秦山CANDU堆功率测量校正和控制改进

熊伟华

(中核核电运行管理有限公司，浙江海盐314300)

秦山CANDU堆功率测量校正和控制改进

熊伟华

(中核核电运行管理有限公司，浙江海盐314300)

本文介绍了秦山三核CANDU6堆功率测量、控制设备的分区布置，论述了反应堆功率控制信号的计算校正和反应堆的区域功率控制，从CANDU6核功率控制设备、堆物理角度浅析其实现分区精细控制的机理，并阐述了为了提高反应堆功率控制系统可靠性和安全性而进行的主要设计改进

堆功率测量控制；精细控制机理分析；功率测量校正；控制改进

1 CANDU6结构工艺及功率测量元件布置

1.1 CANDU6反应堆结构、工艺

秦山第三核电厂采用从加拿大引进的CANDU6堆型，其反应堆采用卧式圆柱体结构，在反应堆轴向平行排列380个内置燃料组件的压力管，压力管之间充满了近69℃、24kPa压力的重水作慢化剂，压力管内流过的260℃、9.89MPa的重水作冷却剂带走压力管内核燃料反应时产生的热量；为了监控堆内核反应的进行，在反应堆的水平和垂直方向布置了很多核功率测量、控制及反应堆保护元件。CANDU6反应堆的功率测量和控制分区进行，功率调节通过改变反应堆各区域内液体区域控制器水位实现；反应堆在理论上被分成14个区域，见图1。

图1 CANDU6反应堆分区Fig.1 CANDU6 14 ZONE

1.2 CANDU6的功率测量元件布置

CANDU6的堆功率测量元件用于测量堆芯各区域热中子通量，为反应堆功率控制、保护及换料提供必要的信号和数据。秦山CANDU6满功率时的堆芯热中子通量在2×1014n/cm2s左右；为此CANDU6的核测量元件要覆盖0～2×1015n/cm2s的测量范围以便反应堆内核反应能全程受控地进行。为了使核测量满足可靠性、范围、精度、信号响应速度的组合要求，CANDU6使用了BF3探测器、电离室探测器、自给能铂探测器、自给能钒探测器来进行组合测量。各探测器的功率测量范围见图2。

BF3探测器是启动仪表专用的探测器，它在堆内中子通量水平很低时(0～2×109n/cm2s)测堆内功率水平，用于停堆及启动阶段堆功率异常升高时触发一号停堆系统动作。

电离室探测器(在堆内中子通量2×108～2×1014n/cm2s范围提供信号)在堆外两侧贴近于反应堆水平布置，CANDU6的两个停堆系统(SDS)及反应堆调节系统(RRS)都有各自的电离室探测器组(每个系统3个通道共9个电离室)提供反应堆对数核功率、线性核功率和对数功率变化率信号。

图2 不同类型探测器的功率测量范围Fig.2 The measurement scale of different type detectors

铂探测器(在中子通量1013～1015n/cm2s范围提供信号)是在堆内分散布置的自给能探测器，它对中子通量变化响应快，但测量精度略低。CANDU6有三组相互独立布置的铂探测器，其中有两组(一组34个，另一组28个)由堆顶插入堆芯，34个的一组为一号停堆系统提供反应堆局部功率信号，28个的一组(每区域布置两个探头)为反应堆调节系统提供反应堆十四个区域功率信号；第三组(24个)沿水平方向插入堆芯，为二号停堆系统提供反应堆局部功率信号。

102个钒探测器(在中子通量1013～1015n/cm2s范围提供信号)由上部插入堆芯，它对中子通量变化响应慢，但精度高，它用于堆芯功率分布的在线监测并拟合计算堆芯功率分布和通道功率分布图、提供功率测量信号校正因子计算数据。

2 计算和校正堆功率信号

为了使反应堆的总功率和功率分布得到精细控制，CANDU6堆功率调节系统的核功率测量探头要在10-7～1.5FP(Full Power)范围内可靠、精确地测量反应堆的总功率和各区域功率及功率的空间分布信息，这些功率信号还要考虑探头响应时间、堆内控制棒分布及局部装换料对各测量探头信号的影响。

