x【摘 要】秦山320MW机组反应堆功率运行期间，反应性控制主要来自硼浓度的变化。从核安全的角度看，硼化是偏安全的，但是从核电站的经济效益，功率运行期间误硼化带来的就是降功率;少量的误稀释只会导致控制棒的下插，但是对于核安全却有不利的影响。文章对于误硼化稀释的可能性进行了分析，并对这些情况的预防措施及操作应对进行探讨，建议在实际运行中建立相应的规程来指导操纵员在误稀释或者误硼化之后响应，避免更大的瞬态。

【关键字】反应性;稀释;硼化

中图分类号： TM623文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）03-0223-006

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.03.094

Steady state operation of reactivity control discussed

XIAO Yong-guo

（CNNO.Haiyan Zhejiang 314300，China）

【Abstract】During the reactor power operation， reactivity control of major changes from the boron concentration. From the point of view of nuclear safety，boration is biased，but from the economic benefits of nuclear power plants， during power operation boration excessive is brought down power;small amount of dilution would result control rods inserted，but for nuclear security there is adversely affected.Articles analyzes the possibility of boration excessive or dilution excessive，and discuss the solutions when we meet the situation which was mentioned above.and proposed the establishment of appropriate procedures in the actual operation to guide the operator in the wrong response after boration excessive or dilution excessive，to avoid greater transient.

【Key words】Reactivity;Dilution;Boration

0 引言

反应堆在运行初期具有较大的剩余反应性，这些剩余反应性被控制棒和化学毒物所抑制，随着反应堆运行，随着燃耗的不断加深，堆内剩余反应性不断减少，为了维持反应堆在稳定的功率下保持临界状态，必须不断地释放出反应性。这些反应性的释放是由操纵员去控制的。目前秦山320MW机组释放反应性的方式有两种，提升控制棒和减少化学毒物（即稀释）。在初始设计中，为了保证日常运行中子通量的展平（△I的控制），以及减少弹棒事故的后果和保证足够的停堆深度，控制棒的位置有插入极限。为了保证反应堆跟踪二回路运行的响应速度，控制必须有足够的微分价值，控制棒也有提升极限。所以依靠控制棒抑制的剩余反应性不多，控制棒主要是为了提供反应堆的快速响应。所以320MW机组日常运行释放剩余反应性主要依靠稀释。

1 稳定功率运行日常反应性控制

在日常运行中，由二回路冲动级压力转换的来的参考平均温是操纵员控制反应性的一个主要依据。日常的控制，不需要控制棒移动。稀释点的选取与稀释量的计算

控制棒工程不移动范围为Tref-0.6℃

平均温度上涨不至于引起控制棒下插，Tavg应该不超过Tref+0.3℃，一般控制在Tref+0.2℃以内。为此，Tavg在稀释前后总计应变化0.4至0.5℃。工程计算可以简化为稀释引入的反应性应该大约等于慢化剂温度系数（与堆芯寿期有关，本文以-30pcm/℃为例）引入的负反应性（补偿日常燃耗稀释，燃料温度系数与空泡系数较小），慢化剂温度系数与寿期相关，硼浓度价值基本不变。

2 稳定功率运行的异常反应性控制

2.1 误稀释的可能及影响

2.1.1 补水泵

化容微机故障，补水泵误启动;

或者在补给水系统稀释工况下，到达操纵员设定的稀释批量之后，系统未自动停止;

或者操纵员设定稀释量错误。

在这三种情况下，补水泵均会将补水箱的除氧水送入容控箱，进而导致主系统稀释。

此种情况下发生稀释后，最先的声光报警是：容控箱液位高，操纵员此时可以排查容控箱水位上涨的原因，发现是补水泵向容控箱在注水，并且能采取措施停止，如果手動控制补水微机系统失效，操纵员通过手动关闭补水箱的出口阀或隔离上充下泄来控制事态的发展。由于稀释效应出现会在8min之后开始，在接下来的几分钟之内，平均温度迅速上升，由于控制会自动下插，短时间之内不会有导致降功率或者停堆的风险。轴向功率不会马上超出控制范围。对系统的影响（考虑容控箱从1.5m上涨至高报值，稀释0.625t）见表1。

2.1.2 树脂床

在寿期初投运除锂床对主系统除锂或者进行化容净化床的切换，如果操纵员未对除锂床或者化容净化床进行扫液处理，或者扫液过程中，操纵员配置硼水比例不恰当都可能导致主系统稀释。

如果树脂床中全部都是新树脂，并且充水放起使用的是清水的话，那对主系统的稀释的影响将会非常大;如果整个过程没有操纵员的及时干预，使得整个树脂床中的水注入主系统，加上新树脂对硼的不断吸附，将会导致轴向功率偏差超出技术规格书限制。

