儀控系統(tǒng)閾值判決及核電站應(yīng)用

劉華 黃奇 陳柯 劉朝暉 劉杰

(南華大學(xué)電氣工程學(xué)院1,湖南 衡陽(yáng) 421001;中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院2,四川 成都 610041;南華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)學(xué)院3,湖南 衡陽(yáng) 421001)

儀控系統(tǒng)閾值判決及核電站應(yīng)用

劉華1黃奇2陳柯2劉朝暉3劉杰3

(南華大學(xué)電氣工程學(xué)院1,湖南 衡陽(yáng) 421001;中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院2,四川 成都 610041;南華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)學(xué)院3,湖南 衡陽(yáng) 421001)

基于物理參數(shù)的儀控系統(tǒng)閾值判決是核電站儀控系統(tǒng)的重要功能,但其存在閾值判決固定單一,缺乏與時(shí)間、工況的相關(guān)性等不足。對(duì)已有閾值判決進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化,通過(guò)分析研究,在安全前提下,從多種數(shù)據(jù)處理算法對(duì)比、閾值多級(jí)浮動(dòng)、與具體工況相關(guān)聯(lián)等方面作出改進(jìn)。改進(jìn)后的閾值判決有助于提升儀控系統(tǒng)的容錯(cuò)、故障診斷能力,減少不必要的停堆次數(shù),提高了電廠的經(jīng)濟(jì)效益。

DCS 閾值判決 監(jiān)測(cè) 魯棒性 數(shù)據(jù)處理

0 引言

數(shù)字化儀控系統(tǒng)已在國(guó)民經(jīng)濟(jì)多個(gè)領(lǐng)域成熟運(yùn)用,例如冶金[1]、化工、機(jī)械制造、常規(guī)發(fā)電[2]等行業(yè)。核電站數(shù)字化儀控(DCS I&C)系統(tǒng)是數(shù)字化技術(shù)在核電領(lǐng)域的集中應(yīng)用[3],它是核電行業(yè)的必然選擇和發(fā)展趨勢(shì)。DCS I&C系統(tǒng)的重要功能包括監(jiān)測(cè)、控制、保護(hù)等。這些功能都以核電站具體物理狀態(tài)參數(shù)的閾值判決為前提。數(shù)字化系統(tǒng)與模擬系統(tǒng)的不同之處在于軟件的大量應(yīng)用。例如軟件代碼的編譯執(zhí)行、控制硬件實(shí)體及物理過(guò)程的軟件指令,以及可以提高控制精度、實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制邏輯。DCS I&C軟件與硬件、網(wǎng)絡(luò)共同構(gòu)成DCS I&C系統(tǒng),三者密不可分。DCS I&C系統(tǒng)對(duì)反應(yīng)堆物理參數(shù)的閾值監(jiān)測(cè)和判決是否準(zhǔn)確、及時(shí),直接影響DCS I&C軟件對(duì)監(jiān)控對(duì)象的正確控制、核電站生產(chǎn)控制系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)高效、反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)的快速響應(yīng)[4]、核反應(yīng)堆故障早期檢測(cè)[5],甚至整個(gè)核電站安全體系等。

1 物理閾值的安全意義

閾值是系統(tǒng)狀態(tài)的反映,可以作為物理模型的安全上限或安全下限,是對(duì)實(shí)際物理過(guò)程、物理原理的精確計(jì)算或近似計(jì)算之后的數(shù)據(jù)結(jié)果。閾值是反應(yīng)堆停堆系統(tǒng)、專設(shè)安全設(shè)施以及報(bào)警等是否啟動(dòng)的基準(zhǔn)參考。核電站重要設(shè)計(jì)任務(wù)和理念之一即保護(hù)三道核安全屏障(燃料包殼、一回路壓力邊界和安全殼)的完整性。當(dāng)反應(yīng)堆運(yùn)行參數(shù)達(dá)到危及三道屏障完整性的閾值時(shí),反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)啟動(dòng)相應(yīng)動(dòng)作[6]。例如核電站一回路的主泵轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)[7]、壓水堆核電站一回路硼濃度的閾值監(jiān)測(cè)[8]等。

2 基于軟件的閾值判決

2.1 閾值判決基本要求

DCS I&C軟件閾值監(jiān)測(cè)基本原理如圖1所示。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)源是一個(gè)數(shù)據(jù)集合,由不同的傳感器采集的各類豐富的物理數(shù)據(jù)構(gòu)成。實(shí)際反應(yīng)堆物理過(guò)程中的物理狀態(tài)、參數(shù)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集、處理后,傳送給DCS I&C軟件的數(shù)據(jù)接口,為判決函數(shù)或判決模塊提供控制判決的依據(jù)。閾值判決規(guī)則或者算法是以軟件、硬件或混合方式存在于系統(tǒng)中,同時(shí)具有方便維護(hù)、快速更新的特點(diǎn)。閾值優(yōu)化算法作為一個(gè)反饋環(huán)節(jié),將傳統(tǒng)的開(kāi)環(huán)式固定閾值判決模式轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的閉環(huán)式閾值判決模式。

