核電站儀表與控制：第5章-核電廠反應(yīng)堆控制系統(tǒng)課件

1、第5章 核電廠反應(yīng)堆控制系統(tǒng)5.1壓水堆反應(yīng)性系數(shù)和自穩(wěn)特性5.2壓水堆核電廠穩(wěn)定運(yùn)行方案5.3壓水堆核電廠負(fù)荷運(yùn)行方式5.4 反應(yīng)堆控制的物理基礎(chǔ)5.5 反應(yīng)性控制5.6 控制棒組件及其驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)5.7 壓水堆功率分布控制5.8 反應(yīng)堆功率水平控制5.1壓水堆反應(yīng)性系數(shù)和自穩(wěn)特性 在反應(yīng)堆運(yùn)行過程中，由于核燃料的不斷消耗和裂變產(chǎn)物的不斷積累，反應(yīng)堆內(nèi)的反應(yīng)性就會(huì)不斷減少； 反應(yīng)堆功率變化也會(huì)引起反應(yīng)性變化。 為使反應(yīng)堆在運(yùn)行過程中能補(bǔ)償上述效應(yīng)引起的反應(yīng)性損失，反應(yīng)堆的初始燃料裝載量必須比維持臨界所需的量多得多，使堆芯壽命初期具有足夠的剩余反應(yīng)性。 為補(bǔ)償反應(yīng)堆的剩余反應(yīng)性，在堆芯內(nèi)必須引入適

2、量的可隨意調(diào)節(jié)的負(fù)反應(yīng)性。此種受控的反應(yīng)性既可用于補(bǔ)償堆芯長(zhǎng)期運(yùn)行所需的剩余反應(yīng)性，也可用于調(diào)節(jié)反應(yīng)堆的功率水平，還可作為停堆手段。 在壓水堆引起反應(yīng)性變化的主要是燃料、慢化劑和毒物。1） 慢化劑溫度系數(shù) 慢化劑水的溫度升高時(shí)，水膨脹，密度減小，慢化能力減弱，使反應(yīng)性變小，故溫度系數(shù)是負(fù)的。由于壓水堆是載硼運(yùn)行，溫度升高時(shí)，硼毒作用將隨硼密度減小而下降，使反應(yīng)性增大，故硼酸的反應(yīng)性溫度系數(shù)是正的，如果硼酸濃度足夠大，慢化劑溫度系數(shù)將變?yōu)檎摹６鴫核言诠β蔬\(yùn)行時(shí)，要求慢化劑溫度系數(shù)是負(fù)的，該溫度效應(yīng)響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)(約幾秒)。因此，在反應(yīng)堆溫度效應(yīng)反饋中起決定作用。5.1壓水堆反應(yīng)性系數(shù)和自穩(wěn)特性

3、5.1.1 壓水堆的溫度系數(shù)壓水堆的溫度系數(shù)2)燃料溫度系數(shù) 燃料反應(yīng)性溫度效應(yīng)主要是由U238的共振吸收隨溫度變化引起的。燃料溫度的上升導(dǎo)致燃料有效吸收截面增大，中子吸收增大，所以， U238的燃料溫度系數(shù)總是負(fù)的。并且響應(yīng)時(shí)間僅零點(diǎn)幾秒。5.1壓水堆反應(yīng)性系數(shù)和自穩(wěn)特性5.1.1 壓水堆的溫度系數(shù)壓水堆的溫度系數(shù)3)毒物對(duì)反應(yīng)性的影響 在核裂變過程中，生成了能吸收大量熱中子的裂變碎片氙和釤等。氙和釤吸收大量熱中子而引起反應(yīng)性的變化，稱為中毒效應(yīng)。中毒過程較復(fù)雜，在一定頻率范圍內(nèi)又可能引起氙振蕩。由于振蕩頻率低，約為0.22周天，可手動(dòng)控制消除。中毒的影響需要在功率變化幾小時(shí)后才能明顯表現(xiàn)出