树脂床投运导致主系统稀释，最先出现的现象是平均温度开始上升，控制棒下插，树脂床中水溶液含量约为2.5m3。全部被置换时间需要16分钟。当操纵员发现温度开始上升时，约1.5m3水已经进入容控箱。如果发生在寿期初，对主系统的影响将会非常严重。

2.1.3 轴封回流热交换器

轴封回流热交换器管侧介质为冷却剂，设计工作压力位0.343MPa，壳侧介质为设冷水，设计工作压力0.784MPa，若热交换器内漏，设冷水会漏入化容系统，由上充泵送入主系统。造成主系统稀释。

由于设冷水漏入，容控箱液位会上涨，波动箱液位下降。波动箱液位由于有V06-06A/B自补存在，并不会出现低报。容控箱液位高报提醒操纵员响应。当操纵员由报警发现容控箱液位上涨时，总计已有0.625t（最大化考虑，容控箱液位1.5m→1.75m）水漏入主系统。

寿期初对主系统的影响，与补水泵异常注水的影响基本一致，但是效应比补水泵注水来的更快。

2.1.4 暂存箱

暂存箱通过硼回循环泵打循环或者往其他水箱输送水，如果V02-214内漏或者被误开启，而此时暂存箱的硼水浓度低于主系统硼浓度的话，就会导致主系统稀释。暂存箱储存的是日常主系统的排水或者大修时的排水，所以暂存箱的硼浓度比清水要高很多。因此，暂存箱的操作导致的稀释影响不会超过补水泵造成的影响。

2.2 误硼化的可能及影响

从运行控制方面，异常硼化比异常稀释更为严重。硼化引起就是反应堆功率的下降，由于日常运行控制棒棒位较高，控制棒很快达到提升极限。此时，由于一回路平均温度的降低，不得已进行降功率，降功率后由于氙毒引入的负反应性可能会使得进一步降低功率来匹配。

2.2.1 硼酸驳运泵

化容微机系统故障，硼酸驳运泵非预期启动。

或操纵员误操作，切至硼化工况下，按下启动按钮。

此两种情况会导致主系统硼化。

硼酸注入主系统，在7分钟左右，硼化效应开始出现，核功率下降，控制棒自动提升。如果硼酸注入量较多，控制棒将达到棒高位。并且CB514A会出现定值器翻转报警。

两种直观的现象操纵员可以发现：一，核功率大表指示下降;二，控制棒自动提升的声音。操纵员发现后，停止正在运行的硼酸驳运泵，终止硼化。由于硼化效应，操纵员需要根据平均温度适当降低汽机负荷来匹配反应堆功率。随后操纵员根据容控箱液位上涨，计算出进入容控箱的硼酸量，进行主系统稀释。

硼酸注入后，7分钟平均温度开始下降，15分钟左右控制棒会自动提升，操纵员发现异常。实际运行中，主要考虑通过小流量管线导致的硼化效果的影响，根据实际运行中小流量管线阀位的变化，可以算出各个阶段硼化的影响，见表2。

虽然等量的硼化，寿期末影响要较寿期初大，并且寿期末的稀释效应来的缓慢。但是从上面的表格可以看出，實际运行中，通过小流量管线导致的硼化在寿期末由于V02-129阀位的限制，所以从被误硼化到操纵员响应的时间内，寿期末的影响要小于寿期初。

实际运行中，随着寿期的运行，不断调整补水气动阀V02-125与V02-129阀门的开度与主系统硼浓度需求相符合。

2.2.2 投运树脂床

树脂床的投运在寿期末特别容易引起主系统硼化。树脂床在寿期初投运时，吸附了大量的硼酸根离子，在寿期末投运时不断地被释放出来。如果投运树脂床不进行扫液将会使得主系统硼化。

在寿期运行中，寿期初的除锂先是通过备用化容净化床进行除锂，随着备用化容净化床除锂效率的降低，随后使用除锂床进行除锂。大约在主系统硼浓度为600ppm时，开始使用除锂床。这样备用化容净化床就储存了浓度约为600ppm的硼。若不扫液的情况下在寿期末进行化容净化床切换，对主系统的影响见表3。

2.2.3 离心上充泵切换

在换料结束后，反应堆在几天内会达临界，这期间，上充泵一般不会进行切换。因此在备用离心上充泵的一段管道里会存有硼浓度为2400ppm的死水。在首次安排离心上充泵进行切换时，2400ppm的含硼水会注入主系统，导致主系统硼浓度增加，使得反应堆核功率减少。平均温度的降低就会导致控制棒提升。通过计算，如果备用上充泵及其管道中存在为2400ppm含硼水，对主系统硼浓度影响大约有3ppm。

