落棒試驗對控制棒狀態(tài)的監(jiān)測與預(yù)警

李 剛，柴偉東，張大勇，何慶瓊

（大亞灣核電運營管理有限責(zé)任公司技術(shù)部，廣東 深圳518124）

控制棒組件是控制反應(yīng)堆反應(yīng)性的設(shè)備，在正常運行時用于調(diào)節(jié)反應(yīng)堆功率，在事故工況下快速引入負(fù)反應(yīng)性，使反應(yīng)堆緊急停堆，保證核安全［1］。緊急停堆時，控制棒依靠重力快速落入堆芯。為了驗證控制棒是否能夠快速落入堆芯，每次換料大修或其他對堆芯幾何結(jié)構(gòu)有影響的活動之后，都需要在機(jī)組處于熱停堆或冷停堆狀態(tài)的額定流量下完成控制棒的落棒試驗，以檢查每束控制棒的落棒時間是否滿足驗收準(zhǔn)則。

1 落棒試驗簡介

控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)的密封殼體上部有控制棒棒位指示器的套管，它由磁性材料制成。套管外有測量棒位用的一次線圈和二次線圈。當(dāng)一次線圈未通電、控制棒在線圈中移動時會產(chǎn)生感應(yīng)電壓。

落棒試驗是通過快速記錄儀記錄控制棒在棒位探測器一次線圈內(nèi)移動時產(chǎn)生的感應(yīng)電壓和相應(yīng)控制棒的夾持銷爪線圈的電壓來實現(xiàn)的，并對記錄的曲線進(jìn)行分析、計算，從而得到相應(yīng)控制棒的落棒時間，其驗收準(zhǔn)則見表1。

表1 落棒時間的驗收準(zhǔn)則Table 1 The criteria of control rod drop time

落棒試驗中控制棒感應(yīng)電壓和夾持線圈電壓的一般變化曲線見圖1。在夾持線圈斷電之后，經(jīng)過一段極短的時間，控制棒開始下落，速度逐漸增大，控制棒在棒位探測器一次線圈中的感應(yīng)電壓也隨之逐漸升高。當(dāng)控制棒進(jìn)入緩沖段后，其速度迅速減小，感應(yīng)電壓也隨之迅速降低，接觸堆底后控制棒經(jīng)過數(shù)次反彈停在堆底，感應(yīng)電壓最終為0。

圖1 落棒試驗中控制棒感應(yīng)電壓和夾持線圈電壓的一般變化曲線Fig．1 The general curve of induced voltage of the control rod and current in stationary gripper coil

2 卡棒事件分析

2．1 事件介紹

2008年7月14日，大亞灣核電站2號機(jī)組主變壓器差動保護(hù)繼電器發(fā)生故障，導(dǎo)致差動保護(hù)誤動作，反應(yīng)堆自動停堆（簡稱7·14事件）。在控制棒下落過程中，溫度調(diào)節(jié)棒組（R棒組）中有2束控制棒未完全落入堆底，2束棒均卡在距堆底24步處，這2束棒徑向位置分別位于F10和K10。這是大亞灣和嶺澳核電廠發(fā)生的第1起卡棒事件。事件發(fā)生后，立即進(jìn)行停機(jī)搶修，開蓋對K10、F10進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)卡棒的原因是輻照腫脹造成的。此次停機(jī)搶修共耗時17 d，給大亞灣核電站帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

2．2 卡棒原因

從控制棒相關(guān)的設(shè)備或系統(tǒng)分析，可能造成控制棒卡棒的故障模式有：燃料組件變形；驅(qū)動機(jī)構(gòu)異物引起卡澀；燃料組件導(dǎo)向管內(nèi)異物引起卡澀；控制棒彎曲變形；控制棒輻照腫脹引起卡澀等。

2．3 外部經(jīng)驗反饋

根據(jù)法國電力公司（EDF）的反饋，每種故障模式在落棒試驗中都會表現(xiàn)出不同的圖線形狀?！?·14事件”中因輻照腫脹導(dǎo)致F10和K10控制棒卡棒，這類故障在落棒試驗中的表現(xiàn)形式如圖2中第4個棒束所示，腫脹的控制棒在進(jìn)入緩沖段后，由于卡澀下落到堆底的時間延長較多，T6長達(dá)720 ms，而其余3個棒束的T6均在500 ms左右，并且第4個棒束落到堆底后沒有反彈振蕩。

