高溫氣冷堆環(huán)境模擬裝置熱電偶信號波動問題研究

任 成，李聰新，楊星團

（清華大學 核能與新能源技術研究院 先進反應堆工程與安全教育部重點實驗室，北京 100084）

模塊式高溫氣冷堆技術由于其效率高、固有安全、用途廣等諸多優(yōu)勢被認為是最有可能滿足第四代核能系統(tǒng)要求的堆型之一［1-2］。2006年初，“大型先進壓水堆及高溫氣冷核電站”被列為16個重大專項之一，計劃開展高溫堆關鍵技術研究并建立與之相應的工業(yè)體系，為高溫氣冷堆的商業(yè)化運行打好基礎，保持我國在高溫氣冷堆領域的領先優(yōu)勢［3-4］。發(fā)展高溫氣冷堆技術是一項重大的國家戰(zhàn)略，對于帶動相關產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

目前，與高溫氣冷堆技術配套的工業(yè)體系方面，我國在設備制造國產(chǎn)化上已有所突破，但在材料配套工業(yè)方面尚有不足，諸多材料依賴進口，價格昂貴［5-6］。其實，目前國內(nèi)工業(yè)界在高溫材料研發(fā)、制造方面已取得了長足的進步，新材料、新工藝層出不窮。主要制約因素是國內(nèi)針對高溫氣冷堆環(huán)境中的材料測試、考驗等研究不足，很多材料能否在高溫氣冷堆環(huán)境氛圍下應用尚不清楚。

為此，清華大學核能與新能源技術研究院研制了模擬高溫氣冷堆堆內(nèi)溫度、環(huán)境氛圍的材料試驗裝置［7-8］。研究證明，高溫氣冷堆在極限事故工況下，堆芯最高溫度也不會超過1 600 ℃。因此，該環(huán)境模擬裝置設計為可進行1 600 ℃及以下高溫碳還原環(huán)境下的實驗，展開相關材料的研究工作。對材料測試裝置而言，測試區(qū)內(nèi)溫度的穩(wěn)定準確測量是實驗成功進行的關鍵保障。實驗中發(fā)現(xiàn)裝置中心大電流加熱帶來的強電磁場對測試區(qū)內(nèi)的熱電偶信號施加了很大的干擾。本文針對該方面的問題，進行信號干擾的分析實驗，明確干擾源及干擾途徑，提出切實可行的解決措施，較好地解決高溫堆環(huán)境模擬裝置中的熱電偶信號波動問題。

1 實驗裝置與現(xiàn)象

1.1 高溫堆環(huán)境模擬裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)

高溫氣冷堆環(huán)境模擬裝置如圖1所示，其主要目的是模擬反應堆堆芯內(nèi)除放射性外的溫度、氣氛等環(huán)境，開展高溫氣冷堆相關材料的試驗工作。

圖1 高溫氣冷堆環(huán)境模擬裝置Fig.1 Environment simulation facility of high temperature gas-cooled reactor

該裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。其總體結(jié)構(gòu)設計成真空石墨電阻爐形式，中心采用1個圓柱形管狀石墨電極作發(fā)熱體，銅電極和石墨連接電極穿過下保溫層連接到發(fā)熱體，提供電能。石墨發(fā)熱體外側(cè)罩有1個石墨均溫套筒，既起隔離作用，又能將周向溫度均勻化。四周保溫層采用碳氈材料，上下兩端較厚，四周保溫層較薄，使熱量盡量沿徑向傳遞。石墨均溫套筒與保溫層之間是寬度為100mm 的環(huán)形測試區(qū)，可放入各種待考驗的材料。保溫層外側(cè)為雙層水冷壁，同時也是爐內(nèi)真空的密封邊界。

