CPR1000棒控棒位系統(tǒng)性能試驗(yàn)研究及開發(fā)

賴厚晶 陳衛(wèi)華 姚立民 鐘立平 李亞堅(jiān) 劉 琢

(中廣核工程有限公司，廣東 深圳 518124)

0 引言

在核電站中，棒控棒位系統(tǒng)用于提升、插入，以及保持和監(jiān)視反應(yīng)堆內(nèi)各控制棒的位置，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆的啟堆、停堆和穩(wěn)定運(yùn)行。為了檢查和驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)備的可用性，確保系統(tǒng)功能得以正確實(shí)現(xiàn)，在電站的調(diào)試以及運(yùn)行維護(hù)階段，需要對(duì)棒控棒位系統(tǒng)定期進(jìn)行性能試驗(yàn)。本文通過對(duì)CPR1000機(jī)組棒控棒位系統(tǒng)性能試驗(yàn)設(shè)備的說明，及其與傳統(tǒng)試驗(yàn)方法的對(duì)比表明，該設(shè)備能夠有效地縮短電站棒控棒位系統(tǒng)在建造階段的調(diào)試周期及運(yùn)營階段的維護(hù)時(shí)間，給電站的調(diào)試及運(yùn)行維護(hù)帶來了極大的便利。

1 性能試驗(yàn)原理

通常，棒控棒位系統(tǒng)定期試驗(yàn)包括棒位測(cè)量通道檢查試驗(yàn)、功率棒標(biāo)定試驗(yàn)、控制棒可用性試驗(yàn)、SD棒功能試驗(yàn)等［1－2］。CPR1000棒控棒位系統(tǒng)性能試驗(yàn)設(shè)備可以高效地完成3個(gè)定期的性能試驗(yàn)，即落棒時(shí)間試驗(yàn)、控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(control rod drive mechanism，CRDM)動(dòng)作性能試驗(yàn)和棒位探測(cè)器線性試驗(yàn)。以下分別對(duì)這3個(gè)性能試驗(yàn)進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1.1 落棒試驗(yàn)原理

在每一次換料大修之后或在其他對(duì)堆芯的幾何結(jié)構(gòu)有影響的操作之后，機(jī)組處于熱停堆或冷停堆狀態(tài)時(shí)，須在額定流量下完成控制棒的落棒試驗(yàn)，以檢查每束控制棒的落棒時(shí)間是否滿足驗(yàn)收準(zhǔn)則。

1.1.1 落棒試驗(yàn)方法

通過主控室操作，將被測(cè)棒組提升至堆頂，然后斷開控制該棒組的電源控制柜的供電開關(guān)，被測(cè)棒組的8束控制棒隨即掉落至堆芯底部。在落棒過程中，采集的信號(hào)有:①被測(cè)棒組的8束控制棒的棒位探測(cè)器原邊線圈的電壓;② 電源控制柜保持線圈的電流(以電壓形式表示)。

記錄保持線圈電流波形是為了測(cè)量從保持線圈電流斷開、電流下降至33%到控制棒開始運(yùn)動(dòng)之間的時(shí)間。因電磁感應(yīng)，落棒過程會(huì)導(dǎo)致該棒束的棒位探測(cè)器原邊線圈的感應(yīng)電壓發(fā)生變化。在控制棒下落過程中，該感應(yīng)電壓將會(huì)增加，直至棒束下落到堆芯底部緩沖器。當(dāng)棒束下落到緩沖器時(shí)，感應(yīng)電壓將會(huì)迅速減小至接近零。

