秦二廠降溫方式延伸運行技術研究及方案策劃

彭杏林

(中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314303)

0 引言

核電廠反應堆延伸運行是指在核電廠反應堆燃料循環末期，控制棒在全提出位置，一回路系統中冷卻劑硼濃度達到10 mg·kg-1的時候，通過某種方式來釋放反應性以達到繼續運行的目的，延長機組運行時間的一種運行方式。

延伸運行的主要目的是合理地安排大修，避開18個月換料后在6—9月電網用電高峰期間停機大修，避開春節等重大節假日大修人員緊缺期間停機大修，并將秦山地區9臺機組的大修時間相互錯開。延伸運行還可以提高機組可用率、降低電廠發電成本。

2020年2—4月，由于新冠病毒疫情的影響，工作人員長時間緊缺。若原計劃在此期間進行停機大修，難以保證大修期間的人力資源供給，將為大修帶來不利影響。長時間人員緊缺情況的出現，更加體現了核電廠反應堆延伸運行的重要性。

1 反應堆延伸運行原理及方案

反應堆功率運行時堆芯需要消耗一定的反應性，通常在堆芯燃料管理設計上，為了保證一定的燃料循環長度，堆芯燃料裝載都考慮留有適當的后備反應性。這些后備反應性被可燃毒物、硼酸和控制棒所控制，并用于補償中子毒物、溫度效應、功率虧損、燃耗等反應性的消耗。即：

ρ總=ρ燃料+ρ棒+ρ氙+ρ釤+ρ功+ρ溫+ρ硼[3]

對于一個正常穩定臨界運行的反應堆，ρ總= 0。由上式可以看出，在燃料壽期末，硼濃度接近于0，控制棒已提至堆頂，正常運行時的平衡釤毒與功率水平無關，無法通過調節這三項(ρ硼、ρ棒、ρ釤)釋放正反應性。在Tavg調節程序不變的情況下，能夠釋放出正反應性，來維持反應性平衡的只有功率虧損ρ功項和ρ氙項。此外，還可以通過改變Tavg調節程序通過ρ溫項來釋放正反應性。

若此時降低慢化劑溫度或反應堆功率，則可以釋放正反應性來維持反應堆繼續運行。在降功率釋放正反應性的同時，還可以使氙毒釋放出部分反應性。

根據上述分析，反應堆機組在壽期末實施延伸運行，可以采用降功率或降低慢化劑溫度兩種方式。

2 降功率方式延伸運行

2.1 原理

降功率延伸運行是通過降低反應堆的功率，由功率虧損及氙毒釋放的正反應性來達到延伸運行的目的。當功率變化1%時所引起的反應性變化被稱為功率系數，功率系數綜合了多普勒系數、慢化劑溫度系數和空泡系數。在降功率的同時，還可以通過氙毒釋放出部分反應性。

2.2 方案

降功率延伸運行一般有三種方式：均勻連續降功率、階躍降功率以及不等額階梯降功率方式。

均勻連續降功率是當硼濃度達到10 mg·kg-1時，不再進行稀釋或者除硼操作，由于燃耗效應，Tavg將逐步下降，當Tavg低于參考平均溫度整定值Tref一定數值時，通過降低1%FP的功率來降低Tref，使Tavg與Tref保持基本一致。

階躍降功率延伸運行是指一次降功率到目標值，功率虧損較大，同時階躍功率變化引起的氙毒變化也較大，需要向一回路硼化和控制棒下插達到新的反應性平衡，同時控制ΔI在目標帶附近。

不等額階梯降功率方式，則是每天需要降低一個不等額的電功率值，具體需要反應性計算決定，以使得由功率虧損和氙毒引入的反應性與當天的燃耗引入的反應性基本一致，從而不需要進行調硼操作。

2.3 實踐

2020年秦二廠2號機組通過階躍降功率方式進行了延伸運行[10]；2017年秦二廠2號機組進行降功率延伸運行；秦二廠4號機組于2014年實施[4]均勻連續降功率方式的延伸運行16天；秦一廠于2013年進行了均勻連續降功率的方式的延伸運行[8]；秦二廠1號機組2005年通過均勻連續降功率方式的延伸運行[7]等等。

3 降溫方式延伸運行

3.1 原理

降溫延伸運行方式是指在保持功率運行水平不變的情況下，通過降低Tavg釋放正反應性來維持反應堆臨界。秦山二期機組壽期末，降低Tavg1 ℃，反應堆可以延伸運行約2EFPD。該方式能使機組在較高的功率水平下運行，電廠經濟性相對較高，但是由于Tavg降低，需要調整與Tavg相關的參數，以確保Tavg降低后機組能滿足設計基準的要求。

