浅析压水堆核电站R棒在自动控制模式下频繁动作原因
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摘 要 日常运行期间，压水堆核电站R棒在自动模式下频繁动作，造成一回路温度扰动，功率波动。本文从R棒控制原理方面分析了一下压水堆核电站R棒频繁扰动的原因。
关键词 R棒;温度;扰动
中图分类号： TM623 文献标识码： A
DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.02.028
1 缩略语
RGL：棒控和棒位系统 RPN：核仪表系统
RCP：一回路冷却剂系统 GRE：汽轮机调节系统
GD：函数发生器
2 概述
R棒在自动模式下频繁动作在压水堆核电站中是普遍存在的现象，选取了国内两个电站的机组运行信息进行了统计分析，在自动模式下，电厂A和电厂B一号机组一天内R棒扰动数据进行统计。一台机组一天内R棒的动作次数大概在15～19步之間，而根据压水堆反应堆温度控制要求，在机组稳定功率运行期间，应该维持在一个平衡位置，如此频繁的动作会造成堆芯扰动，不利于反应堆温度和反应性控制。究竟是何种原因导致R棒在自动模式下频繁动作，本文将针对此问题进行详细地剖析。
3 R棒控制原理
平均温度控制系统通过测量一回路平均温度，与平均温度整定值比较后，经调节器产生调节信号，驱动R棒组，改变反应堆的反应性，从而维持一、二回路功率的匹配，使一回路平均温度等于其整定值。平均温度测量值Tavg为由三个环路中选出的平均温度最大值，平均温度整定值Tref由二回路功率P2经过滤波处理，再经函数发生器RGL401GD产生。二回路功率是由汽机负荷和最终功率整定值中选择的最大值。加法器RGL406ZO产生功率失配信号P1-P2。一回路功率P1是由四个功率量程核仪表测得的核功率中的最大值。功率失配变化率由微分环节RGL401DR产生，乘以函数发生器RGL403GD产生的K1和函数发生器RGL402GD产生的K2，经由选择开关接入加法器RGL405ZO。加法器RGL405ZO产生偏差信号E，经阈值继电器产生提棒或插棒信号。当偏差为正时说明平均温度偏低。偏差增加到0.83℃时，R棒开始提升;当偏差降到0.56℃时，R棒停止提升。相反地，偏差为负时，说明平均温度偏高，R棒下插。（-0.56℃，0.56℃）的偏差范围称为死区。（-0.56℃，-0.83℃）及（0.56℃，0.83℃）的偏差范围称为回环。死区和回环有助于防止控制棒的频繁移动。棒速和棒向信号均输出至R棒逻辑电路，产生移棒脉冲，再传给R棒驱动机构电源设备，后者产生R棒移动的时序电流信号，移动R棒束，使平均温度为整定值。
4 仿真试验
根据控制原理分析，产生温度偏差信号的来源为：一回路最大平均温度（RGL403KM）、最终功率整定值（RGL505KM）、最大平均核功率（RGL503KM）。三个变量都实时发生变化，最终通过一系列的计算环节生成温度偏差，该温度偏差信号（RGL405KM）经过比较器产生R棒提升和下插信号。为了分析何种原因导致R棒动作，现使用Simulink对上述控制逻辑进行仿真，如图1所示。
根据87%FP平台的RGL403KM、RGL505KM、RGL503KM数据对RGL405KM进行仿真，仿真步长为50ms，与RPCC运算周期相同。选取参数如下;RGL403KM306.8（306.8），RGL505KM（85.4），RGL503KM（86.2），RGL405KM（0.5），进行仿真后，RGL405KM最后稳定在0.484。
并且通过改变单个输入量，改变幅度为±0.05，观察RGL405KM的响应情况。
4.1 变化RGL403KM
保持RGL505KM、RGL503KM不变，RGL403KM从306.8增加到306.85系统的响应结果：在地1000秒时刻，RGL403KM从306.8阶跃增加到306.85，RGL405KM从稳定的0.48逐步下降，最小到达0.21，最大变化幅度约0.3左右。
保持RGL505KM、RGL503KM不变，RGL403KM从306.8减到306.75系统的响应结果：在地1000秒时刻，RGL403KM从306.8阶跃下降到306.85，RGl405KM从稳定的0.48逐步增加，最大到达0.76，最大变化幅度约0.3左右。
通过查询KIC数据可以错略证明，在其他输入不发生变化的时候，平均温度从307.0减小约0.1到306.9，则RGL405KM增加约0.5左右。
4.2 变化RGL505KM
保持RGL403KM、RGL503KM不变，RGL505KM从85.4增加到85.45系统的响应结果：在地1000秒时刻，RGL505KM从85.4阶跃增加到85.45，RGl405KM从稳定的0.48先下降，最小到达0.473，后又上升最后稳定在0.493。