1.1.2 落棒時(shí)間驗(yàn)收準(zhǔn)則

在落棒試驗(yàn)中，記錄的棒位探測(cè)器原邊線圈電壓信號(hào)波形如圖1所示。

圖1 落棒時(shí)間曲線Fig.1 Curve of rod drop time

落棒時(shí)間需要滿足的條件如表1所示。表1中，N為試驗(yàn)棒總數(shù)。

表1 落棒時(shí)間準(zhǔn)則Tab.1 Criteria of rod drop time

1.2 CRDM性能試驗(yàn)原理

在調(diào)試階段，為了驗(yàn)證控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(CRDM)能夠按照規(guī)定時(shí)序進(jìn)行動(dòng)作，需要進(jìn)行CRDM性能試驗(yàn)。在運(yùn)營階段的機(jī)組大修期間，與CRDM相關(guān)的檢修活動(dòng)結(jié)束之后，需要對(duì)CRDM性能進(jìn)行再鑒定，以保證CRDM動(dòng)作正常。

1.2.1 CRDM 性能試驗(yàn)方法

在被測(cè)子棒組提升或者下插過程中，CRDM性能試驗(yàn)需采集的信號(hào)有:①位于反應(yīng)堆廠房的麥克風(fēng)聲音信號(hào);②被測(cè)子棒組的電源控制柜的保持線圈(SG)、移動(dòng)線圈(MG)和提升線圈(LC)的電流。

通過記錄3個(gè)線圈的電流，可驗(yàn)證電流是否在允許誤差范圍內(nèi)。在控制棒動(dòng)作時(shí)，位于CRDM吊耳的麥克風(fēng)采集CRDM動(dòng)作產(chǎn)生的聲音信號(hào)。將其與CRDM動(dòng)作時(shí)3個(gè)線圈的電流波形進(jìn)行對(duì)比，可定義各個(gè)動(dòng)作點(diǎn)，從而驗(yàn)證CRDM動(dòng)作是否正常。

1.2.2 CRDM 性能試驗(yàn)準(zhǔn)則

被測(cè)子棒組的電源控制柜的保持線圈(SG)、移動(dòng)線圈(MG)和提升線圈(LC)的電流需滿足以下要求。

① 電流大小:SG全電流為(8±0.3)A，SG半電流為(4.7 ±0.2)A;MG 全電流為(8 ±0.3)A，MG 半電流為(4.7 ±0.2)A(雙夾持);LC 全電流為(41.6 ±1.6)A，LC 半電流為(16±0.6)A。

②電流時(shí)序。800 ms周期提升時(shí)序如圖2所示。圖2中，F(xiàn)C表示全電流、RC表示半電流、ZC表示零電流。

圖2 800 ms周期提升時(shí)序Fig.2 Withdrawal sequence of 800 ms period

800 ms周期下插時(shí)序以及停堆后第一步提升時(shí)序如表2所示。

表2 下插時(shí)序以及第一步提升特殊時(shí)序Tab.2 Insertion sequence and the 1st step particular withdrawal sequence

1.3 棒位探測(cè)器線性試驗(yàn)原理

棒位探測(cè)器線性試驗(yàn)是在調(diào)試及大修期間，經(jīng)過棒位處理模塊MCP22的閾值電壓調(diào)整以及電源模塊MCP10的電流調(diào)整后，對(duì)棒位探測(cè)器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能和靜態(tài)測(cè)量線性度進(jìn)行檢查，并在必要時(shí)對(duì)MCP22閾值電壓作進(jìn)一步調(diào)整。

1.3.1 MCP22 調(diào)整試驗(yàn)

調(diào)整次邊線圈閾值電壓的設(shè)定值如表3所示。

表3 MCP22閾值電壓設(shè)定值Tab.3 Set points of MCP22 threshold voltage

1.3.2 MCP10 調(diào)整試驗(yàn)

控制棒位于0步時(shí)，將MCP10電流調(diào)整至1.45 A;控制棒位于160步時(shí)，將MCP10電流調(diào)整至1.6 A。

1.3.3 動(dòng)態(tài)運(yùn)行試驗(yàn)