通過以上例子可以看出，根據(jù)分析落棒試驗數(shù)據(jù)可以及時發(fā)現(xiàn)控制棒的異常，并可根據(jù)落棒曲線的異常變化來判斷控制棒可能存在的故障，因此落棒試驗為控制棒的檢查和更換提供了重要依據(jù)。為了能夠提高對異常數(shù)據(jù)的敏感度和識別度，需要在落棒試驗中記錄更加全面和細(xì)化的數(shù)據(jù)。從EDF的反饋和現(xiàn)場試驗可以看出，落棒試驗只記錄T4、T5、T6，但對感應(yīng)電壓、振蕩次數(shù)等數(shù)據(jù)基本沒有關(guān)注過，而這些數(shù)據(jù)對于發(fā)現(xiàn)異常，判斷原因也起著重要作用。

圖2 控制棒落棒曲線（控制棒腫脹）Fig．2 The curve of control rod drop test（RCCA swelling）

2．4 歷史數(shù)據(jù)分析

對歷次大修的落棒試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。以大亞灣核電站2號機(jī)組（D2）的R2棒組為例：T5變化范圍最大不超過50 ms，相鄰2次試驗變化最大為30 ms（圖3），變化趨勢比較平穩(wěn)；T6變化范圍最大不超過60 ms，而相鄰2次試驗變化最大值出現(xiàn)在“7·14事件”前的D212大修，F(xiàn)10棒的T6值陡增51 ms（圖4），T6異常增大正是控制棒輻照腫脹的表現(xiàn)。由此可以看出，控制棒狀態(tài)的變化可以在落棒試驗數(shù)據(jù)中體現(xiàn)出來。如果對落棒試驗的數(shù)據(jù)進(jìn)行認(rèn)真分析比較，就有可能將控制棒的異常隱患及時排查出來，避免控制棒的故障缺陷進(jìn)一步惡化而帶來更大的損失。

圖3 D2機(jī)組R2棒組歷次落棒試驗T 5變化趨勢Fig．3 The T 5 trend of R2 rod group of Unit 2 of Daya Bay NPP in all previous tests

圖4 D2機(jī)組R2棒組歷次落棒試驗T 6變化趨勢Fig．4 The T 6 trend of R2 rod group of Unit 2 of Daya Bay NPP in all previous tests

3 落棒試驗數(shù)據(jù)處理

3．1 常規(guī)落棒試驗數(shù)據(jù)記錄與處理

過去落棒試驗數(shù)據(jù)的記錄與處理方式與EDF一樣，都是通過記錄儀自帶的打印機(jī)打印出紙質(zhì)版落棒曲線，再通過試驗人員手工畫線讀取落棒試驗各段時間，過程復(fù)雜、耗時長、占用人力多，而且在記錄紙上1 mm的距離就代表10 ms的時間，因此在讀取時間時不可避免地存在隨機(jī)誤差。另外，紙質(zhì)版記錄易損壞、丟失，不易長久保存，歷史數(shù)據(jù)也不易進(jìn)行對比分析。如果能夠通過一個落棒數(shù)據(jù)自動處理程序?qū)⒏鞫螘r間自動精確地計算出來，而且得到的電子版記錄數(shù)據(jù)可以更加方便且長久地保存下來，那將會為以后的數(shù)據(jù)對比分析提供非常大的便利。

3．2 自動化計算程序

（1）程序結(jié)構(gòu)

根據(jù)落棒試驗各段時間的計算原理編寫了落棒數(shù)據(jù)自動化處理程序，各段時間均由夾持線圈電壓和控制棒感應(yīng)電壓的變化情況來決定。程序基本框圖見圖5。

圖5 自動計算程序結(jié)構(gòu)框圖Fig．5 The structure block of automatic calculation program

（2）軟件界面

基于Perception軟件的落棒試驗軟件界面及控制棒落入堆底后的震蕩曲線見圖6。4個棒束的感應(yīng)電壓和線圈電壓共8條曲線可同時記錄在一個顯示界面中，便于進(jìn)行對比分析；程序自動計算的結(jié)果（包括T4、T5、T6、V5max、Cwave等）可直接顯示在右側(cè)數(shù)據(jù)表中，非常直觀方便。

圖6 基于Perception的落棒試驗軟件界面Fig．6 The software interface of control rod drop test based on Perception

