基于MSHIM控制模式的核電廠負(fù)荷跟蹤物理特性分析

尹志濤　嚴(yán)峰鶴

【摘 要】本文簡要對基于MSHIM運(yùn)行控制模式下負(fù)荷跟蹤運(yùn)行過程的堆芯物理特性進(jìn)行分析，總結(jié)出核電廠編制負(fù)荷跟蹤運(yùn)行反應(yīng)性管理計劃的策略與建議，保證堆芯安全和負(fù)荷跟蹤的順利實施。

【關(guān)鍵詞】核電廠；MSHIM；負(fù)荷跟蹤

中圖分類號： TM623 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）36-0020-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.36.009

Analysis of Physical Characteristics of Nuclear Power Plant Load Tracking Based on MSHIM Control Mode

YIN Zhi-tao1 YAN Feng-he2

（1.China Nuclear Liaoning Nuclear Power Co.， Ltd， Xingcheng Liaoning， 125112， China；

2.Nuclear and Radiation Safety Center， Ministry of Environmental Protection， Beijing 100082， China）

【Abstract】This paper briefly analyzes the core physical characteristics of the load tracking operation process based on the MSHIM operation control mode， and summarizes the strategies and recommendations for the nuclear power plant to prepare the load tracking operation reactive management plan to ensure the safe implementation of core safety and load tracking.

【Key words】Nuclear power plant； MSHIM； Load tracking

0 引言

核電廠在基負(fù)荷模式下運(yùn)行具有最大的經(jīng)濟(jì)效益，并且在反應(yīng)堆控制上也易于實現(xiàn)。但是隨著核電市場份額的逐漸增大，以及風(fēng)能、光伏等間歇性供電能源的并網(wǎng)，核電廠被要求更多的參與電網(wǎng)調(diào)峰，這對核電廠的運(yùn)行控制方式以及負(fù)荷跟蹤運(yùn)行能力提出了要求。

機(jī)械補(bǔ)償控制策略（MSHIM），通過先進(jìn)電廠控制系統(tǒng)可以執(zhí)行多種類型的負(fù)荷跟蹤模式。負(fù)荷跟蹤運(yùn)行期間由于功率變化及氙毒影響，同時控制棒較深的插入堆芯，將導(dǎo)致堆芯功率峰因子安全裕量降低。因此負(fù)荷跟蹤運(yùn)行過程中物理特性的分析，對物理人員制定反應(yīng)性管理計劃具有重大意義，保證堆芯安全和負(fù)荷跟蹤運(yùn)行的順利完成。

1 MSHIM控制模式

核電廠功率的改變將引起燃料和慢化劑溫度、氙濃度和氙分布，以及軸向功率分布的改變。核電廠應(yīng)采用合理的運(yùn)行控制模式補(bǔ)償堆芯反應(yīng)性的變化，控制堆芯軸向功率分布在合理的范圍之內(nèi)。目前核電廠運(yùn)行控制模式主要包括：A模式、G模式和MSHIM（機(jī)械補(bǔ)償控制）模式。MSHIM（機(jī)械補(bǔ)償）模式是美國第三代核電廠的控制模式。它以常軸向偏移控制方式為基礎(chǔ)，采用兩種功能獨立的控制棒組（M棒組和AO棒組）分別進(jìn)行堆芯反應(yīng)性和軸向功率偏移的控制。M棒組采用價值相對較低的灰棒進(jìn)行堆芯反應(yīng)性控制，AO棒組采用價值相對較高的黑棒進(jìn)行堆芯軸向功率部分的控制。核電廠在負(fù)荷跟蹤運(yùn)行模式下，灰控制棒組依照一定策略較為精確地控制堆芯慢化劑平均溫度，快速補(bǔ)償因燃料溫度、慢化劑溫度和氙變化等因素引起的反應(yīng)性變化。AO棒組自動控制功率變化過程中堆芯軸向通量偏差在所要求的帶寬內(nèi)。在負(fù)荷跟蹤運(yùn)行中，MSHIM模式依靠控制棒進(jìn)行堆芯功率水平和軸向功率分布的自動精確控制，不需要或者很少進(jìn)行堆芯硼濃度的調(diào)節(jié)，極大地減輕了操縱員的負(fù)擔(dān)。