4、來，對(duì)功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)的特性影響不大。5.1壓水堆反應(yīng)性系數(shù)和自穩(wěn)特性5.1.1 壓水堆的溫度系數(shù)壓水堆的溫度系數(shù)5.1壓水堆反應(yīng)性系數(shù)和自穩(wěn)特性5.1.2 壓水堆的自穩(wěn)特性壓水堆的自穩(wěn)特性 影響反應(yīng)堆動(dòng)態(tài)特性的主要因素是燃料溫度系數(shù)和慢化劑溫度系數(shù)。壓水堆溫度系數(shù)總是設(shè)計(jì)成負(fù)的。這個(gè)內(nèi)部負(fù)反饋?zhàn)饔檬狗磻?yīng)堆具有自穩(wěn)自調(diào)特性。 所謂自穩(wěn)性是指反應(yīng)堆出現(xiàn)內(nèi)、外擾動(dòng)時(shí)，反應(yīng)堆能維持原功率水平的特性。5.1壓水堆反應(yīng)性系數(shù)和自穩(wěn)特性5.1.2 壓水堆的自穩(wěn)特性壓水堆的自穩(wěn)特性自穩(wěn)性：指反應(yīng)堆出現(xiàn)內(nèi)、外擾動(dòng)時(shí)，反應(yīng)堆能維持原功率水平的特性。 例如，當(dāng)反應(yīng)堆引入一個(gè)正的反應(yīng)性擾動(dòng)pex時(shí)，反應(yīng)堆中子通量將突然

5、增加n ，燃料溫度增加Tf ，慢化劑平均溫度跟著增加Tavg ，由于溫度效應(yīng)產(chǎn)生一個(gè)負(fù)反應(yīng)性，抵消了正反應(yīng)性擾動(dòng)的作用，最后，中子通量基本上能恢復(fù)到初始值。5.1壓水堆反應(yīng)性系數(shù)和自穩(wěn)特性5.1.2 壓水堆的自穩(wěn)特性壓水堆的自穩(wěn)特性 自調(diào)性：是指負(fù)荷變化時(shí)，反應(yīng)堆自身能迅速達(dá)到熱平衡。 例如：汽輪機(jī)負(fù)荷功率汽機(jī)轉(zhuǎn)速汽機(jī)調(diào)節(jié)閥開度蒸汽流量蒸汽壓力Ps和蒸汽溫度Ts均都Tavg反應(yīng)性中子通量n 燃料溫度Ts Tavg 反應(yīng)性反應(yīng)堆功率與負(fù)荷要求一致。從而反應(yīng)堆功率穩(wěn)定在一個(gè)與負(fù)荷功率相一致的新的功率水平。5.2壓水堆核電廠穩(wěn)定運(yùn)行方案 核電廠穩(wěn)態(tài)運(yùn)行方案：指反應(yīng)堆及動(dòng)力裝置在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行條件下，以負(fù)荷

6、功率或反應(yīng)堆功率為核心，各運(yùn)行參數(shù)，如，溫度、壓力和流量等應(yīng)遵循的一種相互關(guān)系的特性。 核電廠的輸出功率PH與蒸汽發(fā)生器一次側(cè)和二次側(cè)的溫度差有如下聯(lián)系： 式中，(UA)S蒸汽發(fā)生器一次側(cè)到二次側(cè)的等效傳熱系數(shù)W；Tavg、Tc和Th分別為一回路冷卻劑平均溫度、堆進(jìn)口溫度和堆出口溫度，；Ts蒸汽發(fā)生器二次側(cè)蒸汽溫度，。 5.2壓水堆核電廠穩(wěn)定運(yùn)行方案 反應(yīng)堆輸出功率Pn可表示為 式中，F(xiàn)一回路冷卻劑流量，Kgs： Cp冷卻劑水的比熱，JKg。 核電廠運(yùn)行的目標(biāo)是使Pn=Ph。為進(jìn)行這種調(diào)節(jié)，應(yīng)選擇能反映堆功率與負(fù)荷二者之差的量作為主調(diào)節(jié)量。 核電廠穩(wěn)態(tài)運(yùn)行控制方案一般有三種：Tavg恒定運(yùn)行模

