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1、06.11.2020,1,第一章 核电厂仪表和控制系统（I&C）概述,06.11.2020,2,核电厂把核能转变为电能进行发电。它包括核岛和常规岛及BOP（电站辅助设施）。蒸汽发生汽器把核岛和常规岛组合成一个整体，再加上一些必要的辅助系统，构成一个完整的核电厂。 现在国际上的核电厂主要有压水堆核电厂、沸水堆核电厂、重水堆核电厂、气冷堆核电厂、快中子堆核电厂等几种主要类型。,06.11.2020,3,1.1 压水堆核电厂基本结构及流程,压水堆核电厂主要是由反应堆、一回路系统、二回路系统及其它辅助系统和设备组成。,06.11.2020,4,反应堆冷却剂系统将堆芯核裂变放出的热能带出反应堆并传递给二
2、回路工质以产生蒸汽。 通常把反应堆、反应堆冷却剂系统及其辅助系统合称为核供汽系统。 现代商用压水堆核电厂反应堆冷却剂系统一般有二至四条并联在反应堆压力容器上的封闭环路。每一条环路由一台蒸汽发生器、一台或两台反应堆冷却剂泵及相应的管道组成，在其中一个环路的热管段上，通过波动管与一台稳压器相连。一回路内的高温高压含硼水，由反应堆冷却剂泵输送，流经反应堆堆芯，吸收了堆芯核裂变放出的热能，再进入蒸汽发生器，通过蒸汽发生器传热管壁，将热量传给蒸汽发生器二次侧给水，然后再由反应堆冷却剂泵唧送回反应堆。如此循环往复，构成封闭回路。整个一回路系统设有一台稳压器。一回路系统的压力靠稳压器调节，且保持稳定。,06
3、.11.2020,5,核辅助系统主要用来保证反应堆和一回路系统的正常运行。压水堆核电厂核辅助系统按其功能划分，有保证核电厂正常启动、功率运行和停堆后冷却的一回路辅助系统，其中部分系统同时作为专设安全设施系统的支持系统：有回收和处理放射性废物，保护和监测向环境排放废物的废物处理系统；还有核岛通风空调及冷却水系统。用来确保人身安全、控制污染空气、保护环境卫生、满足核电厂运行的工艺要求。 专设安全设施系统为核电厂重大的事故提供必要的应急冷却措施，并防止放射性物质的扩散。,06.11.2020,6,二回路系统由汽轮机、发电机、凝汽器、凝结水泵、给水加热器、除氧器、给水泵、蒸汽发生器、汽水分离再热器等设
4、备组成。蒸汽发生器的给水在蒸汽发生器吸收热量变成蒸汽，然后驱动汽轮发电机组发电。做功后的乏汽在凝汽器内冷凝成水。凝结水由凝结水泵输送，经低压加热器加热后进入除氧器，除氧水由给水泵送入高压加热器加热后重新返回蒸汽发生器，如此形成热力循环。为了保证二回路系统的正常运行，二回路系统也设有一系列辅助系统。,06.11.2020,7,循环水系统主要用来为凝汽器提供凝结汽轮机乏汽的冷却水。循环水系统分为：开式供水和闭式供水两类。 开式供水，是指以江河湖海为天然水源，冷却水一次通过，不重复使用。若厂区地势较水源水位高，而水源水位的涨落幅度又较大时，往往将循环水泵装设在水泵房内。为避免由电厂排出的热水重新进入
5、吸水口，排水口应设在水流下游，且离吸水口有足够距离。 闭式供水方式是把由凝汽器排出的水，经过冷却降温之后，再用循环水泵送回凝汽器入口重复使用。对于天然水源的水量不充足，或水源的季节性水流量差距很大的情况，闭式供水往往是必要的。有时，电厂同时设置开式供水和闭式供水两套系统，互为补充。闭式供水的一种基本方式是采用冷却水塔循环供水系统。,06.11.2020,8,发电机和输配电系统的主要设备由发电机、励磁机、主变压器、厂用变压器、启动变压器、高压开关站和柴油发电机组等组成。其主要作用是将核电厂发出的电能向电网输送，同时保证核电厂内部设备的可靠供电。 发电机的出线电压一般为22kV27kV，经变压器升