圖1 儀控軟件閾值判決框圖Fig.1 Block diagram of threshold judgment in I&C software

軟件閾值判決優(yōu)化算法必須基于核電站反應(yīng)堆的物理過(guò)程、反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)、熱工水力以及安全分析等。

本文不討論反應(yīng)堆物理模型的優(yōu)化,不涉及閾值監(jiān)測(cè)對(duì)象的選取,而是在這些已有模型、已知監(jiān)測(cè)對(duì)象、已有監(jiān)測(cè)變量的基礎(chǔ)上,對(duì)這些對(duì)象的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及優(yōu)化,充分發(fā)揮儀控系統(tǒng)數(shù)學(xué)及信號(hào)處理能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)?；诜磻?yīng)堆工程原理,結(jié)合熱工水力,工程實(shí)際中選擇哪些物理參數(shù)、閾值選取的多少,還應(yīng)遵循核電站工藝要求,體現(xiàn)安全性和經(jīng)濟(jì)效益的雙重考慮。

DCS I&C系統(tǒng)的閾值判決應(yīng)滿足準(zhǔn)確性、完備性、實(shí)時(shí)性、魯棒性。準(zhǔn)確性指閾值參數(shù)準(zhǔn)確體現(xiàn)反應(yīng)堆穩(wěn)定性控制要求。完備性指參數(shù)設(shè)置足夠充分。實(shí)時(shí)性指閾值判決延遲不超過(guò)硬件及物理模型的控制范圍,同時(shí)符合儀控系統(tǒng)的時(shí)間要求。魯棒性指能夠承受系統(tǒng)一定程度的各種擾動(dòng)、變化。

2.2 已有閾值判決存在的問(wèn)題

已有閾值判決存在以下幾個(gè)問(wèn)題。

①作為閾值判決的參考值,整定值固定單一,不能反映高度非線性、時(shí)變的反應(yīng)堆系統(tǒng)。

②閾值判決,絕大部分是基于物理參數(shù)瞬時(shí)值與閾值的比較,不能體現(xiàn)數(shù)據(jù)間的時(shí)間相關(guān)性。

③閾值判決缺失與運(yùn)行工況或運(yùn)行瞬態(tài)的映射關(guān)系。

④閾值判決沒(méi)有從系統(tǒng)、整體的角度出發(fā),融合多個(gè)參數(shù)綜合考慮。反應(yīng)堆系統(tǒng)是復(fù)雜的非線性系統(tǒng)。單一參數(shù)的整定值缺失了反應(yīng)堆復(fù)雜模型多個(gè)變量間的相互關(guān)聯(lián)、相互制約。

⑤閾值判決不能完全體現(xiàn)反應(yīng)堆,特別是反應(yīng)堆本身的穩(wěn)定性和自調(diào)節(jié)功能。

鑒于DCS I&C系統(tǒng)閾值判決存在的問(wèn)題。對(duì)閾值判決進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化的方法有:改變單一固定的整定值,用適當(dāng)浮動(dòng)的整定值來(lái)替代;閾值監(jiān)測(cè)必須體現(xiàn)時(shí)間相關(guān)性,考慮時(shí)間點(diǎn)以前一段時(shí)間的數(shù)據(jù)變化,并作出時(shí)間點(diǎn)以后一段時(shí)間的數(shù)據(jù)變化預(yù)測(cè);建立閾值監(jiān)測(cè)與運(yùn)行工況或瞬態(tài)的映射關(guān)系,將映射關(guān)系轉(zhuǎn)變成判決算法;透徹分析反應(yīng)堆模型,適度合理地減少模型中由于保守原則而設(shè)置的過(guò)多安全裕量,充分體現(xiàn)反應(yīng)堆本身的穩(wěn)定性和自調(diào)節(jié)功能。

2.3 軟件閾值判決優(yōu)化

軟件閾值判決優(yōu)化包括有效濾波和浮動(dòng)設(shè)置兩大部分。有效濾波是指監(jiān)測(cè)值轉(zhuǎn)換為軟數(shù)據(jù)后的數(shù)學(xué)處理,盡量去除干擾。浮動(dòng)設(shè)置是指參數(shù)閾值本身按照一定比例的上下浮動(dòng)。真實(shí)數(shù)據(jù)、測(cè)量數(shù)據(jù)、DCS I&C系統(tǒng)的接收數(shù)據(jù)、經(jīng)過(guò)閾值優(yōu)化算法優(yōu)化后的軟數(shù)據(jù),從下往上依次構(gòu)成了閾值判決的數(shù)據(jù)層次。閾值判決的數(shù)據(jù)層次如圖2所示。