在這種結(jié)構(gòu)下，環(huán)形測試區(qū)內(nèi)的溫度可提升到設計要求的1 600 ℃，該溫度覆蓋了高溫氣冷堆在正常運行和極限事故下的全部溫度范圍。同時由于裝置所有部件的材料均為碳素材料，因此營造了與高溫氣冷堆堆內(nèi)相似的強碳還原氣氛，可用于考驗材料的抗?jié)B碳能力。環(huán)境模擬裝置中不同區(qū)域內(nèi)均布置有測溫熱電偶，用于監(jiān)測裝置內(nèi)溫度場信息。其中保溫層內(nèi)熱偶為K 型熱電偶，環(huán)形測試區(qū)內(nèi)布置的是以鍛打鉬管作保護套管的鎢錸熱電偶。實驗數(shù)據(jù)采集選用的是英國施倫伯杰儀器公司生產(chǎn)的輸力強分布式穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)采集器IMP。IMP 數(shù)據(jù)采集模塊是為穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)采集設計的，單個通道的最高采集速率為8s-1，具有系統(tǒng)組成簡單、高精度、抗干擾性能強、現(xiàn)場分散安裝和適應惡劣環(huán)境等特點，適用工業(yè)環(huán)境下多路穩(wěn)態(tài)信號采集監(jiān)測。

圖2 環(huán)境模擬裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.2 Inside structure of environment simulation facility

1.2 實驗現(xiàn)象

圖3為1次鎢錸熱電偶在石墨球床中穩(wěn)定性考驗實驗的溫度記錄數(shù)據(jù)。如圖2所示，環(huán)境模擬裝置的環(huán)形測試區(qū)中填滿了石墨球，鎢錸熱電偶插入其中，外保護套管與石墨直接接觸，考驗熱電偶保護套管的抗?jié)B碳能力。該實驗經(jīng)歷了升溫、1 100℃左右保溫、再升溫到1 600℃左右保溫的一個過程。可看到，環(huán)形測試區(qū)內(nèi)溫度升到了1 600℃，達到了設計要求。

圖3 環(huán)形測試區(qū)內(nèi)溫度歷史Fig.3 Temperature history in annular test zone

但是，在實驗過程中發(fā)現(xiàn)，盡管實驗的基本目標已經(jīng)達到，環(huán)形測試區(qū)內(nèi)石墨球床中鎢錸熱電偶的溫度示值卻并不穩(wěn)定，波動很大。圖4為測試區(qū)內(nèi)鎢錸熱電偶在1 630 ℃保溫階段時的瞬時采集信號，采用的是輸力強系統(tǒng)，每秒采集8個溫度信號。可看到，雖然整體平均溫度達到了設定值，但溫度示值有著無規(guī)律的±25 ℃的高頻波動。在本裝置中，溫度應是一種緩變量，這種頻率的大幅波動不應是真實工況的反映，而應是受外在干擾所致的示值波動。這種示值波動對高精度的溫度控制及測量無疑是影響很大的。

圖4 加電階段熱電偶信號波動Fig.4 Fluctuation of thermocouple signal during power on

而在試驗結(jié)束后，斷電降溫階段，鎢錸熱電偶的信號波動現(xiàn)象消失，如圖5所示，溫度示值在平均溫度附近僅有±0.5 ℃的示值波動。據(jù)此，可推測出測試區(qū)內(nèi)的鎢錸熱電偶的示值波動應與中心石墨加熱電極通電加熱有關。

此外，在低溫區(qū)也進行了對比試驗，如圖6所示，在100 ℃附近，一旦加熱功率系統(tǒng)啟動，測溫熱電偶的溫度示值波動隨之出現(xiàn)，仍有50 ℃的幅度。低溫區(qū)的實驗排除了熱電偶受高溫滲碳效應的影響因素。

圖5 斷電階段熱電偶信號波動Fig.5 Fluctuation of thermocouple signal during power off

圖6 低溫階段熱電偶信號波動Fig.6 Fluctuation of thermocouple signal during low temperature stage

2 功率系統(tǒng)分析與實驗驗證

高溫氣冷堆環(huán)境模擬裝置采用的是低電壓大電流直流供電方式。額定功率容量為72kW，額定輸出電流1 800A，額定電壓40V。功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用可控硅移相觸發(fā)方式實現(xiàn)輸出電壓無級調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)功率控制的目的。輸出電壓的調(diào)節(jié)范圍為0～98%滿量程。