對(duì)于控制棒，采用校正2模式(功率棒用校正1模式)，以72步/min的最快速度將試驗(yàn)子棒組提升至225步，然后下插至5步。在提、插棒期間，注意觀察試驗(yàn)子棒組的顯示模塊MCP30。當(dāng)棒位顯示由一個(gè)燈向上/下一個(gè)燈切換時(shí)，沒有閃爍和跳躍現(xiàn)象，則確認(rèn)顯示切換是一次性穩(wěn)定進(jìn)行的;若發(fā)現(xiàn)切換時(shí)燈閃爍跳躍，則記錄相應(yīng)的命令棒位和MCP30燈號(hào)。在完成一次提、插棒循環(huán)后，對(duì)相應(yīng)的MCP22閾值電壓進(jìn)行調(diào)整。隨著數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用，動(dòng)態(tài)線性試驗(yàn)的方法也有所變化。

1.3.4 靜態(tài)線性試驗(yàn)

同理，采用校正2模式(功率棒用校正1模式)，將試驗(yàn)子棒組提升至225步，然后下插至5步。在此過程中記錄被測(cè)子棒組各棒的棒位指示燈切換時(shí)所對(duì)應(yīng)的需求棒位。將棒連續(xù)插回5步并作同樣的記錄。同時(shí)對(duì)另一子棒組做同樣的操作和記錄。重復(fù)上述各步，直至完成其他指定子棒組的靜態(tài)線性度檢查。若發(fā)生MCP30指示燈切換時(shí)閃爍或跳躍現(xiàn)象，或最大誤差(線性度)越界，則對(duì)MCP22進(jìn)行調(diào)整。

1.3.5 靜態(tài)線性試驗(yàn)準(zhǔn)則

①提棒過程最大誤差的計(jì)算

負(fù)誤差:某指示燈亮?xí)r的實(shí)際切換棒位(Sw，n)－該指示燈代表的理論棒位。正誤差:［某指示燈滅時(shí)(即其上一個(gè)指示燈亮?xí)r)的實(shí)際切換棒位(Sw，n+1)－1］－該指示燈代表的理論棒位。

②插棒過程最大誤差的計(jì)算

正誤差:某指示燈亮?xí)r的實(shí)際切換棒位(Si，n)－該指示燈代表的理論棒位。負(fù)誤差:［某指示燈滅時(shí)(即其下一個(gè)指示燈亮?xí)r)的實(shí)際切換棒位(Si，n－1)+1］－該指示燈代表的理論棒位。最大誤差(即線性度)不得超過(+5，－6)步或(+6，－5)步。當(dāng)因MCP30指示燈非平穩(wěn)切換而需重調(diào)MCP22 A通道閾值電壓時(shí)，允許最大誤差不超過(+7，－4)步。

2 CPR1000棒控棒位性能試驗(yàn)系統(tǒng)

隨著核電站全廠數(shù)字化控制系統(tǒng)的引入，CPR1000棒控棒位系統(tǒng)也實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化控制。為與棒控棒位系統(tǒng)數(shù)字化相匹配，提高性能試驗(yàn)的效率，CPR1000在建機(jī)組開發(fā)了一套全自動(dòng)、高集成化的性能試驗(yàn)設(shè)備［3－4］。

2.1 測(cè)試臺(tái)架

2.1.1 測(cè)試臺(tái)架硬件

測(cè)試臺(tái)架是一個(gè)由24U標(biāo)準(zhǔn)19英寸(1英寸=25.4 mm)機(jī)架組成的機(jī)柜，外觀尺寸為1380 mm(H)×600 mm(W)×800 mm(D)，裝有活動(dòng)小輪，使用非常靈活方便。測(cè)試臺(tái)架主要由計(jì)算機(jī)及打印機(jī)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、接口機(jī)架、連接板件和供電板件組成。

①計(jì)算機(jī)及打印機(jī)運(yùn)行測(cè)試臺(tái)架軟件，執(zhí)行測(cè)試命令，并提供人機(jī)接口，打印試驗(yàn)結(jié)果。

②數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由集成在中央處理單元的NI板件組成，用于采集8個(gè)模擬量信號(hào)(棒位探測(cè)器的原邊線圈電壓或麥克風(fēng)聲音信號(hào))和1個(gè)數(shù)字信號(hào)(多路選擇器信號(hào))，以及24個(gè)CRDM線圈電流信號(hào)。