圖2 閾值判決的數(shù)據(jù)層次Fig.2 The data hierarchies of threshold judgment

2.3.1 監(jiān)測(cè)值數(shù)學(xué)處理

數(shù)學(xué)處理是針對(duì)不同的判決規(guī)則,通過(guò)歸一化方式將不同的閾值判決統(tǒng)一轉(zhuǎn)換成一類判決類型。對(duì)閾值判決,一般分為三種類型:①判決參數(shù)＞閾值;②判決參數(shù)＜閾值;③閾值1＜判決參數(shù)＜閾值2。利用數(shù)學(xué)處理,將后兩種情況統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為第一種情況。

儀控系統(tǒng)中的函數(shù)計(jì)算模塊可以嵌入多種算法。靈敏程度、實(shí)時(shí)性、保守性、處理誤差等若干因素的算法比較如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)處理的算法比較Tab.1 Comparison of the data processing algorithms

假設(shè)一個(gè)閾值判決周期里,某個(gè)參數(shù)對(duì)應(yīng)的采樣點(diǎn)數(shù)為M個(gè),即at-M+1,…,at。令data={at-M+1,…, at}。單一值Tone=T,這里T即為基本閾值。通常,在給定堆型的某個(gè)具體核電站,在工況、DCS系統(tǒng)條件不變的情況下,T為一個(gè)固定的常數(shù)。

得到上述的Trms、Tcav、Tx、Tavg、Tmax、Tmin-Tsub-max、Tsub-min后,統(tǒng)一使用閾值判決三種類型中的第一種,即判決參數(shù)是否大于基本閾值T的模式來(lái)比較。

2.3.2 單閾值的兩級(jí)浮動(dòng)

如前所述,Tone是一個(gè)常數(shù)。將固定閾值Tone變?yōu)楦?dòng)的參數(shù)范圍。有些文獻(xiàn)設(shè)立兩個(gè)級(jí)別的浮動(dòng)范圍[9-10]。一級(jí)浮動(dòng)指標(biāo)T(1±P1%),二級(jí)浮動(dòng)指標(biāo)T(1±P2%),不失一般性,0＜P1＜P2,可取P1=0.05, P2=0.1。多級(jí)浮動(dòng)比一級(jí)浮動(dòng)范圍更大,增加了判決的靈活性,賦予儀控系統(tǒng)閾值判決更多的空間,用來(lái)適應(yīng)和驅(qū)動(dòng)更多類型的保護(hù)動(dòng)作、安全專設(shè)等。

2.3.3 多參數(shù)閾值處理算法

針對(duì)不同堆型、不同反應(yīng)階段、不同燃料周期和不同的安全性判決要求,參數(shù)S1,…,SN具有不同的大小和量綱,那么Ci取值包含量綱和大小等因素。多參數(shù)處理的優(yōu)勢(shì)在于經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換,一個(gè)多閾值判決轉(zhuǎn)化為一個(gè)單閾值T*判決,多閾值的浮動(dòng)算法也轉(zhuǎn)化為單閾值的浮動(dòng)算法。例如,式(1)中,參數(shù)S1,…,SN,對(duì)應(yīng)的閾值為T(mén)1,…,TN,閾值系數(shù)為C1,…,CN,T*是一個(gè)集成的單一閾值。

3 閾值判決優(yōu)化的特點(diǎn)

閾值優(yōu)化判決的特點(diǎn)及意義如下。

①體現(xiàn)系統(tǒng)思想,全方位對(duì)多個(gè)參數(shù)進(jìn)行組合式監(jiān)測(cè),能及時(shí)甚至提前發(fā)現(xiàn)可能的故障及失效,獲得寶貴的時(shí)間裕量。

②核電站在確保安全的前提下,一定程度上提高了運(yùn)行經(jīng)濟(jì)效益。

③有助于減少過(guò)多的誤操作、誤判決的次數(shù),降低了對(duì)設(shè)備的損害,延長(zhǎng)核電站服役年限。

④嵌入DCS I&C系統(tǒng)軟件中的判決優(yōu)化算法,減少甚至不需要人工干預(yù),在事故工況時(shí),儀控系統(tǒng)能在較長(zhǎng)時(shí)間范圍內(nèi)自動(dòng)運(yùn)行。這也符合核電站非能動(dòng)設(shè)計(jì)理念。

⑤利用數(shù)字化系統(tǒng)的軟硬件技術(shù),將閾值判決算法嵌入其中,提高系統(tǒng)軟硬件的利用率,為未來(lái)智能化的核電站儀控系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。