2.1 功率系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

功率調(diào)節(jié)采用可控硅相控整流原理。每一相線上有兩只反向并聯(lián)的可控硅，通過控制信號實現(xiàn)電流雙向流通。它是通過在每個周期內(nèi)調(diào)節(jié)可控硅導通的時間（導通角）來控制輸出功率的。在A、B、C 3點設置了3個觸發(fā)同步信號，實現(xiàn)對導通角的精確控制。另外，采用電流反饋的方式，設置了D、E、F 3個電流取樣點，當電流取樣值和電流設定值不一致時，把偏差信號加到導通角控制端，增大或減小導通角，實現(xiàn)電流的負反饋，最終穩(wěn)定到電流的設定值，即功率穩(wěn)定到了設定值。功率調(diào)節(jié)電路示于圖7。

功率控制系統(tǒng)與外部三相380V 動力電相連，再通過變壓器、整流電路將交流電變成直流，提供給石墨電加熱器使用。

2.2 實驗驗證

為了研究中心加熱系統(tǒng)功率調(diào)節(jié)方式影響熱電偶溫度示值的干擾途徑，采用NI高速同步數(shù)據(jù)采集板卡PXIe-6356，設計了裝置加熱電壓、加熱電流和熱電偶信號的高速同步數(shù)據(jù)采集軟件，對環(huán)境模擬裝置在加熱過程中的電壓、電流和熱電偶信號進行1 M／s速率的高速同步采集。取其中1個周期（0.02s）時間間隔內(nèi)的20 000組測量數(shù)據(jù)進行分析。

高速采集的加熱電壓信號如圖8所示。由圖8可知，環(huán)境模擬裝置的直流加熱，電壓并不恒定，而是類似全波整流的波形，由可控硅控制每個半波的導通寬度，進而調(diào)節(jié)平均電壓?？捎^察到，在可控硅導通的瞬間，引起了加熱電壓的1個階躍跳變。

高速采集的加熱電流信號如圖9所示。由圖9可知，加熱電流也并不恒定，而是類似三角波波形。可觀察到，在可控硅導通的瞬間，由于電壓的跳變，引起電流的瞬變，電流的平均值為400A 左右，但在突變的瞬間，電流存在大小在-1 000～3 000A 范圍內(nèi)變化的尖峰。

圖7 功率調(diào)節(jié)電路Fig.7 Power regulation circuit

圖8 加熱電壓信號Fig.8 Heating voltage signal

圖9 加熱電流信號Fig.9 Heating current signal

高速采集的熱電偶溫度信號如圖10 所示。電流的瞬時劇烈變化引起了電磁干擾，在電流躍變點，熱電偶的測溫信號受到強烈干擾。由于熱電偶信號為微小的mV 電勢，電磁干擾引起的瞬態(tài)干擾量級達到了V 級，對應熱電偶溫度信號變化幅度可達數(shù)千℃。但可觀察到，熱電偶信號所受干擾并非在整個通電期間持續(xù)存在，而只是在可控硅導通瞬間存在瞬時尖峰干擾。

圖10 熱電偶信號Fig.10 Thermocouple signal

三者同步信號如圖11所示，其中，為了幅值匹配便于展示，電壓信號在作圖時放大了100倍?？煽吹剑訜犭妷?、電流、熱電偶信號的波動是同步的，且時間間隔固定。裝置的供電由50Hz工業(yè)電經(jīng)三相整流得到，所以干擾點出現(xiàn)的頻率是300Hz，即熱電偶信號在每秒內(nèi)存在300個干擾點。高溫氣冷堆環(huán)境模擬裝置所采用的IMP 數(shù)據(jù)采集器為穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)采集器，是一種低速數(shù)據(jù)采集。其硬件采用的是積分型A／D 結(jié)構(gòu)，每秒采集8次數(shù)據(jù)，每次采集相當于測量了一段時間內(nèi)的平均值。盡管其有一定的平均抗干擾作用，但由于干擾引起的溫度跳變幅度達上千度，因此當AD 轉(zhuǎn)換的積分過程中存在多個強烈干擾點時，測量結(jié)果必然受到干擾，表現(xiàn)出的則是無規(guī)則的幅度在50℃的波動。

圖11 加熱過程中電壓、電流、熱電偶信號同步變化Fig.11 Synchronization of voltage，current and thermocouple signal during power on