上充泵以后每个月都会定期切换一次，在备用上充泵的死水管道中，由于只经过一个月的运行，备用上充泵死水管道硼浓度与主系统硼浓度只相差了约为80-100ppm，对主系统硼浓度的影响约为0.2ppm，对此，引起主系统平均温度的变化不大，只要维持上充泵切换前Tavg与Tref基本一致，不会导致控制棒提升。

2.2.4 换料水箱

离心上充泵的水源之一就是换料水箱，正常运行是，换料水箱通过V02-216A/B与上充泵吸入口隔离。V02-216A/B误开启或者内漏都会导致主系统硼化。在正常运行时，由于容控箱液位的联锁，V02-216A/B误开启的可能性非常小。正常运行时，换料水箱导致主系统的硼化均来自于阀门内漏。

换料水箱水位正常维持在13m，上充泵位置在-17.4m。容控箱位置在0米层，容控箱压力为0.11MP，加上容控箱自身的高度以及其液位的高度，容控箱为上充泵提供的净正吸入压头略大于换料水箱。V02-216A/B微小内漏的情况下，并不会对主系统造成很大的影响。只有在容控箱压力下降时，上充泵可能会吸入换料水箱的水注入主系统。

2.2.5 暂存箱

暂存箱通过硼回循环泵打循环或者往其他水箱输送水，如果V02-214内漏或者被误开启，而此时暂存箱的硼水浓度高于主系统硼浓度的话，就会导致主系统硼化。

2.3 反应性控制异常事件的操作应对及预防探讨

2.3.1 误稀释

补水泵非预期运行，或者补水总量超出预期

立即将化容补给水系统切至单手，停运补水泵。如果化容微机故障导致补水系列设备无法操作，则应先关闭补水箱出口阀，随后将补水泵断电。

根据容控箱液位上涨量计算出稀释的总量q，据主系统功率运行最大允许稀释量Q=Mln（ΔC为功率运行期间允许稀释最大硼浓度，C为主系统稀释前硼浓度，M为主系统水装量）。依据日常运行，ΔC楚取值不应超过5ppm（寿期初，寿期末不同），如果取值太大，将会导致轴向功率超出限制。

根据计算结果识别进入容控箱和主系统量，如果进入主系统的量大于Q（或者轴向功率已经超出偏差），则应该立即进行主系统硼化，将化容补给水方式切至硼化，设定硼化批量。稀释累计进入容控箱的总量大于Q，且还没有完全进入主系统，进入主系统的量小于Q，则应隔离上充下泄。

对于补水泵可能造成的误稀释，从运行应该合理控制角度，尽可能减少潜在风险的影响。

（1）容控箱报警设置在V02-101动作之前，以提醒操纵员容控箱液位上涨。

（2）稀释前，确认控制投入自动位置，并将其纳入规程。控制棒因某些原因在“手动”方式的稀释要给予特别的关注。

（3）提升寿期初容控箱运行液位，在容控箱液位上涨至报警时间之间的稀释量尽可能的少。

化容树脂床投运导致的稀释

如果树脂床还在投运，调节补水流量调节阀V02-125与硼酸小流量调节阀V02-129的开度，将化容系统切至手动补给后启动补水。将V02-101切至手动并打开。如果树脂床已经切除，则应该进行主系统硼化。随后根据平均温度的变化趋势以及控制棒的移动，进行主系统硼化操作。

从运行控制角度建议：寿期初新树脂床的充水放气建议使用暂存箱的水进行。

轴封回流热交换器内漏

由于轴封回水管线直接导向上充泵入口，缺少了容控箱的缓冲。在操纵员随后的处理方式上，与补水泵导致的稀释不同。轴封回流热交换器现场旁通需要一定的时间，随后通过现场值班员旁通轴封回流热交换器以终止设冷水漏入化容系统。一旦旁通轴封回流热交换器，上充回流管线以及控制泄漏流失去冷却，此时需要将回流管线导向容控箱。如果短时间内不能旁通轴封回流热交换器，漏量又对主系统平均温度有明显的影响，则应该隔离上充下泄。进行轴封回流热交换器旁通。将轴封回流管线从上充泵入口切至容控箱，开启V02-106，关闭V02-105。如果轴封回流热交换器能够在短时间内进行隔离，则应该进行硼化。如果无法迅速隔离轴封回流热交换器，且漏量较大，则应该通过隔离上充下泄来终止设冷水进入主系统。隔离上充下泄后的硼化也可以通过轴封注入管线进行。