6、至外网电压。为保证核电厂安全运行，核电厂至少与两条不同的独立电源相连接，以避免因雷击、地震、飓风或洪水等自然灾害可能造成的全厂断电。,06.11.2020,9,06.11.2020,10,12 核电厂仪表和控制系统的主要功能,核电厂的控制和仪表系统是为核电厂各部分各系统包括核岛、常规岛和BOP提供各类控制、保护的手段及监视信息，以保证核电厂能安全、可靠和经济地运行。 整个核电厂约由几百个系统组成，系统又由各类设备组成，每个设备需完成一个或几个功能。要求设备执行何种功能决定于核电厂的运行工况，例如启动工况、满功率运行工况、热停堆工况等。反过来我们也可以这么说，电厂运行工况的实施有赖于相关系统及设
7、备实施的是何种功能。 仪表系统就如人体感觉器官，它存在于核电厂所有系统的各个角落，用来把系统或设备的物理参数(如温度、压力、流量、电压、电流等模拟量)或状态参数(开、关等)告知运行人员。仪表系统通常包括传感器、放大器、指示器、记录仪、限位开关、指示灯、继电设备、计算机、打印机及其屏幕等。,06.11.2020,11,控制系统即是用来改变系统和设备运行状态以执行电厂所要求的功能的手段，它既可以改变系统和设备的状态，也可以维持系统和设备的运行参数在某一指定范围之内。它通常由控制按钮、选择开关、继电设备、接触器或断路器、定值器、放大器、驱动器、控制台(屏)等设备组成。 控制系统的设计还应做到减少误操
8、作的可能性，及减轻由于系统的故障所造成的后果。 核电厂仪表和控制系统主要有三种功能：信息功能、控制功能和保护功能。,06.11.2020,12,06.11.2020,13,121 信息功能,核电厂的I&C系统监测核电厂的有关参数，并实时地提供给操纵员，以便操纵员全面了解核电厂的运行状态，以利于最佳控制核电厂的运行，同时对数据进行处理和存贮，支持核电厂的最佳运行。信息功能主要包括： 1)监测反应堆的中子通量水平及其变化率： 2)监测堆内中子通量分布及温度场分布； 3)监测核电厂的区域辐射剂量和工艺过程辐射剂量； 4)监测核电厂的工艺过程参数(核岛和常规岛的各工艺回路的温度、压力、流量、液位)；
9、5)监测设备的状态、位置、运动速度(例如控制棒驱动机构、主泵、汽机等的状态、位置、转速等)； 6)监测燃料元件包壳的破损； 7)监测冷却剂的纯度；,06.11.2020,14,8)监测反应堆及设备的事故状态(如冷却剂的泄漏)； 9)设备潜在故障的诊断及报警： 10)供电的监测与报警： 11)火灾的监测与报警 12)异常、故障或事故的声光报警： 13)系统间的信息传输； 14)计算机的信息处理及存贮： 15)环境监测。,06.11.2020,15,122 控制功能,核电厂的I&C系统控制核电厂在规定的工况下运行，它主要包括： 1)现场控制 2)远距离控制(遥控把操纵员的指令传递到被控设备，控制该
10、设备响应操纵员的指令) 3)自动控制(使被控的输出量自动稳定在一个整定值范围内，或者受控设备纽按规定条件或时序动作)。,06.11.2020,16,为了完成控制功能，核电厂设置了很多必要的控制系统，主要的控制系统有： 反应堆功率控制系统： 一次冷却剂过程参数监测及控制系统； 二次冷却剂过程参数监测及控制系统： 汽轮机控制及保护系统； 发电机控制及保护系统； 换料控制系统： 核电厂信息处理系统等。,06.11.2020,17,核电厂控制可分为两个部分：反应堆功率控制和过程控制。 反应堆控制是通过控制冷却剂中硼的浓度和控制棒的抽出或插入堆芯从而控制反应堆的启动、功率调节、停堆和紧急安全停堆。 过程
11、控制主要是指对热传输的压力、装量等控制以及二次冷却剂和汽轮机及旁排等的控制。电力输出的频率和电压是通过汽轮机负荷控制器控制汽轮机的蒸汽流量实现的。,06.11.2020,18,06.11.2020,19,123 保护功能,I&C系统的保护功能主要用于保护核电厂、环境及人员的安全。并且当核电厂出现事故时，保护核电厂的主要设备、人员的安全，控制放射性对环境的影响。它主要包括： 1)当核电厂出现异常瞬态事件时，依靠保护系统立即触发安全停堆，停止反应堆的链式反应，并迅速把反应堆引入深的次临界状态，防止瞬态事件的进一步发展； 2)当核电厂出现事故时，除立即触发停堆外，还触发有关的专用安全设施动作，来中止