（3）計算結(jié)果驗證

將以前落棒試驗的數(shù)據(jù)代入計算程序后，發(fā)現(xiàn)每臺機(jī)組的每個棒組的落棒數(shù)據(jù)都有各自不同的特點。根據(jù)不同棒組數(shù)據(jù)的特點添加了自動邏輯判斷語句，使得落棒試驗的數(shù)據(jù)更加精確。

將D113／D213／L107／L206／L207／L108／D214各次大修落棒數(shù)據(jù)與手工計算出的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，二者最大偏差在20 ms以內(nèi)，平均偏差在3 ms以內(nèi)，表明該計算程序既滿足了4臺機(jī)組所有棒組的通用性，又保證了計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

以L206大修落棒試驗數(shù)據(jù)為例，通過全部61組棒束的數(shù)據(jù)驗證，計算程序可以在短時間內(nèi)計算出T4、T5、T6，程序計算結(jié)果與原來人工畫線計算得到的結(jié)果基本一致，全部棒組T4／T5／T6平均值偏差在±2 ms左右，T5＋T6平均值偏差為3．1 ms，與各項限值相比偏差非常小。利用該程序首次對控制棒最大感應(yīng)電壓及控制棒在緩沖器內(nèi)的振蕩次數(shù)等數(shù)值進(jìn)行了計算統(tǒng)計。該計算程序為落棒試驗數(shù)據(jù)自動化處理提供了有力支持，更重要的是為控制棒的異常預(yù)警和故障分析提供了更加全面的參考依據(jù)。

4 落棒試驗數(shù)據(jù)處理改進(jìn)后的優(yōu)點

相比過去的試驗數(shù)據(jù)處理方法，該自動化計算程序應(yīng)用于落棒試驗后有以下幾個優(yōu)點：

（1）提供了更加全面的控制棒落棒數(shù)據(jù)，該程序不僅可以計算出控制棒落棒過程中的各段時間和控制棒感應(yīng)電壓、振蕩次數(shù)等數(shù)據(jù)，而且還能根據(jù)不同的需求任意添加語句，得到更全面的數(shù)據(jù)，為控制棒的異常預(yù)警、故障判斷、原因分析提供更有力的幫助。

（2）將試驗數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，如果發(fā)現(xiàn)有異常變化，可以根據(jù)這些異常數(shù)據(jù)對控制棒的狀態(tài)進(jìn)行初步分析，判斷控制棒可能出現(xiàn)哪一類的問題（例如T6異常增大可能是燃料組件變形或控制棒腫脹導(dǎo)致），并及時向相關(guān)專業(yè)提出預(yù)警信息，建議在下次大修中對出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)的棒組進(jìn)行重點檢查，防止缺陷進(jìn)一步惡化。

（3）試驗數(shù)據(jù)便于保存和對比。將試驗數(shù)據(jù)的保存介質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮佑涗?，為試驗?shù)據(jù)的保存、歷史數(shù)據(jù)的查閱、各次試驗數(shù)據(jù)的對比分析，以及控制棒異常信息的判斷和預(yù)警都提供了極大的便利。

（4）提高了落棒時間的精確性。原方法在記錄紙上畫線時精確度不夠，在讀取時間時不可避免地存在隨機(jī)誤差，而在計算程序中則不存在這些誤差，精確性得以大大提高。

（5）節(jié)約了大修關(guān)鍵路徑時間和試驗人員數(shù)量。原方法要得到落棒時間需經(jīng)過采集數(shù)據(jù)——打印記錄紙——畫線——讀取過程，所需時間為5～10 min；而現(xiàn)在從采集數(shù)據(jù)到導(dǎo)入數(shù)據(jù)再到計算落棒時間，計算機(jī)只需十幾秒，大大節(jié)約了大修關(guān)鍵路徑時間，另外也可節(jié)約畫線讀數(shù)方面的試驗人員數(shù)量。

5 結(jié)束語

落棒試驗作為一項針對控制棒安全性能的試驗，對堆芯的安全保護(hù)功能起著重要的作用。改進(jìn)后的落棒試驗增加了檢查項目，豐富了落棒試驗的內(nèi)容，為控制棒狀態(tài)的監(jiān)測和預(yù)警提供了一種新的思路、方法及手段，為控制棒的檢查和更換提供了重要依據(jù)。

［1］ 蘇林森，等 ．900MW壓水堆核電站系統(tǒng)與設(shè)備［M］．北京：原子能出版社，2007．