3 解決方案

針對上述由于功率系統(tǒng)可控硅調(diào)節(jié)導致的電磁干擾，最根本的辦法是對電磁干擾進行屏蔽，但往往較為復雜也難以徹底消除。為此，采用了較為簡單且實用的軟件解決方案?？紤]到干擾僅在有限點處存在且具有固定頻率，如果數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以300 Hz的倍數(shù)或約數(shù)周期采集，如每 秒 采 集300、100、30、1 次 等，只 要 第1次采集沒有與干擾點重合，則之后采集點處都能與干擾點錯開，整個采集過程中都不會受到干擾。

對此進行了實驗驗證，通過NI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在5Hz采樣速率下對熱電偶信號進行采集。實驗證實，如圖12所示，無論加熱系統(tǒng)是否通電運行，溫度測量原始數(shù)據(jù)波動均控制在1 ℃以內(nèi)，能保障相關材料試驗的順利進行。

圖12 NI系統(tǒng)5Hz采集數(shù)據(jù)Fig.12 Thermocouple signal based on NI 5Hz acquisition

在避開干擾點采集的基礎上，利用NI的高速采集技術，對采集的數(shù)據(jù)進行平均化處理，采樣頻率仍為5 Hz，在每個采樣點處高速采集500 個數(shù)據(jù)進行平均處理，得到的溫度信號如圖13所示，可進一步使采集的溫度信號波動在0.1 ℃以內(nèi)，可進行更高精度的溫度控制實驗。

圖13 NI系統(tǒng)高速采集平均化效果Fig.13 Average effect of thermocouple signal based on NI high-speed acquisition

4 總結(jié)

為進行高溫氣冷堆相關材料的測試、考驗工作，清華大學核能與新能源技術研究院研制了對高溫氣冷堆堆內(nèi)環(huán)境進行模擬的實驗裝置，可模擬1 600 ℃及以下溫度的高溫碳還原環(huán)境。實驗中發(fā)現(xiàn)裝置的中心大電流加熱產(chǎn)生的強電磁場對環(huán)形測試區(qū)內(nèi)的熱電偶施加了很大的干擾，使輸出的溫度信號附加了幅度達幾十℃的高頻無規(guī)則波動?；贜I高速同步采集技術，同步采集加熱電壓、電流、熱電偶信號，進行了信號干擾的分析實驗，明確了干擾信號來自功率系統(tǒng)的可控硅調(diào)節(jié)，發(fā)現(xiàn)了干擾信號僅存在于可控硅導通的有限點處且存在固定頻率的規(guī)律。針對干擾信號的自身規(guī)律，提出了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采樣頻率與干擾頻率保持同步的軟件抗干擾措施，較好地解決了高溫堆環(huán)境模擬裝置中的熱電偶信號波動問題，保障了相關材料試驗的順利進行。

［1］ ABRAM T，ION S.Generation-Ⅳnuclear power：A review of the state of the science［J］.Energy Policy，2008，36（12）：4 323-4 330.

［2］ LOHNERT G H.Technical design features and essential safety-related properties of the HTRmodule［J］.Nuclear Engineering and Design，1990，121（2）：259-275.

［3］ ZHANG Zuoyi，YU Suyuan.Future HTGR developments in China after the criticality of the HTR-10［J］.Nuclear Engineering and Design，2002，218（1）：249-257.

［4］ SHIOZAWA S，F(xiàn)UJIKAWA S，IYOKU T，et al.Overview of HTTR design features［J］.Nuclear Engineering and Design，2004，233（1）：11-21.

［5］ TANG Chunhe，TANG Yaping，ZHU Junguo，et al.Design and manufacture of fuel element for the 10 MW high temperature gas-cooled reactor［J］.Nuclear Engineering and Design，2002，218（1）：91-102.

［6］ GAO Zuying，SHI Lei.Thermal hydraulic transient analysis of the HTR-10［J］.Nuclear Engineering and Design，2002，218（1）：65-80.

［7］ ROUSSEAU P G，van STADEN M.Introduction to the PBMR heat transfer test facility［J］.Nuclear Engineering and Design，2008，238（11）：3 060-3 072.

［8］ REN Cheng，YANG Xingtuan，SUN Yanfei.Porous structure analysis of the packed beds in a high-temperature reactor pebble bed modules heat transfer test facility［J］.Chin Phys Lett，2013，30（2）：022801.