一種采用主回路精確流量校準(zhǔn)核儀表系統(tǒng)方法的研究

李紅霞 霍雨佳 余俊輝 陳 靜 朱加良 吳 茜

（中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院 核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)國家級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610041）

0 前言

在核電廠中，核儀表系統(tǒng)（RPN）功率量程中子注量率變化率是反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)的重要參數(shù)，其與引入的反應(yīng)性有關(guān)，在發(fā)生落棒和彈棒事故等快速引入反應(yīng)性變化的事故時(shí)，如不采取有效的措施控制功率量程中子注量變化率的突變，可能將危及核安全。另一方面，從電站運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性出發(fā)，在壽期末發(fā)生甩負(fù)荷至廠用負(fù)荷運(yùn)行這種特殊工況時(shí)，希望避免因出現(xiàn)的中子注量率變化率高信號觸發(fā)反應(yīng)堆緊急停堆。因此，在核儀表系統(tǒng)功率量程中子注量率變化率計(jì)算通道中需考慮引入相關(guān)信號對變化率的計(jì)算進(jìn)行校準(zhǔn)，以兼顧運(yùn)行安全要求和經(jīng)濟(jì)性要求。

圖1

主回路流量一定程度上影響堆芯出入口溫差，當(dāng)溫度改變時(shí)，作為慢化劑的水的密度有顯著的改變。水溫升高后，單位體積內(nèi)的分子數(shù)減少了，使中子的慢化能力變差，逃脫共振吸收的概率減小，中子泄漏的概率增大，從而使反應(yīng)性減??；同時(shí)，反射層會(huì)受溫度升高減弱反射能力，泄漏中子率增加。因此，慢化劑溫度的變化是影響中子慢化的重要因素，在中子注量率變化率的校準(zhǔn)中，其實(shí)質(zhì)上是需要主回路流量和主回路平均溫度來校準(zhǔn)中子注量率。在傳統(tǒng)的核電廠中，由于主回路平均溫度測量比較直接、準(zhǔn)確，但是，由于反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)主回路的特殊性，傳統(tǒng)的主回路流量測量方法難以獲得準(zhǔn)確的主回路流量。因此在傳統(tǒng)的核電廠中，均使用反應(yīng)堆冷卻劑泵（以下簡稱主泵）轉(zhuǎn)速信號代替主回路流量與反應(yīng)堆冷卻劑主回路平均溫度來校準(zhǔn)核儀表系統(tǒng)功率量程中子注量率變化率。校準(zhǔn)通道原理圖如圖1所示。

校準(zhǔn)時(shí)，首先主泵轉(zhuǎn)速信號通過上述原理框圖（圖1）中的模塊轉(zhuǎn)換成主泵轉(zhuǎn)速變化率，然后再根據(jù)一定的校準(zhǔn)系數(shù)對中子注量率進(jìn)行校準(zhǔn)。但是此種方法存在如下缺陷：

1）在傳統(tǒng)的核電廠中，每個(gè)環(huán)路設(shè)置1個(gè)主泵轉(zhuǎn)速信號監(jiān)測（其原理框圖見圖2），而無冗余配置，如某一個(gè)環(huán)路主泵轉(zhuǎn)速信號出現(xiàn)故障或失效，則該環(huán)路將失去轉(zhuǎn)速信號，進(jìn)而無法完成該環(huán)路的后續(xù)校準(zhǔn)。

圖2

2）由于最終影響中子注量率變化的因素為主回路流量，而通過主泵轉(zhuǎn)速推到得出的流量信號為計(jì)算值，不是直接測量值，必然會(huì)影響校準(zhǔn)的精確性。

3）由于主泵轉(zhuǎn)速只能在額定工況下才能較準(zhǔn)確代表主回路的流量，在其余工況下并不能準(zhǔn)確推導(dǎo)出主回路流量，以至于在其余工況下核儀表系統(tǒng)中子注量率變化率的校準(zhǔn)存在一定誤差。

因此，為了提高核電廠的安全性和經(jīng)濟(jì)性，對傳統(tǒng)核電廠所采用的主泵轉(zhuǎn)速測量校準(zhǔn)核儀表系統(tǒng)的方法進(jìn)行改進(jìn)十分必要。而隨著目前測量技術(shù)和方法的進(jìn)步，精確測量主回路流量已經(jīng)變得非常容易了，也就使得直接使用主回路流量來校準(zhǔn)中子注量率變化率變得可行。

1 研究目的

通過使用精確的反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)主回路流量來校準(zhǔn)中子注量率變化率的方法，提高了功率量程中子注量率變化率的校準(zhǔn)精度，此外，由于主回路流量每一回路均設(shè)置多個(gè)冗余信號，保證了校準(zhǔn)信號的冗余度。從而提高核電廠的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