③接口機(jī)架主要由輸入、輸出卡件組成，輸入來自連接板件的信號(hào)，并將這些信號(hào)輸出至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

④連接板件提供與棒控電源柜、通信盒等外部設(shè)備連接的接插件。

⑤供電板件主要由開關(guān)板組成，為測(cè)試臺(tái)架供電，并提供START/STOP命令按鈕，以及供電狀態(tài)的顯示。

2.1.2 測(cè)試臺(tái)架軟件

測(cè)試臺(tái)架使用英文界面，在Windows XP Pro操作系統(tǒng)下運(yùn)行，應(yīng)用軟件包括NI卡件的驅(qū)動(dòng)軟件以及測(cè)試臺(tái)架應(yīng)用軟件，可執(zhí)行CRDM性能試驗(yàn)、落棒試驗(yàn)和棒位探測(cè)器線性試驗(yàn)。對(duì)于每一試驗(yàn)，操作人員可通過軟件進(jìn)行采集更新，對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并打印試驗(yàn)報(bào)告。如試驗(yàn)結(jié)果超出準(zhǔn)則，軟件會(huì)自動(dòng)報(bào)警。為便于操作人員熟悉操作，人機(jī)接口與棒控棒位系統(tǒng)服務(wù)單元界面應(yīng)保持一致。

當(dāng)開啟計(jì)算機(jī)后，應(yīng)用軟件程序自動(dòng)啟動(dòng)，系統(tǒng)未設(shè)置登錄以及密碼輸入界面。當(dāng)軟件運(yùn)行后，會(huì)出現(xiàn)操作主界面，操作人員可在該界面中選擇要執(zhí)行的試驗(yàn)。總體來說，軟件操作界面友好、簡單易學(xué)，試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)以及分析曲線可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整，操作非常方便。

2.2 麥克風(fēng)組件

這里使用的麥克風(fēng)組件與大亞灣、嶺澳一期使用的麥克風(fēng)組件功能相同。在進(jìn)行CRDM性能試驗(yàn)時(shí)，將61個(gè)麥克風(fēng)固定在CRDM的吊耳處，以采集CRDM動(dòng)作時(shí)的聲音信號(hào)。

2.3 通信盒及電話

這里使用的通信盒及電話與大亞灣、嶺澳一期使用的設(shè)備功能基本相同，主要用于不同廠房之間的電話通信以及信號(hào)傳輸;區(qū)別在于從核島廠房到連接廠房增加了多路選擇器的控制信號(hào)。

2.4 就地控制箱及遠(yuǎn)程控制箱

與大亞灣、嶺澳一期相比，核島廠房增加了1個(gè)就地控制箱，連接廠房增加了1個(gè)遠(yuǎn)程控制箱。操作人員在連接廠房即可選擇所試驗(yàn)棒組的麥克風(fēng)信號(hào)或棒位探測(cè)器原邊線圈電壓信號(hào)，無需在一組棒組試驗(yàn)完成后到核島廠房進(jìn)行試驗(yàn)棒組的手動(dòng)切換。這不僅為試驗(yàn)人員帶來了極大的便利，而且減少了核島操作給試驗(yàn)人員帶來的輻射劑量。

2.5 延伸板

延伸板可安裝在棒位處理機(jī)柜的電源模塊(MCP10)以及編碼模塊(MCP22)的卡槽位置。在進(jìn)行棒位探測(cè)器線性試驗(yàn)時(shí)，將試驗(yàn)棒組的棒束所對(duì)應(yīng)的MCP10/MCP22模塊拆卸下來，將延伸板安裝在其卡槽內(nèi)，再將MCP10/MCP22模塊插在延伸板上，從而輸出試驗(yàn)所需的信號(hào)。

