核电厂仪表与控制

核电厂仪表与控制
压水堆核电厂操纵人员基础理论培训系列教材
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核电厂仪表与控制系统概述 自动控制与调节基本常识 核电厂反应堆功率检测仪表 核电厂过程参数检测仪表 核电厂反应堆控制系统 反应堆冷却机系统过程参数的控制 二回路过程参数的控制 汽轮机的控制和保护 反应堆保护系统 集散控制系统简述 核电厂控制室和信息系统
三、核电厂反应堆功率检测仪表
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1、核功率测量原理 ①核功率测量的特点是量程宽、响应快。通过中子注量率的测量可以方便地获取反应堆 功率、功率的变化率和功率分布的信息。有利于操纵人员监视反应堆的瞬变状态和越线 快速报警，还可以迅速地为功率调节系统和保护系统提供必要的信息。 ②核功率与热功率 反应堆的热功率，就是由反应堆燃料提供给冷却剂的总功率。 可用下式表示：
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③自动控制系统的类型： 1）恒值调节系统——这类系统的任务是维持被控制量等于一个给定的常值。该类系统需 要克服的是各种能使被控制量偏离给定值的扰动。控制的作用就是在有扰动输人时,尽快 使被控制量恢复到等于给定值。 2）随动系统——随动系统的给定值是一个不能预知的随时间变化的量,系统的任务是保 证被控制量以一定的精度跟随输人量的变化而变化。 3）程序控制系统——这类系统的输人量是一个已知的时间函数。系统的任务是使输出量 以一定的精度随输人量的变化而变化。 4）过程控制系统——当控制系统的输出量是温度、压力、流量、液位或pH值等一些变 量时,则称为过程控制系统。
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2、自动控制系统的性能特性 ①稳定性：稳定性是系统能够工作的重要条件。系统在扰动作用下，其输出要偏离原平 衡状态，产生偏差。当扰动消除后，经过一段时间，如果偏差能消除，则系统是稳定 的。否则就是不稳定的。 ②阶跃响应的几个动态性能指标： 1）最大动态偏差和超调量 2）调节时间（过渡过程时间） 3）衰减比和衰减率 ③静态误差：系统的时间响应结束后，被控制参数达到的稳定值与给定值之间的偏差， 成为静态误差，也叫稳态误差。 3、物理系统的数学模型 系统动态特性的数学表达式，叫做系统的数学模型。
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5、复杂控制系统 复杂控制系统的种类有很多。下面仅就在压水堆上可能用到的串级控制和前馈控制作个 简要介绍。 ①串级控制系统 1）能快速消弱进入复回路干扰的影响。在设计串级控制系统是，应设法让主要干扰进入 点位于副回路之内； 2）能改善整个系统的动态特性及消除进入主、副回路干扰的影响。 ②前馈控制系统 前馈控制的原理是，当系统受到扰动时，立即从扰动作用取得信息，并以此通过控制器 产生控制作用，以消除扰动对被控制量的影响。这种控制作用成为前馈控制。
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2、核电厂仪表与控制系统的工作特点 ①传感器的工作环境恶劣： 核电厂所用的传感器，要考虑到中子和 γ 射线辐射对材料的影响和辐射发热等问题。 ②设置有安全系统： 为确保核电厂安全的运行，在设计、制造、安装、调试等阶段都有相应的质量保证措施 ，要求保护系统要有手动触发保护的功能，要遵守单一故障准则、故障安全准则，并具 有可实验性和可维修性。 ③核测量仪表的特殊性： 1）核探测器输出信号幅值低,现场干扰大,常需要采用一些特殊措施以提高信噪比。 2）多数核探测器都有很高的内阻,可以把它看成一个电流源。要求测量电路具有高的输 入阻抗。 3）要测量的中子注量率范围宽,用一种探测器和测量电路难于满足要求,须采用多种探测 器。 4）信号电缆长,工作环境恶劣,要求具有耐高温、抗辐照、抗干扰、低噪声和高绝缘等特 性。
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6、计算机控制系统 ①计算机控制系统的基本组成 计算机控制系统的基本组成有计算机系统、被控对象、检测装置和执行器。 ②直接数字控制系统 直接数字控制系统（Direct Digital Control），简称DDC系统。
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计算机系统控制（DDC）的优点是,易于实现各种复杂的控制规律及特殊的控制算法,编程 灵活。当控制要求发生变化时,可通过修改程序适应变化情况,而不需过多改动硬件结构。 DDC系统除了具有上述优点以外、它的特点是,因为它采用集中检测,集中控制的方式。使 控制系统发生事故的风险也被高度集中。即使是系统某个局部发生故障,也可能导致整个 系统功能失效。 ③集散控制系统 集散控制系统又称分布式控制系统( Distributed Control System，DCS ) ,该系统以网络 为基础,采用分布式结构,将控制功能分散,而把操作管理和显示功能集中。
④正比计数管
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⑤微型裂变室 微型裂变室也成裂变电离室。它由两个同轴密封原金属筒包壳和一个中心电极组成。
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压水堆上，用于堆芯中子注量率测量的微型裂变室厂为66mm，外径为4.7mm，灵敏体 长度为27mm。它和导电两用的同轴电缆相连接。