需要注意的是，降低Tavg的同時，會降低機組熱效率，在保持汽輪發電機組滿負荷運行時可能會引起主調閥開度超限或者核功率超限，在方案設計時需加以考慮。

針對2020年新冠病毒疫情情況，人力資源緊缺期約1個月，本文的秦二廠降溫方式延伸運行方案設計為30EFPD。參數修改計算過程采用參數來自《秦山第二核電廠QS116循環核設計報告》：壽期末(硼濃度10 mg·kg-1)，慢化劑溫度系數αm=-74.87 pcm/℃，滿負荷功率系數為αp=-26.24 pcm/%FP，滿負荷多普勒功率系數為αu=-8.93 pcm/%FP，堆芯氙平衡引入的負反應性如圖1所示，可知EOL功率在75%～100%FP時氙毒的反應性變化率約為αXe=-8.88 pcm/%FP，反應性消耗速率為30 pcm/EFPD[2]。

圖1 堆芯氙平衡引入的負反應性

3.2 方案

降溫延伸運行需要受到換料設計燃耗窗口、機組最低運行負荷、外部條件等的限制，此外還涉及核蒸汽供應系統的設計瞬態應力限制和汽輪機能力限制，因此首先要由設計院對降溫延伸運行的設計瞬態應力做出評價以及進行一回路安全分析，據此最終給出Tavg-Pth圖，該圖綜合下列限制條件得出[6]：

1)蒸汽發生器出口蒸汽濕度限制；

2)U形管束彎曲處振動方面的限制：

3)一回路和二回路最高壓差限制；

4)汽輪機特性限制；

5)延伸運行初始參考溫度線。

參照秦二廠參考電廠的降溫延伸運行安全分析結論，相對而言汽輪機特性限制線是所有限制中最嚴格的，如果這條限制線得到遵守，則所有的限制都能得到遵守。根據秦二廠汽輪機相關參數，受到汽輪機效率和尺寸的限制，穩態下Tavg=Tref，由

Pth=K(Tavg-Ts)

(1)

得到正常運行情況下程序溫度線及汽輪機限制線如圖2所示。秦二廠在實際設計實施前，需根據上述限制條件分別進行熱力性能等試驗，從而核實其中實際最嚴格的限制條件。

圖2 正常運行情況下程序溫度線及汽機限制線

3.3 降溫延伸運行涉及的參數修改

3.3.1 一回路參考溫度程序的改變

30EFPD消耗的反應性為900 pcm，由于汽機限制線的限制，Tref降低到一定數值之后必須降功率以防止超限，故此過程由慢化劑溫度效應、多普勒效應以及平衡氙效應三者進行補償。反應性平衡計算如下：

Δρ燃耗+Δρm+Δρu+ΔρXe= 0

(2)

將式(1)與式(2)聯立，可得30EFPD后通過降溫及降功率剛好補償反應性消耗，且剛好滿足汽機限制線要求所對應的Tref=297.65 ℃，Pth=87.47%FP。為確保主調節棒D棒處于自動運行方式，防止過冷甩負荷，延伸運行每一步Tref相差2 ℃，修改的函數發生器模塊為RGL402GD。由上述分析作圖如圖3所示。

3.3.2 控制棒死區的擴大

通過3.3.1節Tref程序改變的分析，為了避免產生氙震蕩，應盡量避免D棒的任何擾動，并保證D棒在延伸運行任意兩步間仍處于自動方式，必須將D棒的死區擴大。

通過分析，控制棒死區的擴大分為兩步：

1)第一步，在延伸運行開始，Tref第一次改變之前，對RGL403XU4以及403GD進行修改，將死區擴大到[-0.83 ℃，+1.66 ℃]。

2)第二步，Tref第一次改變結束后，對RGL403XU3及403GD進行修改，將死區擴大到[-1.66 ℃，+1.66 ℃]。

這種改變能夠盡可能地利用溫度效應來補償功率的擾動，從而避免D棒的波動。需要注意的是，控制棒棒死區的擴大將導致在甩負荷時，控制棒的動作延時增大。秦二廠延伸運行改變后的控制棒棒速曲線如圖4所示。

圖4 控制棒死區的擴大

3.3.3 調整P12定值

在正常循環期間，P12信號的定值是284 ℃，由于在延伸運行期間，Tavg不斷降低，因此在正常運行的瞬態，觸發P12信號的可能性也就不斷增加，高于滿功率時冷段溫度2 ℃的裕度已經足夠。