先下降是由于微分环节的作用引起的，最后微分作用逐步消失RGl405KM缓慢上升并最终稳定，微分引起的贡献相对较小且时间较短。
通过查询KIC数据可以粗略证明，在其他输入不变的情况下RGL405KM值上升幅度较小。
保持RGL403KM、RGL503KM不变，RGL505KM从85.4增加到85.45系统的响应结果：RGL405KM最大值达到0.497，增加幅值较小。
4.3 变化RGL503KM
保持RGL403KM、RGL505KM不变，RGL503KM从86.2增加到86.25系统的响应结果：在地1000秒时刻，RGL503KM从86.2阶跃增加到85.25，RGl405KM从稳定瞬间增加，最后仍然稳定在原来的数值上。最大幅值到达0.498，增加的幅值较小。 通过查询KIC数据可以粗略证明，在其他输入不变的情况下RGL405KM值上升幅度较小。
4.4 RGL403KM、RGL505KM、RGL503KM同时变化
使用随机信号发生模块分别按照下表随机发生信号，测得的响应曲线结果，通过比较信号的幅值即可判断出RGL403KM的变化对RGL405KM的影响最大。
经过现场信息的查询，确定安全级控制平台没有问题，R棒的波动是对信号的正确的响应，通过仿真及KIC数据的分析进一步确定：导致R棒波动的最主要因素为一回路平均温度最大值的波动。
5 一回路平均温度最大值的波动原因分析
5.1 一回路温度测量探头的准确性
一回路温度测量探头是WEED厂家生产的SP615S-1B，与其他电站使用的探头是一个厂家，并且型号一样。KIC数据显示各环路上参与控制、保护的冷管段温度探头测得温度趋势是一致的;各环路上参与控制、保护的热管段温度探头测得温度趋势也是一致的。这表明，温度测量探头本体可靠，一回路平均温度最大值波动与温度探头无关。
5.2 一回路温度控制逻辑方面
R棒控制由e与阈值继电器作比较来决定，控制关系如下：
e=Tref-Tavg-K1*K2*d（p1-p2）/dt
通过统计机组正常运行期间一回路最大平均温度（RGL403KM）、参考温度（RGL404KM）、温度偏差（RGL405KM，包含超前反馈）、一回路热功率（RCP932KM）、核功率（RPN900KM）的历史数据，经分析知，堆芯真实功率基本稳定、△I走势平稳（△I对核功率显示有影响），核功率与热功率显示精度一致，参考温度Tref与平均温度Tavg显示精度一致，因此可以得出如下结论：
二回路高压缸一级进汽压力整定的参考温度未出现明显波动，稳定性很好。
一回路冷却剂温度实测值波动明显。
一回路冷却剂平均温度与核功率变化趋势一致，且都与温度偏差e（RGL405KM）呈相反趋势。
综合以上三点，可以确定致使e发生波动的原因主要在于平均温度与核功率贡献，而核功率显示在微小瞬态变化时受制于平均温度，归根结底也取决于平均温度。因此，造成目前R棒扰动的原因主要在于一回路主冷却剂温度真实波动。
一回路冷却剂平均温度波动主要由热腿温度与冷腿温度波动贡献。热腿温度是否均匀主要由冷却剂搅浑效果决定，在一回路结构和流量不变的情况下，搅浑效果又主要取决于堆芯径向功率分布，若堆芯功率在径向上的分布不均匀程度大，那么在堆芯上腔室冷却剂得不到充分搅浑，从而在热腿端表现出温度分层，均匀性不好。
冷腿端主冷却剂已经过主泵的充分搅浑，基本不存在温度层化现象，其波动主要受高压缸进汽阀开度影响。
通过搜集机组正常运行期间高压缸进汽阀开度（GRE017MM）、一回路冷却剂最大平均温度（RGL403KM）、一环路冷热腿温度（RCP035/032MT）数据，经过分析得出如下结论：
（1）RCP032MT与RCP035MT温度趋势变化一致。
（2）RCP032MT与RCP035MT的温度与一回路主冷却剂变化趋势一致。
（3）阀门开度与一回路冷却剂评价温度变化呈相反趋势。
综合以上三点，可以判断造成一回路冷却剂温度波动的主要原因在于高压缸进汽阀开度波动，但不排除目前堆芯径向功率分布对冷却剂温度波动所造成的影响，但从热腿温度波动随阀门开度波动趋势来看，这种影响很小，而且这种影响会随着燃耗增加、功率分布展平而减小。
6 结论
壓水堆核电站R棒在自动模式下频繁动作的直接原因为一回路冷却剂温度波动所致，而致使温度发生波动的原因又主要在于二回路的影响或堆芯燃料装载方案导致功率径向功率不均导致。
参考文献
[1]黄可东.广东岭澳核电二期工程数字化棒控棒位系统设计.核动力工程，2008.
[2]王萍，田亚杰，黄伟军.核电站棒控系统的在线监测方法和系统.中国专利：CN102157209A，2011.
[3]ROLLS-ROYCE，RPI/RCS Equipment Operation and Maintenance Manual. Rolls-Royce.
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