硼回循环泵通过V02-214向容控箱注水

停止硼回循环泵运行。根据平均温度趋势变化情况，进行主系统硼化操作。

2.3.2 误硼化

如果平均温度无法维持在合适位置，或者控制棒已达高高棒位报警，适当降低汽机功率至控制下插。

硼酸驳运泵向容控箱注硼

立即将化容补给水系统切至单手，停运硼酸驳运泵。如果化容微机故障导致硼酸驳运泵无法停止。则应该立即隔离上充下泄。

根据容控箱液位上涨量计算出硼化的总量q，计算硼化限制量Q，Q=Mln（ΔC为功率运行期间允许规定的硼化引起主系统硼浓度变化的最大浓度，C入为7200ppm，C初为硼化前主系统硼浓度，M为主系统水装量），依据日常运行，控制棒余量一般为10步左右，ΔC取值不应超过4ppm。

根据计算结果识别进入容控箱和主系统量，如果进入主系统的量大于Q（或者轴向功率已经超出偏差），则应该立即进行主系统稀释。硼化累计进入容控箱的总量大于Q，且还没有完全进入主系统，进入主系统的量小于Q，则应隔离上充下泄。

从运行预防角度，实际运行中，可以将V02-133开度拨杆拨至零位。

化容树脂床投运导致的硼化

如果树脂床还在投运，调整V02-125与V02-129的开度，将化容系统切至手动补给后启动补水。将V02-101切至手动并打开。如果需要紧急稀释的，将补水管线切至快速补水管线，开V02-155，关V02-154。根据平均温度和棒位情況，适当调整主系统硼浓度。

从运行控制角度，寿期初树脂床投入备用前的充水放气应尽量使用补水箱的水进行。减少寿期末树脂床投运的风险。由于目前缺乏相应充水放气操作卡，建议规程补充。

离心上充泵的切换操作导致的硼化

根据平均温度与参考平均温度之差进行适当的稀释。稀释的量以日常稀释量即可，直至控制棒达需要棒位。

对于首次离心上充泵切换主系统被硼化的现象在换料运行之后是不可避免，因此解决这种办法有三个途径。

（1）离心上充泵切换前进行稀释，稀释效应在8分钟左右凸显，离心上充泵硼化效应也差不多，因为在上充泵切换前8分钟左右进行稀释，稀释的量以主系统平均温度上涨超过参考平均温度0.3℃左右。

（2）在换料之后的启动过程中，主系统快速稀释完毕后，进行备用上充泵的启动。将备用上充泵中的死水置换成快速稀释后的水，这样可以将备用上充泵中的死水由2400ppm的置换成约1500ppm的含硼水。

（3）离心上充泵切换前，对备用离心上充泵进行放水处理（通过V02-248放水），放水量控制在0.3至0.5t（以容控箱液位计算）。

通过实际运行经验反馈，第三种途径在实际运行中最为实用，对主系统影响最小，离心上充切换后对平均温度基本没有影响。

硼回循环泵通过V02-214向容控箱注水

停止硼回循环泵运行。根据平均温度的下降的情况，进行主系统稀释操作。

3 系统改进建议探讨

实际中发生纯水通过补水管线和浓硼酸通过硼化管线进入主系统的次数并不多，而发生较多的属于化容树脂床的投运造成主系统的反应性异常增加或者减少。规程中对化容树脂床床的投运有扫液的规定，但是由于目前规程规定扫液执行起来需要操纵员不断的关注主系统平均温度，并根据温度不断的调整气动阀的阀位来控制进入容控箱的硼水比。而且规程中规定扫液15分钟后要暂停，也加大了实际中的工作量。对于间隔时间不长的树脂床的投运也确实不需要扫液等等原因，容易引起操纵员作出错误的判断。

（1）鉴于上述讨论，建议对化容微机进行调整，改造化容微机补水流量计，减少其误差。增设硼化阀门选择开关，选择方式可以是大流量硼化V02-129，也可是V02-133。正常功率运行期间，在主系统需要硼化时，可以将开关选择阀门置于V02-129，硼化方式选择动作阀门V02-129，通过批量设定，微机自动计算硼化流量，减少硼化过程的误差。

（2）为了防止稳定功率运行中过度硼化或者稀释，给操纵员一个直观的提醒。建议核电厂在上充管线上增设一硼浓度计，并在主控室设置报警装置，上充管线硼浓度计与下泄管线硼浓度计相差100ppm时报警，以提醒操纵员响应。在寿期末，硼浓度非常低的情况下，可以设计一个档位选择开关，以调小报警定值。

4 结束语

建立相关运行规程指导运行

主系统正常运行与其他运行状态不一样，正常运行时的过度稀释或者硼化之后，要求操纵员响应相对准确，不仅要有操作方向的概念，对于系统进行补救时更要进行较为精确的操作，才能避免更大的瞬态出现，然后较快速恢复系统至正常运行。因此，建议建立功率运行期间硼化稀释运行规程。

【参考文献】

[1]上海核工程设计院.秦山核电厂《第十五燃料循环运行物理参数》.

[2]主系统硼化和稀释量计算书.