通過分析，應分別在降溫延伸運行第四步(Tref=304 ℃)時以及第五步(Tref=302 ℃)時，將P12信號的保護定值分別降至282 ℃、280 ℃，涉及的閾值繼電器有RCP443XU1/446XU1/449XU1/480XU1。

3.3.4 調整PZR 水位定值

延伸運行期間由于Tavg下降，導致穩壓器(PZR)程序參考水位Rref也下降。為了避免跳堆后由于冷卻劑容積收縮導致PZR水位降至“低”(14%)及“低低”(10%)定值，切斷PZR電加熱器及隔離下泄，當Tavg降低到一定程度時，PZR水位參考程序也必須進行改變。

導致下泄隔離的水位定值為10%，滿功率緊急停堆將導致水體積收縮33%，再考慮4%的水位控制不確定性，10%+33%+4%=47%。所以，需要保證在滿功率運行時PZR程序參考水位不能低于47%。

在整個延伸運行期間，PZR 水位參考程序只需改變一次，在Tavg=302.95 ℃之前(即第四步)，涉及的函數發生器為RCP403GD1(403MR中)。秦二廠延伸運行PZR程序水位整定值改變如圖5所示。

圖5 PZR程序參考水位Rref改變

3.3.5 調整RGL405XU報警定值

由于棒速死區的擴大，以及選擇在一回路偏冷的情況下調節Tref，在延伸運行期間，有必要修改由于Tref及Tavg，次高選之間高偏差的報警定值。

RGL404AA相關的報警的閾值繼電器定值改變方案如下：

1)RGL405XU3的閾值：當控制棒的死區向提棒方向由-0.83 ℃擴大為-1.66 ℃時，由-2 ℃改變為-3 ℃；

2)RGL405XU2的閾值：當控制棒的死區向插棒方向由0.83 ℃擴大為1.66 ℃時，由+2 ℃改變為+3 ℃；

3)RGL405XU1的閾值在延伸運行時不改變。

3.3.6 調整 ΔIref

反應堆壽期末降溫延伸運行，當Tavg降低時，堆芯上部溫度降低較多，而堆芯下部溫度基本不變，導致堆芯上部中子注量率較堆芯下部中子注量率增加更多，與堆芯下部相比較，由于堆芯上部的燃耗較淺，更加重了這種現象。因此，在延伸運行期間，ΔIref將快速向右偏移，必須增加校準ΔIref的頻度，保證至少每周校準一次。

3.3.7 調整RPN參數(RPN功率量程及 ΔI)

中子探測器用來測量壓力容器外的中子注量率，而中子在接近探測器之前必須穿過一道冷水隔層，其間部分中子被這道冷水隔層捕獲。在功率穩定時，隨著Tavg降低，冷段溫度也隨之降低，這道冷水隔層密度增加，因此有更多的中子被冷水隔層捕獲。中子探測器的電流IH和IB也隨之降低，應按照規定在RPN功率量程和熱功率測量偏差超過定值后進行RPN調整。

3.3.8 GCT-C相關的改變

參考溫度程序發生改變時，GCT-C的參考溫度程序(GCT401GD)也必須同時按同樣的方法進行改變。同時需要進行改變的還有GCT402GD、GCT410GD、GCT403GD以及未停堆情況下用于快開信號和參與產生GCT-C不可用信號的閾值繼電器定值。而在停堆情況下Tref0仍然等于290.8 ℃，故對GCT404GD以及相關快開閾值繼電器定值不需要進行修改。

1)GCT401GD：根據圖3中的“線1”至“線6”進行相同的改變，改變后的GCT401GD函數曲線如圖6所示。

圖6 GCT401GD函數修改

2)GCT402GD：延伸運行幾步以后，由于參考溫度程序的斜率降低，在機組大幅度甩負荷后，會導致GCT-C排放閥開啟時間過于滯后，反應堆有可能因為一回路高壓力而跳堆。為了提高蒸汽排放系統的效率，在降溫延伸運行的第四步(Tref4=304 ℃)，必須對GCT402GD進行調整，即當參考溫度程序的斜率小于或等于13.2 ℃/100%FP時。修改后的GCT402GD函數曲線如圖7所示。