7、式，蒸汽發(fā)生器蒸汽壓力Ps恒定運(yùn)行模式和Tavg隨功率變化運(yùn)行模式。5.2.1冷卻劑平均溫度恒定的運(yùn)行方式冷卻劑平均溫度恒定的運(yùn)行方式5.2壓水堆核電廠穩(wěn)定運(yùn)行方案 Tavg恒定運(yùn)行模式是指壓水堆核電廠一次冷卻劑平均溫度Tavg 在整個(gè)功率范圍內(nèi)保持恒定不變的運(yùn)行方式。 用P1表示一回路的輸出功率，P2表示二回路的輸出功率。當(dāng)一次冷卻劑流量保持不變時(shí)，則有： 式中K是與蒸發(fā)器熱交換系數(shù)和熱交換面積有關(guān)的常數(shù)， Tavg是一回路冷卻劑平均溫度，Ts是蒸汽發(fā)生器出口的蒸汽溫度。 圖表示出Tavg恒定的運(yùn)行模式。這種運(yùn)行方式的優(yōu)點(diǎn)是適應(yīng)反應(yīng)堆的自調(diào)特性，穩(wěn)定性好。另外，由于Tavg恒定，冷卻劑容積變

8、化小，穩(wěn)壓器的尺寸相對(duì)可以小。522 蒸汽壓力恒定的運(yùn)行方式蒸汽壓力恒定的運(yùn)行方式 蒸汽壓力恒定是指在整個(gè)運(yùn)行過程中，蒸汽發(fā)生器的蒸汽壓力Ps，保持不變。5.2.3 冷卻劑平均溫度隨功率線性變化的運(yùn)行方式冷卻劑平均溫度隨功率線性變化的運(yùn)行方式 平均溫度隨功率成線性變化的程序運(yùn)行方式是一種熱和機(jī)械制約之間的折衷方式?，F(xiàn)在，大多數(shù)壓水堆核電廠均采用此種穩(wěn)態(tài)運(yùn)行方案，Tavg隨功率的變化可由下式描述： 式中， Tav0為零功率時(shí)的平均溫度： K為Tavg與功率成函數(shù)關(guān)系的斜率。 此種運(yùn)行方式之所以為一折衷方案，是因?yàn)樗言谏鲜龇桨钢卸芈返娜控?fù)擔(dān)，由一回路、二回路共同承擔(dān)。其最大的優(yōu)點(diǎn)是不致于造成

9、對(duì)二回路系統(tǒng)、設(shè)備的限制太厲害。5.3 壓水堆核電廠負(fù)荷運(yùn)行方式壓水堆核電廠負(fù)荷運(yùn)行方式 核電廠負(fù)荷運(yùn)行方式主要有兩種：基本負(fù)荷(模式A)運(yùn)行方式和負(fù)荷跟蹤(模式G)運(yùn)行方式。5.3.1 基本負(fù)荷基本負(fù)荷(模式模式A)運(yùn)行方式運(yùn)行方式 汽輪機(jī)的功率跟隨反應(yīng)堆的功率運(yùn)行，即“機(jī)跟堆”運(yùn)行方式。這種方式由于從電力系統(tǒng)向反應(yīng)堆沒有反饋回路，控制系統(tǒng)較簡(jiǎn)單?！皺C(jī)跟堆”模式是在低功率或事故工況下的一般控制模式。反應(yīng)堆功率被控制到由操縱員設(shè)定的功率點(diǎn)。5.3.1 基本負(fù)荷基本負(fù)荷(模式模式A)運(yùn)行方式運(yùn)行方式5.3.2 負(fù)荷跟蹤負(fù)荷跟蹤(模式模式G)運(yùn)行方式運(yùn)行方式 根據(jù)設(shè)計(jì)的需要，負(fù)荷是變動(dòng)的。要求反應(yīng)