2 研究內(nèi)容

本研究要解決的技術(shù)問題是采用精確的主回路流量，引入核儀表系統(tǒng)中子注量率變化率的校準(zhǔn)公式，從而避免了使用主泵轉(zhuǎn)速信號校準(zhǔn)間接、無冗余、校準(zhǔn)誤差大等問題，從而達(dá)到精確校準(zhǔn)核儀表系統(tǒng)的目的。

為了解決上述技術(shù)問題，需要研究一種采用主回路精確流量校準(zhǔn)核儀表系統(tǒng)的方法，包括：

2.1 主回路流量設(shè)置

反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)每個(gè)環(huán)路分別設(shè)置多個(gè)相互獨(dú)立的冗余測量通道，用于測量主回路流量（后文為了方便，以4個(gè)為例進(jìn)行說明）。

這樣的信號選取優(yōu)點(diǎn)是：當(dāng)某一個(gè)傳感器故障或失效時(shí)，還有剩余完好的傳感器參與下面的控制，不會(huì)發(fā)生傳統(tǒng)核電廠采用主泵轉(zhuǎn)速作為參數(shù)引入中子注量率變化率校準(zhǔn)，如某一個(gè)環(huán)路主泵轉(zhuǎn)速信號出現(xiàn)故障或失效，則該環(huán)路將失去主泵轉(zhuǎn)速信號，從而無法實(shí)現(xiàn)中子注量率變化率校準(zhǔn)。

2.2 主回路流量選取

主回路流量選取的原理框圖如圖3所示：

圖3

如圖3所示，由于每個(gè)環(huán)路有4個(gè)主回路流量信號，為保證測量值的準(zhǔn)確性，一般設(shè)置選擇器對信號進(jìn)行處理，其作用在于綜合比較冗余參數(shù)，然后輸出一個(gè)唯一的、合理的值參與后續(xù)計(jì)算。

四個(gè)輸入信號的選擇器一般采用平均值法，即選擇器輸出有效輸入值的平均值；當(dāng)有一個(gè)信號無效時(shí)，選擇器進(jìn)行退化處理，輸出剩下三個(gè)有效值的平均值；當(dāng)有兩個(gè)信號無效時(shí)，選擇器進(jìn)行退化處理，輸出剩下兩個(gè)有效值的平均值，同時(shí)產(chǎn)生黃色報(bào)警信號；當(dāng)有三個(gè)或三個(gè)以上信號無效時(shí)，選擇器的輸出保持上一刻有效值，并自動(dòng)地將相關(guān)控制器切換至手動(dòng)控制模式，同時(shí)產(chǎn)生紅色報(bào)警。輸入信號無效是指該輸入信號的質(zhì)量位無效或該輸入信號與其他輸入信號的偏差絕對值大于量程的5%。

通過以上參數(shù)的選擇，可保證輸入一個(gè)合理的主回路流量值參與后面信號的處理，使中子注量率變化率的校準(zhǔn)更加精確、更加可靠。

2.3 額定工況下的主泵轉(zhuǎn)速和主回路流量對應(yīng)關(guān)系

在額定工況下,主泵轉(zhuǎn)速和主回路流量存在以下對應(yīng)關(guān)系：

k=Vpp/Q

其中：k為主泵轉(zhuǎn)速和主回路流量之間的系數(shù)：

Vpp為主泵轉(zhuǎn)速；

Q為主回路流量。

2.4 獲得修正后的中子注量率變化率原理框圖

通過以上參數(shù)的準(zhǔn)備，獲得下面修正后的中子注量率變化率原理框圖（圖 4）：

圖4

3 結(jié)束語

在采用精確的主回路流量參與中子注量率變化率校準(zhǔn)后，由于主回路流量為冗余設(shè)計(jì)，不但提高了核電廠可靠性，而且使中子注量率變化率校準(zhǔn)更加精確，不會(huì)導(dǎo)致在發(fā)生彈棒事故和落棒事故時(shí)，妨礙功率變化率通道的停堆功能，也不應(yīng)導(dǎo)致在其他瞬態(tài)時(shí)引起誤停堆的發(fā)生，從而提高核電廠的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

［1］HAF102.核動(dòng)力廠設(shè)計(jì)安全規(guī)定[S].北京：國家核安全局,2004.

［2］RCC-E,Design and Construction Rules for Electrical Equipment of Nuclear Islands[S].France:AFCEN.2005，12.

［3］張英，陳智，王殳，孫劍，核電廠核儀表系統(tǒng)功率量程中子注量率變化率校準(zhǔn)系數(shù)的仿真研究[J].成都：核動(dòng)力工程,2012（6）.