在標(biāo)準(zhǔn)的基于MSHIM運(yùn)行的核電廠中，堆芯中共有69個控制棒束組件，根據(jù)這69個控制棒束組件執(zhí)行的功能，將其分為AO、M和SD共3個控制棒組。用于調(diào)整堆芯軸向的功率分布的軸向偏移控制棒組為AO棒組，共9個控制棒束。用于補(bǔ)償因溫度、功率或者氙毒變化引起的反應(yīng)性變化的冷卻劑溫度反應(yīng)性控制棒組為M棒組，共28個控制棒束，其中棒組MA、MB、MC、MD各4個，黑棒組M1和M2分別為4個和8個。停堆棒組SD棒組，共32個控制棒束，其中SD1、SD2、SD3、SD4各8個。堆芯中控制棒布置見圖1。

2 負(fù)荷跟蹤運(yùn)行分析

2.1 物理特性分析

負(fù)荷跟蹤運(yùn)行降功率時，M棒將會下插以進(jìn)行一回路平均溫度的控制。功率降低將導(dǎo)致堆芯軸向偏差（AFD）向正方向偏移，為保持堆芯AFD在TAFD的調(diào)節(jié)帶內(nèi)，AO棒也將逐步下插。AO棒的下插同時也會引入負(fù)反應(yīng)性，進(jìn)一步降低一回路平均溫度。如果堆芯功率降低速率較慢（小于0.5%/min），堆芯中氙含量將持續(xù)增加，可能會出現(xiàn)堆芯降功率的同時M棒組在逐步提升的現(xiàn)象。

當(dāng)堆芯功率降到目標(biāo)功率之后，氙含量將會慢慢達(dá)到峰值，M棒組將一直上提，以補(bǔ)償氙毒積累引入的負(fù)反應(yīng)性。M棒組的棒位會比負(fù)荷跟蹤開始時的棒位要高。此時應(yīng)關(guān)注M棒組棒位，應(yīng)在其達(dá)到提升限（先導(dǎo)棒150步）之前，對硼濃度進(jìn)行稀釋。

在升功率至滿功率過程中，M棒組將逐步提出堆芯，升功率將導(dǎo)致堆芯軸向偏差向負(fù)方向偏移，AO棒組需逐步提出堆芯以保持AFD在TAFD的調(diào)節(jié)帶內(nèi)。如果堆芯功率提升速率比較慢（小于0.5%/min），氙的消耗效應(yīng)可能會導(dǎo)致堆芯升功率的同時，M棒組在逐步插入堆芯。在穩(wěn)定滿功率階段堆芯氙濃度達(dá)到最小值，M棒組達(dá)到最低棒位。功率上升引入的負(fù)的軸向通量偏差以及M棒組插入過深，可能會導(dǎo)致AO棒組全提，而失去對堆芯AFD的控制能力。在返回滿功率以后，AO棒通常會慢慢達(dá)到最高的位置。

在整個負(fù)荷跟蹤過程中，M棒組移動范圍較大，AO棒同時也會達(dá)到較高位置而有可能提出堆芯，因此在負(fù)荷跟蹤前M棒組的初始棒位和TAFD的重新設(shè)定就顯得尤為重要。

2.2 TAFD的設(shè)定

如上所述，當(dāng)恢復(fù)至滿功率后，可能導(dǎo)致AO棒組全提而失去堆芯AFD的控制能力。因此，應(yīng)采取相應(yīng)的措施來防止AO棒組全提。主要有兩種方式：