10、堆適應(yīng)負(fù)荷變化的要求。這是一種“堆跟機(jī)”的運(yùn)行方式。這種自動(dòng)跟蹤負(fù)荷的控制方式，具有從電力系統(tǒng)向反應(yīng)堆自動(dòng)反饋回路，控制系統(tǒng)較為復(fù)雜。5.3.2 負(fù)荷跟蹤負(fù)荷跟蹤(模式模式G)運(yùn)行方式運(yùn)行方式5.3 壓水堆核電廠負(fù)荷運(yùn)行方式壓水堆核電廠負(fù)荷運(yùn)行方式 在機(jī)組采取比較緩慢的負(fù)荷跟蹤運(yùn)行時(shí)，可以采用模式A。這種情況下調(diào)硼操作所排出的慢化劑數(shù)量比采用模式G要少得多。而在快速的負(fù)荷跟蹤運(yùn)行時(shí)，情況正好相反。在燃料循環(huán)末期，用模式A不可能進(jìn)行快速的負(fù)荷跟蹤運(yùn)行。 模式A適合于帶基本負(fù)荷運(yùn)行的機(jī)組，功率調(diào)節(jié)性能較差，但在運(yùn)行過程中設(shè)備受到的熱應(yīng)力較小，這將無疑地有利于安全和機(jī)組的壽命。 采用模式G功率調(diào)節(jié)系

11、統(tǒng)操作方式，可以使機(jī)組具有靈活的功率調(diào)節(jié)性能。在任何情況下機(jī)組可以參與負(fù)荷跟蹤和電網(wǎng)調(diào)頻運(yùn)行。 模式A和模式G兩種運(yùn)行模式在給定功率范圍內(nèi)具有不同的功率變化速率。運(yùn)行中，兩種運(yùn)行模式可以根據(jù)工況要求相互轉(zhuǎn)換。5.4 反應(yīng)堆控制的物理基礎(chǔ)5.4.1 有效增殖系數(shù)和反應(yīng)性 通常把反應(yīng)堆活性區(qū)中某一代中子數(shù)與前一代中子數(shù)之比稱為反應(yīng)堆的有效增殖系數(shù)，用Keff表示。當(dāng)Keff=1時(shí)，反應(yīng)堆為臨界狀態(tài)，功率水平不變； 當(dāng)Keff1時(shí)，為超臨界狀態(tài)，功率水平增大； 當(dāng)Keff1時(shí)，為次臨界狀態(tài)，功率水平減小。5.4 反應(yīng)堆控制的物理基礎(chǔ)5.4.1 有效增殖系數(shù)和反應(yīng)性 在討論反應(yīng)堆控制問題時(shí)，常用反應(yīng)性

12、p這個(gè)術(shù)語。 反應(yīng)堆偏離臨界程度的參數(shù)。從這個(gè)意義上說反應(yīng)堆控制是通過調(diào)節(jié)其有效增殖系數(shù)，即調(diào)節(jié)反應(yīng)性來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)反應(yīng)性為正時(shí)，反應(yīng)堆功率增大：反應(yīng)性為負(fù)時(shí)，堆功率減?。环磻?yīng)性為零時(shí)，堆功率不變。5.5 反應(yīng)性控制 反應(yīng)性控制，就是采取各種有效的控制方式，在確保安全的前提下，控制反應(yīng)堆的剩余反應(yīng)性。 所謂剩余反應(yīng)性，就是當(dāng)反應(yīng)堆堆芯中沒有控制毒物時(shí)的反應(yīng)性。用控制毒物補(bǔ)償剩余反應(yīng)性，這樣，就可通過調(diào)節(jié)反應(yīng)堆堆芯中毒物的多少達(dá)到控制剩余反應(yīng)性的目的，以滿足反應(yīng)堆長(zhǎng)期運(yùn)行的需要。 另外，通過控制組件適當(dāng)?shù)目臻g布置和最佳的提棒程序，使反應(yīng)堆在整個(gè)堆芯壽期內(nèi)，保持平坦的功率分布，使功率峰因子盡可能的小