12、或缓解事故的后果； 3)设置安全连锁，防止因操纵员误操作而造成事故工况； 4)对执行安全功能的设备进行故障诊断，保证它们的安全功能不受影响。,06.11.2020,20,1.3 压水堆反应性控制,在反应堆运行过程中，由于核燃料的不断消耗和裂变产物的不断积累，反应堆内的反应性就会不断减少； 反应堆功率变化也会引起反应性变化。 为使反应堆在运行过程中能补偿上述效应引起的反应性损失，反应堆的初始燃料装载量必须比维持临界所需的量多得多，使堆芯寿命初期具有足够的剩余反应性。 为补偿反应堆的剩余反应性，在堆芯内必须引入适量的可随意调节的负反应性。此种受控的反应性既可用于补偿堆芯长期运行所需的剩余反应性，也
13、可用于调节反应堆的功率水平，还可作为停堆手段。,06.11.2020,21,131 压水堆反应性效应,在压水堆引起反应性变化的主要是燃料、慢化剂和毒物。 1)燃料温度系数 温度效应是反应堆温度变化而引起反应性变化的效应，用温度系数度量。燃料反应性温度效应主要是由U238的共振吸收随温度变化引起的。燃料温度的上升导致燃料有效吸收截面增大，中子吸收增大，所以， U238的燃料温度系数总是负的。并且响应时间仅零点几秒。 2)慢化剂温度系数 慢化剂水的温度升高时，水膨胀，密度减小，慢化能力减弱，使反应性变小，故温度系数是负的。由于压水堆是载硼运行，温度升高时，硼毒作用将随硼密度减小而下降，使反应性增大
14、，故硼酸的反应性温度系数是正的，如果硼酸浓度足够大，慢化剂温度系数将变为正的。而压水堆在功率运行时，要求慢化剂温度系数是负的，该温度效应响应时间较长(约几秒)。因此，在反应堆温度效应反馈中起决定作用。,06.11.2020,22,3)慢化剂压力系数 在寿期开始时，慢化剂压力系数在慢化剂温度部分范围内是负的，约-6X10-7pcmPa，但在功率运行下常是正的，约+4.5X10-5pcmPa。由于压水堆允许压力波动范围小，且压力变化3.32X10-5Pa所引起的反应性变化仅相当于慢化剂温度变化0.5所引起的变化，故可忽略其影响。 4)慢化剂汽泡系数 慢化剂汽泡系数反响了慢化剂汽泡量变化引起的反应性
15、变化。该系数在局部沸腾时，从低功率时的50pcm%到功率运行时的250pcm%，并且随燃耗变得更负。由于压水堆不允许沸腾，因此，这个系数实际上不起作用。,06.11.2020,23,5)中毒效应 在核裂变过程中，生成了能吸收大量热中子的裂变碎片氙和钐等。氙和钐吸收大量热中子而引起反应性的变化，称为中毒效应。中毒过程较复杂，在一定频率范围内又可能引起氙振荡。由于振荡频率低，约为0.22周天，可手动控制消除。中毒的影响需要在功率变化几小时后才能明显表现出来，对功率调节系统的特性影响不大。,06.11.2020,24,132 压水堆固有的自稳自调特性,影响反应堆动态特性的主要因素是燃料温度系数和慢化
16、剂温度系数。压水堆温度系数总是设计成负的。这个内部负反馈作用使反应堆具有自稳自调特性。 所谓自稳性是指反应堆出现内、外扰动时，反应堆能维持原功率水平的特性。 例如，当反应堆引入一个正的反应性扰动pex时，反应堆中子通量将突然增加n ，燃料温度增加Tf ，慢化剂平均温度跟着增加Tavg ，由于温度效应产生一个负反应性，抵消了正反应性扰动的作用，最后，中子通量基本上能恢复到初始值。,06.11.2020,25,所谓自调性是指负荷变化时，反应堆自身能迅速达到热平衡。 汽轮机负荷功率P2一汽机转速N一汽机调节阀开度K一蒸汽流量Fs一蒸汽压力Ps和蒸汽温度Ts均都Tavg一反应性一中子通量n一燃料温度Ts 一Tavg 一反应性一反应堆功率与负荷要求一致。从而反应堆功率稳定在一个与负荷功率P2相一致的新的功率水平。,06.11.2020,26,133 反应性控制的功能要求及措施,通常把反应堆活性区中某一代中子数与前一代中子数之比称为反应堆的有效增殖系数，用Keff=1表示。显然，当Keff=1时，反应堆处于临界状态，功率水平不变；