（1）調(diào)硼。當(dāng)恢復(fù)至滿功率時，通過硼化來防止M棒組過深插入堆芯，避免AO棒組的全提。

（2）調(diào)整TAFD整定值。在負(fù)荷跟蹤開始前，可將PLS中TAFD整定值調(diào)整為更負(fù)的值。AO棒控制更負(fù)的TAFD時，將更多的插入堆芯，以此避免AO棒的全提。AP1000允許在進(jìn)行負(fù)荷改變或負(fù)荷跟蹤期間，進(jìn)行TAFD值的重新設(shè)定。新的TAFD值是根據(jù)參考棒位利用堆芯計算軟件計算的，其值比基負(fù)荷下TAFD的值偏倚約-3%到-5%。調(diào)整成新的TAFD值后可在整個過程中實現(xiàn)AO棒對AFD的控制能力。

2.3 M棒的最佳初始棒位

相對于基荷運(yùn)行，負(fù)荷跟蹤時控制棒的移動頻率和移動幅度會大幅增加。為避免負(fù)荷跟蹤時M棒組頻繁達(dá)到或接近提出限或插入限，需設(shè)定M棒組的初始棒位。該棒位的設(shè)定應(yīng)確保M棒組在負(fù)荷跟蹤過程中具備足夠的堆芯功率控制能力。

初始棒位的設(shè)定應(yīng)滿足在氙濃度達(dá)到峰值時，M棒組棒位應(yīng)確保距離提升限（150步）有足夠的裕量。同時應(yīng)確保M棒組在升功率后氙濃度達(dá)到最小時不會達(dá)到插入限。在實際負(fù)荷跟蹤運(yùn)行過程中，M棒組若接近其插入限或提出限時需進(jìn)行調(diào)硼。

負(fù)荷跟蹤過程中，M棒組的移動與功率變化速率、功率虧損、氙價值等因素有關(guān)，沒有單一的初始棒位能夠滿足所有類型的負(fù)荷跟蹤瞬態(tài)。因此對于特定的負(fù)荷跟蹤，需通過BEACON系統(tǒng)進(jìn)行堆芯計算，得出M棒組的最佳初始棒位。

2.4 功率峰因子

負(fù)荷跟蹤運(yùn)行過程中功率變化、氙毒及控制棒較深的插入堆芯等影響，會導(dǎo)致功率峰因子增加，使其安全裕量變小。因此在負(fù)荷跟蹤運(yùn)行中需時刻關(guān)注PLHR、DNBR和FΔh3個值的功率裕量，防止其超出限值。表示方便本文中用MPM（Minimum Power Margin）來表示PLHR、DNBR和FΔh三個參數(shù)中功率裕量的最小值。只要保證MPM的功率大于0，便可保證堆芯的安全。

綜上所述，負(fù)荷跟蹤反應(yīng)性管理策略的制定應(yīng)充分考慮負(fù)荷跟蹤開始前的初始棒位和TAFD值。在負(fù)荷跟蹤運(yùn)行過程中，應(yīng)時刻注意M棒組棒位、AO棒組棒位及堆芯安全參數(shù)MPM等。

3 總結(jié)

基于MSHIM運(yùn)行控制模式是一種先進(jìn)的控制模式，通過反應(yīng)堆控制系統(tǒng)維持反應(yīng)堆正常運(yùn)行，同時可保證核電廠具有良好的負(fù)荷跟蹤運(yùn)行性能，反應(yīng)堆工程師在進(jìn)行負(fù)荷跟蹤運(yùn)行反應(yīng)性管理策略制定時，需詳細(xì)分析堆芯物理行為，綜合考慮本文中提到的各種因素和限值影響，以保證堆芯安全和負(fù)荷跟蹤運(yùn)行的順利實施。

【參考文獻(xiàn)】

[1]葉青，楊波，湯春桃，黨哈雷，等.負(fù)荷跟蹤機(jī)械補(bǔ)償運(yùn)行策略研究[J].核科學(xué)與工程，2016年8月：Vol.34，No.4（459-464）.