2.6 性能試驗(yàn)系統(tǒng)組成

綜上所述，性能試驗(yàn)系統(tǒng)由1個(gè)測(cè)試臺(tái)架、61個(gè)麥克風(fēng)組件、4個(gè)通信盒及電話、1個(gè)就地控制箱、1個(gè)遠(yuǎn)程控制箱和8個(gè)延伸板組成，通過通信及控制電纜與控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、棒位探測(cè)器、棒位測(cè)量柜以及棒控電源柜連接。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 性能試驗(yàn)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Overall architecture of the performance test system

3 CPR1000棒控棒位性能試驗(yàn)方法

操作人員使用性能試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)，通過電話與主控室的操縱員配合，在連接廠房內(nèi)即可完成所有試驗(yàn)［5－6］。以下介紹該系統(tǒng)的試驗(yàn)方法及步驟。

3.1 落棒試驗(yàn)

采用性能試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行落棒試驗(yàn)，最多可選擇1組棒組，也就是2個(gè)子組棒束同時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)，可采集8個(gè)棒位探測(cè)器原邊線圈電壓以及8個(gè)CRDM保持線圈電流。落棒試驗(yàn)步驟如下。

①將試驗(yàn)棒組的MCP10模塊的旋鈕打到“PRIMARY OPEN”位置，連接 MCP10、電氣廠房通信盒、連接廠房通信盒、測(cè)試臺(tái)架間的電纜。測(cè)試臺(tái)架通過該電纜采集棒位探測(cè)器原邊線圈電壓信號(hào)。

②連接測(cè)試臺(tái)架與棒控電源柜間的電纜，可采集CRDM保持線圈電流信號(hào)。

③電話通知位于主控室的操縱員將試驗(yàn)棒組提升到堆頂。

④開啟測(cè)試臺(tái)架，啟動(dòng)落棒試驗(yàn)程序。

⑤將位于連接廠房的相應(yīng)的棒控電源柜的供電開關(guān)斷開，棒束自由落下。

⑥關(guān)閉落棒試驗(yàn)程序，打印結(jié)果或?qū)⒔Y(jié)果存儲(chǔ)在磁盤內(nèi)。

3.2 CRDM 性能試驗(yàn)

采用性能試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行CRDM性能試驗(yàn)，最多可選擇1組棒組，也就是2個(gè)子組棒束同時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)，可采集8個(gè)麥克風(fēng)聲音信號(hào)，8個(gè)CRDM保持線圈電流、8個(gè)CRDM移動(dòng)線圈電流以及8個(gè)CRDM提升線圈電流信號(hào)。試驗(yàn)步驟如下。

①在核島廠房，將61個(gè)麥克風(fēng)夾在CRDM吊耳處。連接就地控制箱、核島廠房通信盒、連接廠房通信盒、測(cè)試臺(tái)架之間的電纜。測(cè)試臺(tái)架通過該電纜采集8個(gè)麥克風(fēng)聲音信號(hào)。

②連接就地控制箱、核島廠房通信盒、連接廠房通信盒、測(cè)試臺(tái)架之間的電纜。試驗(yàn)棒組選擇控制信號(hào)并通過該電纜傳輸。

③連接棒控電源柜、測(cè)試臺(tái)架之間的電纜，測(cè)試臺(tái)架通過該電纜傳輸CRDM線圈電流信號(hào)。

④開啟測(cè)試臺(tái)架，選擇CRDM性能試驗(yàn)程序，電話通知位于主控室的操作員需進(jìn)行試驗(yàn)的棒組、動(dòng)作方向及命令棒位。

⑤關(guān)閉CRDM性能試驗(yàn)程序，打印結(jié)果或?qū)⒔Y(jié)果存儲(chǔ)在磁盤內(nèi)。

3.3 棒位探測(cè)器線性試驗(yàn)

采用性能試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行棒位探測(cè)器線性試驗(yàn)，最多可選擇1組棒組，也就是2個(gè)子組棒束同時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)，可采集8根控制棒束測(cè)量棒位以及2個(gè)子組需求棒位。試驗(yàn)步驟如下。

