王银丽罗炜张英朱宏亮杨戴博袁彬
（中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术重点实验室，四川成都610041）
【摘要】核仪表系统（RPN）是核电厂仪控系统的重要组成部分。本文介绍了AP1000功率量程中子注量率正变化率高紧急停堆的基本原理，对该紧急停堆信号触发与停堆定值、时间常数、功率变化率的关系进行了分析，并以MATLAB软件为平台，基于弹棒事故和正常运行瞬态两种典型工况的瞬态过程数据，对AP1000功率量程中子注量率正变化率高紧急停堆定值和时间常数的设计进行了仿真验证。
教育期刊网 http://www.jyqkw.com
关键词 核电厂；核仪表系统；功率量程中子注量率正变化率高紧急停堆定值；时间常数
StudyonSetpointandTimeConstantforAP1000PowerRangeHighPositiveNeutronFluxRateReactorTrip
WANGYin-liLＵＯWeiZＨＡＮＧYingZＨＵHong-liangYＡＮＧDai-boYＵＡＮBin
（NationalKeyLaboratoryofReactorSystemDesignTechnology,NuclearPowerInstituteofChina,ChengduSichuan610041,China）
【Abstract】Nuclearinstrumentationsystemisanimportantpartofsafetyinstrumentandcontrolsysteminnuclearpowerplant.ThispaperintroducestheprincipleofAP1000powerrangehighpositiveneutronfluxratereactortrip,andanalysestherelationshipofthetriggerofthisreactortripwithsetpoint,timeconstantandpowerrate.ThedesignofsetpointandtimeconstantforpowerrangehighpositiveneutronfluxratereactortripisverifiedonMATLABsoftwareplatformbasedonthetransientprocessdataofrodejectionandnormaloperationtransientalso.
【Keywords】Nuclearpowerplant；Nuclearinstrumentationsystem；Setpointofpowerrangehighpositiveneutronfluxratereactortrip；Timeconstant
0引言
核仪表系统（RPN）功率量程中子注量率正变化率与反应性的引入速率有关，典型的反应性快速引入事故为控制棒弹出事故，简称弹棒事故。弹棒事故是IV类工况事故，是由于控制棒驱动机构耐压壳机械损坏导致一束控制棒组件和驱动杆弹出堆芯外，将导致正反应性的快速引入和不利的堆芯功率分布，可能引起局部燃料棒损坏。
如果控制棒弹出事故发生在额定功率水平或发生在低于10%额定功率的水平时，则将由功率量程中子注量率高（低整定值和高整定值）紧急停堆和超温ΔT紧急停堆提供保护。如果控制棒弹出事故发生在中间功率水平时，上述紧急停堆信号可能出现太晚或甚至不会出现。因此，为了终止堆芯功率的激增，需要由功率量程中子注量率正变化率高紧急停堆对堆芯进行保护。
本文介绍了AP1000功率量程中子注量率正变化率高紧急停堆的原理，对该紧急停堆信号触发与停堆定值、时间常数、功率变化率的关系进行了分析，并以MATLAB软件为平台，对AP1000功率量程中子注量率正变化率高紧急停堆定值和时间常数的设计进行了仿真研究。
１功率量程中子注量率正变化率高紧急停堆原理
AP1000功率量程中子注量率正变化率高紧急停堆原理如图1所示。核仪表系统的功率量程共设计有4个通道，每个通道分别接收来自中子探测器的信号，并对采集的数据进行处理、运算，将中子注量率信号转换为功率信号再计算出功率变化信号，经定值比较后产生中子注量率正变化率高紧急停堆的初始启动信号，送往逻辑保护系统进行逻辑处理，当符合逻辑组合的要求（4取2）时给出功率量程中子注量率正变化率高紧急停堆保护动作触发信号，逻辑保护系统下游的停堆断路器接收保护动作触发信号，通过打开停堆断路器，使控制棒快速、自动地插入堆芯，以防止或限制堆芯的损坏或包容反应堆冷却剂的压力容器的损坏，完成保护功能。
图1中，P为功率水平，ΔP为功率的变化，s为传递函数的拉普拉斯算子，τ为时间常数。1/(τs+1)为一阶惯性环节，表示其输出不能立即随着输入的变化而变化，要滞后一段时间才能接近所要求的输出，有一定的延迟作用。
可见，功率量程中子注量率正变化率高紧急停堆并不是一个速率停堆，而是基于中子注量率快速变化或信号与其滞后值之差的停堆，且与功率水平的高低无关。即，无论在任何功率水平，只要[功率水平-功率水平/(1+τs)]超过停堆定值，就会触发停堆初始启动信号。
２停堆信号触发与停堆定值、时间常数、功率变化率的关系分析