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3、自给能种子探测器
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经中子注量率辐照t时间后，探测器的输出是：
一、核电厂仪表与控制系统概述
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1、核电厂仪表与控制系统的组成和功能 ①系统的组成： 压水堆核电厂主要由核反应堆、一回路系统、二回路系统和其他辅助系统组成。 压水堆核电厂主要的测量系统有：核仪表系统、堆芯中子注量率测量系统、反应堆堆芯 温度测量系统、反应堆堆芯水位测量系统、控制棒棒位测量系统、汽轮机监测系统、电 厂辐射监测系统以及压力测量系统、硼浓度的测量系统、机械位移、转速和振动的测量 系统等。 压水堆核电厂主要的控制系统有：反应堆功率调节系统、冷却剂平均温度调节系统、化 学和容积控制系统、汽轮机调节系统、蒸汽旁路排放控制系统、稳压器压力调节系统、 稳压器水位调节系统、蒸汽发生器水位调节系统、给水流量调节系统、发电机励磁调节 系统和除氧器调节系统等。 ②系统的功能： 监视功能——操纵人员通过仪表显示，可全面了解核电厂运行状况； 控制功能——主要包括反应堆控制系统、蒸汽旁路排放控制系统、稳压器压力和液位调 节系统、蒸汽发生器水位调节系统、汽轮机调节系统； 保护功能——当某些运行参数超过安全整定值时，立即触发反应堆保护系统，停闭反应 堆。
闭环控制系统受到两种输人信号的作用,即有用信号(给定值)和干扰信号的 作用。有用输入信号决定系统被控制量的变化规律。扰动输入信号可以作用于 系统的任何部位。扰动唁号是使被控制量偏离其给定值的信号,它是难以避免且 有害的。通常所说系统的输人信号是指有用信号。 一般闭环控制系统也叫反馈控制系统,它的方框图如图所示。
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4、堆芯外核功率测量系统 ①各量程的测量范围及探测器的分布
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②堆芯外核功率测量系统的功能和组成 其功能是： 1）向操作人员提供反应堆装料、停堆、启动和功率运行等各种工况下的反应堆功率、功 率变化率和功率分布的信息； 2）给棒控制系统提供功率信号和封锁信号； 3）向保护系统提供功率信号和闭锁信号； 4）给松动部件和振动监测系统提供种子噪声信号。
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②PID调节器 在过程控制系统中,调节器采用的基本调节规律有比例(Proportioner)、积分（ Integrator和微分(Differentiator)简称PID调节器。在比例调节的基础上,通过比例与积分 和微分不同的组合,即可得到几种不同的调节规律。 ③调节器的选择 要考虑被控过程特性、扰动特点、负荷变化情况、生产工艺要求以及经济性、操作维修 等因素,最终结果还要通过工程实践检验。选择调节规律的基本原则有: 1)比例调节 比例调节只有一个调节参数,整定简便,缺点是系统存在静态误差。对滞后时间小、外部干 扰小、负荷变化不大、允许有静差的系统,可以选用比例调节。 2)比例积分调节 此种调节既能消除静差,叉能加怏动态响应,是使用最多的调节规律。常用于流量和压力调 节系统和要求较高的液位控制系统。 3)比例微分调节 由于微分作用提高了系统的稳定性,这样可以适当提高比例放大系数Kp， 加快调节过程, 减小误差。用于要求动态偏差和稳态误差小的系统。在有高频干扰的场合,不能使用微分 调节。 4)比例积分微分调节 PID调节综合了上述各种调节规律的优点,对负荷变化大、滞后时间长、控制品质要求高 的控制对象均能适用。但是,对于被控对象滞后时间很大、负荷变化剧烈、频繁的被控过 程,采用PID调节还达不到控制要求时,则应选择复杂控制系统。
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2、气体探测器 ①气体探测器的工作原理 气体探测器是一个圆柱形内部充气的密闭容器,容器内有两个相互绝缘的电极,金属圆筒是 阴极,圆筒中心的金属丝是阳极,两极之间加有直流高压。当带电粒子,如α粒子在穿过容器 内的气体时,可以使其电离产生自由电子和正离子即离子对。离子对在极间电场的作用下 输出电信号,可以被测量。信号大小能反映粒子能量的强弱。 ②涂硼电离室 圆柱形涂硼电力室由高压电极、收集电极、绝缘体、外壳和保护环等组成。他是一个密 封的筒形容器，容器内冲有以氮气为主的混合气体（1%氦+6%氮+93%氩），电极表面 涂有硼（10B）。工作时两极之间加有直流电压。 主要性能指标： 1）热中子灵敏度 2）γ 灵敏度 3）坪斜（在中子注量率一定时，电离室的输出电流随外加电压的增大有小的变化，这个 电流缓慢变化的电压区域称为饱和区，也称坪。） ③ γ 补偿电离室 （结构图见下页）
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3、核电厂仪表与控制系统的安全分级 ①安全及设备： 安全级（简称1E级）的仪表及其供电设备，是完成反应堆安全停堆、安全壳隔离、堆芯 冷却以及从安全壳核反应堆排出热量所必需的，或者是防止放射物质向环境过量排放所 必需的。 ②安全有关的设备： 安全有关的设备（简称SR),在实现或保持和电厂安全方面其补充、支持或间接地作用， 因此有可能避免触发安全及系统和设备，也可能避免或缓解假定始发事件的后果，或者 改善安全及设备功能的效果。 ③非安全重要设备： 非安全重要（简称NS）仪表及其供电设备，在实现或保持电厂安全方面无明显作用。