① 調(diào)整 MCP22、MCP10。

②將測(cè)試臺(tái)架通過RJ45光纜與連接廠房內(nèi)控制邏輯柜的服務(wù)單元相連，實(shí)現(xiàn)測(cè)試臺(tái)架與棒控棒位系統(tǒng)服務(wù)單元網(wǎng)絡(luò)的連接。

③開啟測(cè)試臺(tái)架，選擇棒位探測(cè)器線性試驗(yàn)程序，電話通知位于主控室的操作員，將S試驗(yàn)棒組以一定的棒速從堆底進(jìn)行提升或從堆頂進(jìn)行下插動(dòng)作。

④通過服務(wù)單元或主控室觀察測(cè)量棒位在提升和下插過程中是否正確動(dòng)作，以驗(yàn)證棒位探測(cè)器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。如果動(dòng)作不正確，進(jìn)一步調(diào)整MCP22。

⑤測(cè)試臺(tái)架自動(dòng)記錄測(cè)量棒位跳轉(zhuǎn)時(shí)刻的需求棒位，以驗(yàn)證棒位探測(cè)器的靜態(tài)響應(yīng)。

⑥關(guān)閉CRDM性能試驗(yàn)程序，打印結(jié)果或?qū)⒔Y(jié)果存儲(chǔ)在磁盤內(nèi)。

4 CPR1000棒控棒位性能試驗(yàn)系統(tǒng)特點(diǎn)

棒控棒位性能試驗(yàn)比較如表4所示。

表4 棒控棒位性能試驗(yàn)比較Tab.4 Comparison of rod control and rod position performance tests

由表4可知，由于數(shù)字化及計(jì)算機(jī)技術(shù)的使用，與嶺澳一期相比，CPR1000棒控棒位性能試驗(yàn)系統(tǒng)大大簡化了性能試驗(yàn)的步驟，增強(qiáng)了參數(shù)設(shè)置的靈活性，方便了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并提高了試驗(yàn)效率及準(zhǔn)確性。

5 結(jié)束語

CPR1000棒控棒位性能試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)備采用成熟的數(shù)字化技術(shù)以及計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了在1個(gè)房間內(nèi)操作即可完成落棒時(shí)間試驗(yàn)、CRDM性能試驗(yàn)以及棒位探測(cè)器線性試驗(yàn)。通過完善的軟件設(shè)計(jì)以及硬件配置，可以便捷、準(zhǔn)確地進(jìn)行試驗(yàn)操作及分析，告別了純粹手動(dòng)分析的歷史。因此，該系統(tǒng)設(shè)備具有先進(jìn)、智能、準(zhǔn)確等特點(diǎn)，不僅可以用于CPR1000棒控棒位系統(tǒng)性能試驗(yàn)，而且也可用于同類型百萬千瓦級(jí)“二代加”技術(shù)核電站棒控棒位系統(tǒng)性能試驗(yàn)。

［1］黃可東，張英，王華金，等.廣東嶺澳核電二期工程數(shù)字化棒控棒位系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.核動(dòng)力工程，2008，29(2):105 －109.

［2］劉沖，周建良，譚平.基于數(shù)字化控制的核電站反應(yīng)堆功率控制系統(tǒng)［J］.南華大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2010，24(3):53 －57.

［3］王萍，孫建平，高明.數(shù)字化的RGL系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.電力科學(xué)與工程，2011，27(6):63 －66.

［4］劉沖，周劍良，姚秋果.核電廠反應(yīng)堆功率數(shù)字冗余控制系統(tǒng)及其可靠性［J］.核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù)，2009，29(4):713 －717.

［5］張之華.新型控制棒可動(dòng)線圈電磁驅(qū)動(dòng)線落棒試驗(yàn)［J］.原子能科學(xué)技術(shù)，2009，43(S1):319 －322.

［6］蘇林森.900MW壓水堆核電站系統(tǒng)與設(shè)備［M］.北京:原子能出版社，2004:278－283.