用于堆功率调节的堆功率信号来自3个RRS的电离室和14个区域中的28个铂探测器，这些信号要用热电阻功率信号PRTD、热功率信号PTHM、铂探测器信号全堆校正因子ADAF、铂探测器信号区域校正因子ADiF及电离室信号校正因子AIF进行校正补偿、归一化计算以得到准确表征堆内总功率和各区域功率分布的信号。

用热电阻测得的反应堆冷却剂入口出口温度及冷却剂流量信号计算热电阻测得功率PRTD信号，用蒸汽发生器给水流量、给水温度、主蒸汽流量信号及给水焓、蒸汽焓、蒸汽发生器内饱和液体焓计算蒸汽发生器功率信号PB；热功率信号PTHM在小于50%功率用热电阻测量的功率信号PRTD表征(80%功率后因冷却剂沸腾不能用PRTD正确表征)，在大于70%功率时用蒸汽发生器功率信号PB表征(蒸汽发生器功率信号PB在低功率下不能正确表征热功率信号)，也就是说在50%～70%表征热功率信号PTHM的量由信号PRTD线性地切换到信号PB。

为了校正铂探测器信号受铂探周围控制棒、毒物的影响，要用102个钒探测器测得空间分布功率信号结合各棒组的所处位置拟合出14个区域的归一化通量功率信号(φiN)，再计算铂探信号区域校正因子ADiF= (φiN-Piu/(1+325s))/(1+180s)；其中φiN 是由钒探测器信号计算得出的区域归一化通量，它使得堆内不同区域各不相同的功率进行归算成相当的量；Piu是铂探测器来区域功率信号。

2.1 计算堆功率PLOG信号

CANDU6功率调节系统(RRS)用3个电离室和14对(28个)镀铂探测器作为基本堆功率测量元件，电离室信号在低功率情况下很宽的量程(10-7FP到10%FP)范围内能迅速而准确地测得反应堆功率信号，而铂探测器信号在5%FP到150%FP范围内能迅速而准确地测出反应堆功率。这样，在5%FP到15%FP范围内，用于堆功率调节的功率信号要做由电离室LOG功率信号到铂探测器功率信号的切换。

堆功率PLOG= (1-αP)(PIC)LOG+αP×LOG (PLIN)，其中(PIC)LOG是校正后电离室LOG功率信号，PLIN是校正后铂探测器平均功率信号；αP是电离室信号向铂探测功率信号切换因子，在功率小于5%FP的情况下，αP=0，在功率大于15%FP的情况下，αP=1；在5%到15%功率范围，αP的值由0线性变化到1，以实现5%FP到15%FP范围内，用于堆功率调节的功率信号由电离室LOG功率信号切换到镀探测器平均功率信号。

由于电离室布置在堆外，其测量受堆内慢化剂毒物影响很大，这使得在5%FP到15%FP范围内(PIC)LOG和PLIN有较大差别，造成堆功率调节的功率信号由电离室LOG功率信号向铂探测器功率信号切换时有很大波动，为了消除这种功率信号不稳定，用堆输出热功率信号算出电离室信号校正因子AIF和铂探信号全堆校正因子ADAF对(PIC)LOG和PLIN进行校正。

2.2 电离室信号(PIU)LOG的校正

校正后电离室LOG功率信号

(PIC)LOG=AIF+(PIU)LOG

其中(PIU)LOG是RRS电离室测得的LOG功率信号，AIF是电离室LOG信号校正因子

AIF= LOG (PTHM(1+20s))/

((1+180s)10×(PIU)LOG)

2.3 铂探测器区域功率信号PiU和铂探测器平均功率信号PDA的校正

校正后铂探测器区域功率信号
PiC=KD×PiU+ADAF+ADiF

其中PiU是14个区域铂探测器信号(每对取平均)，KD是铂探测器增益系数，KD=1.04；ADAF是铂探测器信号全堆校正因子，ADAF= (PTHM-KD×PDA/(1+20s))/(1+180s)；ADiF是铂探信号区域校正因子ADiF=(φiN-Piu/(1+325s))/(1+180s)

