反应堆控制系统Tavg控制逻辑中功率失配偏差相关逻辑探讨

王晓路,马灿 ,冷萌彬

国核示范电站有限责任公司 山东 威海

摘  要：根据最终安全分析报告第十五章要求，反应堆满功率时发生汽轮机停机，堆功率在五分钟内应降至15%RTP左右。全范围模拟机进行测试时，发现满功率汽轮机停机后，堆功率下降速度较慢，5分钟后的堆功率仍保持在30%RTP以上，与设计要求的15%RTP相差较大。本文通过分析该非预期现象，查找堆功率下降速度较慢的原因，探讨并给出相应的优化方案供设计单位参考，从而避免机组非预期现象的发生，降低潜在的风险。

关键词：堆功率；落棒速度；功率失配偏差

在全范围模拟机测试中，发现反应堆满功率汽轮机停机工况存在堆功率下降速度慢问题。当机组满功率工况下汽轮机停机，在停机90s后落棒速度下降至8step/min，且后续落棒速度也较慢，导致堆功率下降速度慢，未按预期将堆功率降至15%RTP左右。针对此现象对照DCS逻辑组态和设计文件进行研究分析。

1初始事件

机组100%FP，汽轮机发生意外停机。

1.1 预期响应

汽轮机停机后，控制棒根据高功率模式失配偏差以一定的落棒速度下插，堆功率随之下降，停机5分钟后堆功率降至15%RTP。

1.2 实际响应

汽轮机停机90s后落棒速度下降至8step/min，且后续落棒速度也较慢，导致堆功率下降速度慢，5分钟后的堆功率仍保持在30%RTP以上。该瞬态工况堆功率、控制棒移动速度、温度失配偏差、高功率模式失配偏差等参数变化如图1所示。

注：红色：反应堆功率；蓝色：棒速；绿色：温度失配偏差；紫色：高功率模式失配偏差

图1 汽轮机停机瞬态堆功率等参数变化趋势

根据图1结果显示，落棒速度受高功率模式失配偏差影响，汽轮机停机90s后落棒速度下降至8step/min，且后续落棒速度也较慢，导致堆功率下降速度慢，5分钟后的堆功率仍保持在30%RTP以上。

2原因分析

根据模拟机仿真及逻辑图纸分析，认为存在如下问题：在汽机功率较低的工况下，DCS非安全级逻辑组态搭建的“功率失配偏差相关逻辑”与设计要求不一致。

2.1 设计要求

根据反应堆控制系统Tavg控制逻辑图，功率失配偏差与温度失配偏差之和影响控制棒的自动控制。

图2 反应堆控制系统Tavg控制逻辑图

功率失配偏差受比例系数KQT的影响，KQT越大则功率失配偏差越小，进而控制棒移动速度就越慢，根据NSSS控制系统整定值清单，KQT与汽机功率成反比，且最大为1/D（D为0.5，所以最大为2），最小为1。

经过非线性增益修正的功率失配信号需经过以下可变增益进行修正：

图3 功率失配信号增益修正图

其中：D为汽轮机负荷可变增益拐点：当汽轮机负荷小于D时，增益为1.0/D；当汽轮机负荷大于D时，增益与汽轮机负荷成反比（1.0/PTU）。

汽轮机停机后，汽轮机甩负荷到20%，小于汽轮机负荷可变增益拐点D，即KQT为1.0/D，根据NSSS控制系统整定值清单，D取值为0.5，所以比例系数KQT最大为2。

2.2 当前控制逻辑

功率失配偏差相关逻辑是在非安全级DCS逻辑组态进行搭建的：

图4 功率失配偏差DCS逻辑图

根据图4，HLAlm为高限报警功能块：当汽轮机负荷大于可变增益拐点D时，输出为1；反之输出为0，SFT为选择跟踪功能块：当Z为1时，输出Y取值X1；当Z为0时，输出Y取值X2。当汽轮机停机时，汽轮机甩负荷到20%后逐渐减小，但是当前DCS逻辑组态中取的汽轮机负荷单位是%，即汽轮机停机后，汽轮机负荷变为20往下降，汽轮机负荷一直大于可变增益拐点D，导致比例系数KQT与汽轮机负荷成反比。

对汽轮机负荷与KQT的对应关系进行测试，所得曲线如下图所示：

注：红色：汽轮机负荷；蓝色：比例系数KQT

图5 汽轮机负荷与KQT变化趋势

可见KQT最大值达到了200，与汽机负荷的对应关系也与NSSS控制系统整定值清单设计要求不符。KQT最大值比要求值大100倍，使得汽机功率较低的工况下，功率失配偏差比正常值大上百倍，导致控制棒响应与预期不符。

综上，堆功率下降速度比设计要求慢的原因有两点：

1)功率失配偏差DCS逻辑取的汽轮机负荷值不对，使得比例系数KQT所取的输入不对。

2)比例系数KQT没有高限限制，使得输出远大于设计要求最大值2。

3设计优化

针对原因分析，解决汽轮机停机后比例系数KQT过大问题主要有以下两个思路：

1)优化DCS逻辑组态，解决“汽轮机负荷单位取值”问题；

2)优化DCS逻辑组态，解决“比例系数KQT无高限限制”问题。

3.1KQT控制逻辑输入优化试验

汽轮机负荷输入点经过“÷100”运算后，再与可变增益拐点D作比较。汽轮机停机后，比例系数KQT为2，控制棒落棒速度较快，堆功率在5分钟内下降至15%RTP，结果如图6所示。

注：红色：反应堆功率；蓝色：棒速；绿色：温度失配偏差；紫色：高功率模式失配偏差

图6 优化输入后汽轮机停机测试曲线

3.2KQT控制逻辑输出优化试验

尝试在KQT输出后添加HLLmt功能块，限制输出上限为2，再次进行满功率汽轮机停机测试，堆功率在5分钟内下降至15%RTP，整体响应符合设计预期。结果如图7所示。

注：红色：反应堆功率；蓝色：棒速；绿色：温度失配偏差；紫色：高功率模式失配偏差

图7  优化输出后汽轮机停机测试曲线

4结论

通过分析，认为该瞬态响应未能达到设计预期的主要原因，在于汽机功率较低的工况下，DCS非安全级逻辑组态搭建的“功率失配偏差相关逻辑”与设计要求不一致，导致控制棒下插速度过慢，进而影响了堆功率的下降。

尝试通过优化高功率模式的功率失配偏差控制逻辑（调整汽轮机负荷输入或限制比例系数输出），都可以较好满足停机后堆功率快速下降的要求，使得响应符合设计预期。需要设计院重新评估DCS非安全级逻辑组态搭建的“功率失配偏差相关逻辑”。建议相关设计单位，结合满功率汽轮机停机工况的要求，综合分析考虑，对高功率模式的功率失配偏差控制逻辑进行优化，确保设计目标和要求一致。

参考文献

[1] 孙林宁.AP1000压水堆功率控制模式浅析[J]. 科技资讯,2015, 06.

[2] 毛文礼.浅析AP1000核电站快速降功率和落棒恢复[J].科技视界, 2015, 18.

[3] 反应堆控制系统Tavg控制逻辑图,SNG-PLS-J3-601.

[4] NSSS控制系统整定值清单,SNG-PLS-J7X-709.