圖7 GCT402GD函數修改

3)GCT410GD：延伸運行幾步以后，由于參考溫度程序的斜率降低，同樣的功率偏差對應的溫度修正信號需降低。GCT410GD的修改與GCT402GD同步，即在降溫延伸運行的第四步(Tref4=304 ℃)。修改后的GCT410GD函數曲線如圖8所示。

圖8 GCT410GD函數修改

4)GCT403GD：在降溫延伸運行的第四步(Tref4=304 ℃)對GCT410GD修改的同時也需要對GCT403GD進行修改。修改后的GCT403GD函數曲線如圖9所示。

圖9 GCT403GD函數修改

5)未停堆情況下的快開信號(GCT401XU1/401XU2/402XU1)：在降溫延伸運行的第四步(Tref4=304 ℃)對GCT402GD修改時，開度信號達到100%時的拐點對應的溫度偏差由14.9 ℃改為11.2 ℃，故需要同時對未停堆情況下的快開信號相關閾值繼電器定值進行修改，修改情況如表1所示。

表1 未停堆情況下GCT-C快開信號修改

6)參與產生GCT-C不可用信號的閾值繼電器(GCT402XU2/407XU)定值的修改情況如表2所示。

3.4 降溫延伸運行主要操作

通過上述3.3節降溫延伸運行涉及的參數修改分析，秦二廠降溫延伸運行按照30EFPD來設計，降溫延伸運行操作共分為六步?？偨Y上述涉及的參數修改步驟如表3所示。

表3 秦二廠降溫延伸運行參數修改總表

此外，在實施的每一步操作中都需要對ΔIref以及RPN功率量程校正系數進行調整，且保證ΔIref的校準頻度至少每周一次。

3.5 實踐

大亞灣核電廠于2003年3月11日到3月20日成功實施了我國首次降溫方式的延伸運行[9]，順利實現了錯開大亞灣核電廠209大修和109大修的目的。陽江核電1號機組于2016年7月13日9：30至7月14日22：30也順利進行了降溫方式的延伸運行。

而中國核電旗下的反應堆尚未進行過降溫方式的延伸運行，2022年秦山核電實現發電量8年增，年發電量提升難度逐漸加大，降溫方式延伸運行在議定情況下能滿足提升發電量的要求。同時，鑒于秦二廠與大亞灣核電同為M310機組，建議及早計劃進行降溫延伸運行模式的相應安全論證和評審。

4 降溫方式延伸運行優缺點

4.1 安全性方面

降溫方式延伸運行需要修改相關的控制曲線以及報警、保護定值，對于沒有降溫延伸運行經驗的秦山二期核電廠而言，這些修改相當于將機組帶入陌生的運行狀態，不可避免地增加了機組運行的風險。但鑒于相同堆型機組的成功實踐，在前期充分試驗、安全分析及策劃準備的前提下，核反應堆運行所需的安全裕度能夠得到保證。

4.2 經濟性方面

降溫方式延伸運行的經濟性比降功率方式延伸運行好，且延伸運行時間越長經濟性優勢越大。

假設機組需要延伸運行t=30天，經計算得：均勻連續降功率方式延伸運行總發電量虧損9.346 5×107kW·h，降溫方式延伸運行總發電量虧損1.813 2×107kW·h。降溫方式延伸運行比降功率方式延伸運行可以多生產電量7.533 3×107kW·h，且降溫方式延伸運行的總發電量虧損僅為降功率方式延伸運行的19.4%。

5 總結

本文介紹了反應堆壽期末降功率方式延伸運行和降溫方式延伸運行，并針對秦山二廠反應堆機組降溫方式延伸運行進行了技術研究以及方案策劃，對過程中需要修改的相關控制程序及報警、保護定值進行了詳細的分析、計算以及建模，相關各函數發生器的修改做出圖形進行直觀展示，并對秦二廠反應堆降溫方式延伸運行進行了方案策劃，該方案按照延伸運行30EFPD進行策劃，共分為六步，并針對參數修改所涉及的各個模塊在六步中一一對應。

最后，本文將降溫方式與降功率方式延伸運行進行了對比，分別從安全性方面和經濟性方面分析了降溫方式延伸運行的優缺點。通過秦二廠反應堆壽期末延伸運行30天的例子計算，降溫方式延伸運行比降功率方式延伸運行可以多生產電量7.533 3×107kW·h，且降溫方式延伸運行的總發電量虧損僅為降功率方式延伸運行的19.4%。中國核電尚無降溫方式延伸運行實例，建議秦山核電及早進行降溫延伸運行模式的相應安全論證、評審及實踐，從而做好中國核電領跑者，譜寫創新優化新華章。