校正后铂探测器平均功率信号
PLIN=KD×PDA+ADAF

其中PDA是14个区域铂探测器信号PiU的平均值；

2.4 计算总堆功率偏差EP信号

总堆功率偏差信号EP=KB×(PLOG-
PDLOG)+KR(RI-RD)

其中KB和KR回路增益系数，PDLOG是当前堆功率设定值，RI是RRS电离室LOGRATE信号，RD是电站运行工况要求的功率变化率(选操纵员输入或自动降功率程序设定信号中较小者)

3 CANDU6全堆功率及区域功率的控制

CANDU6堆功率的分区控制主要利用轻水的中子吸收截面是重水中子吸收截面的1937倍，轻水的中子吸收能力比重水强得多，将十四个可充轻水的液体区域控制体放在反应堆内慢化剂重水中；这样，通过调节液体区域控制体的液位来实现堆功率控制。

3.1 液体区域控制系统

液体区域控制系统(见图3)是为了使CANDU6反应堆14个区域的区域控制体腔室中的水位受反应堆调节系统(RRS)的控制；这个系统有氦气回路和轻水回路两个回路，对应地每个液体区域控制体腔室有顶部进水管、顶部平衡气管、底部出水管、底部进气管各一个。气路的循环有压缩机维持，其主要作用是通过控制体腔室顶部平衡气管给控制体腔室补气或排气，维持14个液体区域控制体腔室内轻水的覆盖气体和区域控制体排出水存储箱覆盖气体间压差恒定，保证14个液体区域控制体经底部出水管流出的轻水流量恒定(0.45L/S)，这样只要控制流入区域控制体的轻水流量就能控制这些区域控制体的水位升降；气路也要通过底部进气管为14个液体区域控制体腔室的液位测量创造条件。水路的循环有水泵维持；其主要作用是通过调节进水管上水位控制阀开度改变给14个液体区域控制体供水的流量，实现14个液体区域控制体内液位升降控制。

图3 液体区域控制系统Fig.3 The liquid zone control system

3.2 CANDU6区域功率控制

CANDU6反应堆调节系统(RRS)根据反应堆总体功率偏差信号EP、各区域中子通量偏差ETi(ETi=PiC-PAV)、各区域水位偏差ELi(ELi= LEVAV-LEVi)来计算十四个液体区域控制体腔室水位控制阀开度信号(LIFi)，这些控制电流信号被送到液体区域控制系统控制水位控制阀的开度;其中PAV是各区域功率PiC的加权平均值，LEVAV是各区域的平均液位。

水位控制阀开度信号：LIFi=BIASi+KP×EP+αTi×KT×ETi+(1-αTi)×
KH×ELi+KL×ELi

式中：BIASi是使区域控制器进水流量等于出水流量(恒定0.45L/S)需要的水位控制阀开度；

KP×EP是为消除全堆功率偏差需要的水位控制阀开度增量；

αTi×KT×ETi是为消除各区域功率和平均区域功率间偏差需要的水位控制阀开度增量；其中因子αTi表明该项仅在堆功率高于15%且正常水位时起作用(因子为1)，ETi是各区域铂探测器测得的功率和区域铂探功率平均值之差；

(1-αTi) ×KH×ELi+KL×ELi是为消除各区域控制体水位和平均区域水位间偏差需要的水位控制阀开度增量；其中(1-αTi) 表明(1-αTi) ×KH×ELi仅在堆功率低于15%或水位太高(大于95%)或太低(小于5%)时起作用(正常运行时不起作用)，KL×ELi的主要作用是消除正常运行时各区域控制体水位和平均区域水位间偏差累积。

RRS计算的水位控制阀开度信号(LIFi)以电流信号的形式送到水位控制阀就地的电气转换器转换为气信号，通过气信号放大、控制、反馈回路将水位控制阀开到要求的开度，区域的水位按要求变化使各区域的功率发生变化从而使反应堆总体功率偏差、各区域中子通量偏差、各区域水位偏差趋于0，实现CANDU6功率的分区控制。