在发生弹棒事故后，核功率水平P随时间t的变化的典型曲线如图2所示，由于该曲线具有非线性特性，因此在分析时采用分段近似表示法来代替非线性的特性曲线。具体分析时用多段斜率不同的直线来近似表示非线性的功率-时间变化曲线，即每段直线可用P(t)=at表示，a即为功率的变化率。
由图3可见，在初始状态下，ΔP(t)值最小；ΔP(t)值随时间而增大，最后趋于aτ。
2.1停堆信号触发与停堆定值的关系
由图3可见，理论上只有当功率量程中子注量率正变化率高紧急停堆定值PRT小于或等于aτ时，才可能触发停堆初始启动信号。且PRT值越小，越容易触发停堆初始启动信号。
２.2停堆信号触发与时间常数的关系
为分析时间常数τ与停堆信号触发的关系，假设功率量程中子注量率正变化率高紧急停堆定值（PRT=12%FP）和功率变化率（a=2%FP/s）已知，暂不考虑PRT和a对停堆信号触发的影响。根据公式（1），只有τ≥6s时，才有可能触发停堆初始启动信号。将时间常数分别取不同的值（τ=3s，8s，15s），其ΔP(t)值随时间变化的曲线如图4所示。
由图4可见，当τ=3s时，由于功率变化ΔP(t)趋近于aτ=6%FP，功率变化ΔP(t)不可能触发停堆初始启动信号。当τ>6s时，对于同一紧急停堆定值和功率变化率，τ值越大，紧急停堆初始启动信号的触发时间越短。
２.3停堆信号触发与功率变化率的关系
为分析功率变化率a与停堆信号触发的关系，假设功率量程中子注量率正变化率高紧急停堆定值（PRT=12%FP）和时间常数（τ=60s）已知，暂不考虑PRT和τ对停堆信号触发的影响。将功率变化率分别取不同的值（a=0.15%FP/s，0.6%FP/s，1.5%FP/s），其ΔP(t)值随时间变化的曲线如图5所示。
由图5可见，当功率变化率a=0.15%FP/s时，由于功率变化ΔP(t)趋近于aτ=9%FP，功率变化ΔP(t)不可能触发停堆初始启动信号。当功率变化率a>0.2%FP/s时，对于同一紧急停堆定值和时间常数，a值越大，功率变化越快，紧急停堆初始启动信号的触发时间越短。
３紧急停堆定值和时间常数设计仿真研究
功率量程中子注量率正变化率高紧急停堆定值是通过安全分析确定的。在确定该定值时，充分考虑了仪表通道测量的不确定性（误差）、整个系统的响应时间以及安全驱动器的性能，同时还适当考虑了一定的裕量。
在AP1000核电项目中，功率量程中子注量率正变化率高紧急停堆定值设计为12%FP，允许误差为量程范围的2.5%，安全分析限值为15%FP，一阶惯性环节时间常数τ设计为60秒。该定值的设计确保在发生弹棒事故后正确触发功率量程中子注量率正变化率高紧急停堆信号，对于正常运行瞬态应确保有足够的操作余量。
在核电厂设计阶段，无法通过实际现场试验获得核电厂寿期初、寿期末在发生快速瞬态工况时中子注量率/功率随时间变化的数据，因此需要在对初始工况、瞬态模拟、堆芯物理数据、反应堆控制调节系统、保护系统等使用特定假设的前提下，通过数值仿真方式获取瞬态过程数据，以便进行仿真分析。在此基础上，采用控制系统仿真程序MATLAB/Simulink[2]中建模，实施功率变化ΔP(t)计算，用以验证定值和时间常数设计。
下面将分别针对弹棒事故和正常运行瞬态两种工况进行具体分析。
3.1弹棒事故仿真
本文以寿期初热态满功率工况下的弹棒事故为例进行分析，假设初始功率为1.02倍额定功率，寿期初热态满功率工况慢化剂温度系数为0，分析得到的事故瞬态核功率随时间变化曲线如图6a所示，对应的功率变化(t)随时间变化曲线如图6b所示。
由图6a可见，控制棒开始弹出时刻为0s，随后核功率迅速上升，达到功率量程中子注量率高紧急停堆定值的时刻为0.03s，达到核功率的峰值时刻为0.14s。由图6b可见，达到功率量程中子注量率正变化率高紧急停堆安全分析限值的时刻约为0.01s，要早于功率量程中子注量率高紧急停堆的触发时间，满足安全分析要求。
3.2正常运行瞬态仿真
在核电厂设计考虑的正常运行瞬态中，对于中子注量率迅速增长来说，最严重的运行瞬态是核电站以10%额定功率阶跃上升。以电厂初始功率处于90%FP，以10%额定功率阶跃上升瞬态为例，其对应的核功率随时间变化曲线如图7a所示，对应的功率变化ΔP(t)随时间变化曲线如图7b所示。
由图7b可见，对于核电站以10%额定功率阶跃上升的运行瞬态，其功率变化ΔP(t)最大值约为6.2%FP，远低于功率量程中子注量率正变化率高紧急停堆定值，不会触发功率量程中子注量率正变化率高紧急停堆信号，确保正常运行瞬态有足够的操作余量。
4结束语
分析表明，功率量程中子注量率正变化率高停堆并不是一个速率停堆，对于同一功率信号输入，功率量程中子注量率正变化率高停堆初始信号的触发及触发时间是由停堆定值和一阶惯性环节的时间常数设置共同确定的；在停堆定值已知时，通过调节一阶惯性环节的时间常数，可以达到需要的停堆初始信号触发时间。
通过MATLAB/Simulink对弹棒事故和正常运行瞬态两种典型工况的瞬态数据仿真和分析，表明AP1000项目中功率量程中子注量率正变化率高紧急停堆定值和一阶惯性环节时间常数满足安全分析要求和电站运行要求。该分析为后续核电项目功率量程中子注量率正变化率高紧急停堆定值和时间常数的设计提供了重要参考。
教育期刊网 http://www.jyqkw.com
参考文献
［１］胡寿松.自动控制原理[M].北京:科学出版社，2001.
［２］薛定宇，陈阳泉.基于MATLAB/Simulink的系统仿真技术与应用[M].北京:清华大学出版社，2002.
［责任编辑：曹明明］