13、。在外界負(fù)荷變化時(shí)，可通過控制棒調(diào)節(jié)反應(yīng)堆功率，以適應(yīng)外界負(fù)荷的變化。在反應(yīng)堆出現(xiàn)事故時(shí)，能通過保護(hù)系統(tǒng)迅速落棒停堆，并保持一定的停堆濃度。5.5 反應(yīng)性控制 反應(yīng)性控制方法 對(duì)動(dòng)力堆，通常新堆芯的剩余反應(yīng)性很大。如果只用控制棒組件來補(bǔ)償剩余反應(yīng)性，就需要很多控制棒，這在工程上很難實(shí)現(xiàn)，也不經(jīng)濟(jì)。所以，常用控制棒組件、加裝可燃毒物棒和在冷卻劑中加入硼酸等聯(lián)合的控制方法。 a)控制棒 控制棒是由中子吸收材料(80Ag，15%In，5Cd)制成的棒狀控制元件。用于控制反應(yīng)堆快速的反應(yīng)性變化。 5.5 反應(yīng)性控制b)慢化劑中可溶性毒物控制 慢化劑中可溶性毒物控制也稱化學(xué)與容積控制。其方法是在慢化劑中

14、加入一定濃度的可溶性中子吸收劑10B。通過調(diào)節(jié)溶液中硼酸濃度或溶液總體積來補(bǔ)償反應(yīng)性。硼酸濃度控制有自動(dòng)補(bǔ)償、稀釋、快速稀釋和加濃等方式?？刂品绞礁鶕?jù)如下原則選擇： 伴隨著反應(yīng)堆的啟動(dòng)運(yùn)行，由于從冷態(tài)到熱態(tài)運(yùn)行中的溫度變化以及燃耗、中毒等引起的比較緩慢的反應(yīng)性下降，采用稀釋的方法調(diào)節(jié)； 停堆、換料及補(bǔ)償氙的衰變引起的反應(yīng)性增加，需要加濃調(diào)節(jié)。5.5 反應(yīng)性控制c)可燃毒物棒控制 慢化劑中硼的濃度是有限制的。因此壓水堆用在堆內(nèi)裝入中子吸收截面較大的物質(zhì)，把它作為固定不動(dòng)的控制棒裝入堆芯，用以補(bǔ)償堆芯壽命初期的剩余反應(yīng)性。這種物質(zhì)稱為可燃性毒物，一般為含硼玻璃棒。 在首次燃料循環(huán)開始時(shí)，它具有降低

15、對(duì)慢化劑中硼酸濃度的要求的作用。在第一壽期終了換料時(shí)，可燃毒物棒就去掉?？扇级疚锇粼诙研緝?nèi)是盡可能均勻地布置在沒有控制棒的導(dǎo)向管內(nèi)。 壓水堆還進(jìn)行燃料濃縮度控制。即238U燃料具有三種不同的濃縮度。例如：反應(yīng)堆外圍區(qū)燃料的濃縮度最大為3.1，中心區(qū)組件成棋盤形，濃縮度有2.1和2.6兩種。這樣安排能調(diào)節(jié)并展平徑向中子通量密度。5.6 控制棒組件及其驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制棒組件及其驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)5.6.1控制棒組件控制棒組件（1）功能）功能（2）反應(yīng)性價(jià)值）反應(yīng)性價(jià)值（3）布置）布置（4）重疊運(yùn)行）重疊運(yùn)行5.6 控制棒組件及其驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制棒組件及其驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)5.6.2驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)5.6 控制棒組件及其驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制棒組件及其驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)5.6.2驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制棒控制棒提升時(shí)提升時(shí)各線圈各線圈通斷順序通斷順序5.6.3控制棒位置監(jiān)測(cè)系統(tǒng)控制棒位置監(jiān)測(cè)系統(tǒng)5.6 控制棒組件及其驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制棒組件及其驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)5.6.3控制棒位置監(jiān)測(cè)系統(tǒng)控制棒位置監(jiān)測(cè)系統(tǒng)5.7 壓水堆功率分布控制壓水堆功率分布控制5.7 壓水堆功率分布控制壓水堆功率分布控制5.7 壓水堆功率分布控制壓水堆功率分布控制5.8 反應(yīng)堆功率