由LIFi算式可见，当全堆功率偏差、各区域功率偏差、各区域水位偏差均为0时，处于一种稳定状态，水位控制阀的开度信号LIFi=BIASi，此时流进液体区域控制器的水流量等于流出的水流量。正常情况下，全堆功率偏差、各区域功率偏差、各区域水位偏差不全为0，只是KP×EP+αTi×KT×ETi+(1-αTi)×KH×ELi+KL×ELi=0，处于一种动态平衡状态；此时因KP=16%(阀全开/对数功率级差)，KT=3%(阀全开/1%线性功率差)，KH=0.3%(阀全开/1%水位差)，KL=0.1%(阀全开/1%水位差)，可见正常运行动态平衡时αTi=1，全堆功率偏差EP(满功率全堆功率偏差1%，14个液位控制阀同时产生8%阀开度变化)和各区域功率偏差ETi(满功率各区域功率偏差1%，相应区域液位控制阀产生3%阀开度变化)的系数(KP，KT)较大，正常运行稳态时功率偏差EP和ETi的数值较小(小于1%)；各区域水位偏差ELi的系数(KH，KL)较小，相应地运行稳态时水位偏差ELi的数值较大(5%水位离散也属正常)。这样就使得CANDU6的全堆功率及其区域功率(功率分布)和区域水位被控制要求的范围内。

4 堆功率控制机理分析及改进

4.1 CANDU6功率精细控制机理分析

CANDU6堆结构体积较大，同时进行不停堆局部换料，运行过程中易产生氙振荡和反应性(功率)振荡，为了能克服氙振荡和功率振荡，需要将CANDU6堆分区进行控制，CANDU6的排管容器在理论上被分成14个区域。因CANDU6采用排管容器的结构，慢化剂处于底温、底压状态(69℃，24kPa)，这给在CANDU6堆芯分区布置堆功率测量、控制元件提供了极大的便利。

CANDU6堆用重水作慢化剂和冷却剂，使得反应堆内轻水含量的控制成了堆功率精细控制的手段，在堆内14个区域上布置了14个可注轻水的区域控制单元(总共能提供6mk反应性，引入速率0.1mk/s)，堆功率控制系统通过控制这14个区域控制单元内的水位调节反应堆的功率。

因CANDU堆用重水作冷却剂和慢化剂，重水的中子吸收截面比轻水中子吸收截面小得多，使CANDU堆的中子平均寿命比PWR的中子平均寿命要长很多，这样，CANDU的反应性变化速率相对较慢，瞬态过程要慢一些，这使CANDU堆能成功应用计算机(Digital Control Computer)进行反应堆工艺过程的实时控制，为堆内核功率控制、冷却剂工艺参数、慢化剂参数、蒸汽发生器参数控制等实现精细控制打下基础。CANDU堆的停堆保护系统也使用了可编程数字比较器(Programmable Digital Comparator)作运算逻辑控制单元，能精确地计算停堆参数限值随功率堆参数限值随功率运行模式的变化而改变，使停堆保护也实现精细控制。

4.2 秦山三期反应堆功率控制系统的改进

秦山三期CANDU6机组在吸取其他CANDU电站经验的基础上结合自身调试中发现的问题，对功率控制系统的硬件和软件作了以下几项重要的改进，提高了系统的控制性能，消除了系统中存在的不安全的因素。

• 改进压缩机运行模式

原设计液体区域控制系统(见图三)水环式压缩机采取断续运行模式，当TK2的压力上升至240 KPA，压缩机开始启动，TK2的气体被压缩机压缩至很高压力的TK1(这期间需要1～2min)；当TK2压力下降至100 KPA时，压缩机停运。由于区域控制单元输出的氦气进入TK2，使TK2内压力重新上升至240 KPA(这期间需经过5～10min)，压缩机又开始运行。

由于水环式压缩机对内部密封水含量要求很高，不能有太多或者太少的轴承密封水，否则会损坏轴承，并且压缩机运行时要保持一定的密封水流量，因此压缩机启动程序是比较复杂的而有启动失败的风险；另外，氦气回路内工作压力的循环波动造成氦气平衡集管上的供气阀的进出口压差也频繁变化，导致通过供气阀的氦气流量发生变化，造成区域控制单元内压力以及液位的波动；还有马达、齿轮等转动设备频繁的间断性起停，相应的气动阀门和位置开关频繁动作，增加了设备的损坏概率。

为了解决此问题，秦山三期提出了在TK1和TK2之间增加一路气动调节阀控制回路，通过电站计算机程序控制调节阀PCV63A的开度值DTLIFT，使TK2的压力稳定在170KPA 的设定值上。PCV63A的开度值DTLIFT=DTBIAS+KP×ΔP+ DTPLI(n-1)+KI×(TS/TI)×ΔP，其中DTBIAS是延迟箱控制阀的偏置开度(取0.14)，KP是比例控制增益(取0.04/KPA)，KI是积分增益(取0.01/KPA)，TS是采样周期(取2s)，TI是积分时间(取100s)，ΔP是TK2实际压力和设定压力之差，同时电站计算机还根据PCV63A的开度值过小报警提示系统有漏或压缩机效率低。

• 修改覆盖气体平衡集管压力控制阀失效模式

调试中发现液体区域控制系统在单通道失电情况下，出现14个区域控制单元内液位骤然下降，引入正反应性的瞬态；这样的系统是不符合核安全要求的，幸好当时停堆系统探测到高中子功率而触发停堆。经检查发现在失电时区域控制单元覆盖气体供气阀PCV62A1/C1处于全开位置，而排气阀PCV62A2/C2却处于全关位置，这样在很短的时间内，区域控制单元覆盖气体压力大幅度上升，快速排出单元内轻水，液位下降而引入正反应性。

为纠正这种不安全的设计，TQNPC提出了改变供气阀和排气阀的失效模式，使得供气阀在失去控制信号后，处于全关，而排气阀处于全开，区域水位上升直至充满，保证反应堆的安全的方案得到设计单位认可，将供气阀和排气阀的电气转换器互换实现了此改进。

• 修正液位控制阀开度信号

调试时期，多次发生快速充水时液体区域控制单元溢出现象，导致液体区域控制失效。而且由于液体区域控制单元溢出后水流到液位测量变送器中，要清除积水恢复系统控制需要较长时间，影响了电站的运行，造成较大损失。

经检查发现这种现象是系统快速充水时将液位控制阀全开，而液位控制阀在全开时流量太大，论证后修改控制程序以限制阀门最大开度，即对水位控制阀开度信号计算式进行修正

LIFi=(BIASi+KP×EP+αTi×KT×ETi+

(1-αTi) ×KH×ELi+KL×ELi)×FFACi

其中FFACi是使阀门在全开信号作用下只能将阀门开到80%的修正因子(0.7左右)。

[1] 98-34810-DM-000 Liquid Zone Control System Design Manual.

[2] 98-63729-PS-101 Reactor Power Measurement and Calibration.

[3] 98-63729-PS-103 Light Water Zone Control Absorber.

[4] 98-63729-PS-113 Flux Mapping.

[5] 9801-63730-1-3-OF-A1反应性控制机构平面布置图.

[6] 9801-63700-1-4-OF-A1垂直通量探测器布置图

Improvement of CANDU Reactor Power Measurement and Control

XIONG Wei-hua

(CNNP Nuclear Power Operations Management Co.，Ltd.Haiyan of Zhejiang Prov.314300，China)

Starting from the structure of CANDU Reactor，this article introduces the zonal location of reactor power measurement and control equipment，the calculation and calibration of reactor power signal for RRS，zonal power control.Analyzing CANDU6 reactor power precise control mechanism from the power control equipment and reactor physics.Describing major design modification in TQNPP reactor power control system to improve the reliability and safety.

CANDU6 Reactor Power Zonal Measurement and Control Equipment；Precise Control Mechanism Analysis；Calibration of Power measurement Signal；Control Improvement

2016-11-20

熊伟华(1977—)，男，江西南昌人，大学本科，现从事核电站仪控设备管理

TL362+3

A

0258-0918(2017)01-0048-06