4 判決優(yōu)化的工程應(yīng)用

閾值浮動(dòng)、不同工況下的同一參數(shù)對(duì)應(yīng)不同閾值判決的兩類情況,下文分析在建或在運(yùn)行核電站中的具體實(shí)例。

4.1 參數(shù)閾值浮動(dòng)范圍

單一閾值的多級(jí)浮動(dòng),無(wú)論是三種閾值判決類型的哪一種,不同級(jí)別的浮動(dòng)閾值之間有包含或重疊關(guān)系,更有浮動(dòng)范圍之間的實(shí)際差值。這種差值,在工程上對(duì)應(yīng)著物理參數(shù)達(dá)到閾值的時(shí)間先后、概率大小、事件或事故嚴(yán)重程度的差異。

先進(jìn)非能動(dòng)型壓水堆核電站AP1000中一回路穩(wěn)壓器壓力閾值上限取16.69 MPa,下限取12.48 MPa。依據(jù)單閾值的兩級(jí)浮動(dòng),若采用一級(jí)浮動(dòng)閾值,上限閾值報(bào)警區(qū)間從單一固定值變?yōu)閇16.69-16.69×0.05,16.69+ 16.69×0.05],即[15.86,17.52],單位MPa。相應(yīng)地,下限閾值報(bào)警區(qū)間從單一固定值變?yōu)閇12.48-12.48× 0.05,12.48+12.48×0.05],即[11.86,13.10],單位MPa。二級(jí)浮動(dòng)閾值類似。

M310堆型中,蒸汽發(fā)生器水位范圍為量程的30%～80%。若采用一級(jí)浮動(dòng)閾值,上限閾值區(qū)間從80%變?yōu)閇80%-80%×0.05,80%+80%×0.05],即[76%,84%]。相應(yīng)地,下限閾值區(qū)間從30%變?yōu)閇30%-30%×0.05,30%+30%×0.05],即[28.5%, 31.5%]。諸多安全判決中,涉及蒸汽發(fā)生器水位量程的還有低-低、高-高,甚至高-3等閾值量,都體現(xiàn)了多級(jí)閾值的思想。

4.2 同一參數(shù)的不同閾值判決

在反應(yīng)堆設(shè)計(jì)中,為了保證反應(yīng)堆的安全,在設(shè)計(jì)中總是要求核燃料元件表面的最大熱流密度小于臨界熱流密度,即冷卻劑帶走的熱量比核燃料釋放的熱量大,以防止堆芯過(guò)熱融化。為了定量地表達(dá)這個(gè)安全要求,引入了偏離泡核沸騰比(departure from nuclear boiling ratio,DNBR)。DNBR是隨著冷卻劑通道軸向位置z而變化的,其最小值稱為minDNBR,如果臨界熱流量的計(jì)算公式?jīng)]有誤差,則當(dāng)minDNBR=1時(shí),表示燃料元件發(fā)生熔化損毀。對(duì)于穩(wěn)態(tài)工況和預(yù)計(jì)的事故工況,都要分別確定出minDNBR的值。壓水堆穩(wěn)態(tài)額定工況時(shí)一般可取minDNBR=1.8～2.2,而對(duì)預(yù)計(jì)的常見(jiàn)事故工況,則要求minDNBR＞1.3。

江蘇田灣核電站是壓水冷卻慢化反應(yīng)堆(waterwater energetic reactor,WWER)堆型。在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)燃料棒線功率密度、DNBR作出閾值判決[10],并考慮二類(pp-2)、一類(pp-1)、緊急的反應(yīng)堆保護(hù)(EP)三類工況,設(shè)置對(duì)應(yīng)的閾值比例關(guān)系EP∶pp-1∶pp-2= 1.05∶1∶0.98。

5 結(jié)束語(yǔ)

閾值是反應(yīng)堆乃至整個(gè)核電站DCS I&C系統(tǒng)中重要物理參數(shù)的數(shù)值表達(dá),這些重要物理參數(shù)涉及安全性、狀態(tài)判決。物理參數(shù)集合對(duì)應(yīng)的閾值集合,構(gòu)成閾值判決的基礎(chǔ)。通過(guò)分析已有閾值判決的缺點(diǎn),從數(shù)據(jù)處理、閾值浮動(dòng)、與工況相關(guān)聯(lián)等方面作出改進(jìn),提出適合工程實(shí)際、可嵌入儀控系統(tǒng)函數(shù)計(jì)算模塊的判決算法,并將單一參數(shù)閾值擴(kuò)展到多參數(shù)閾值。在保證安全前提的條件下,改進(jìn)后的閾值有時(shí)減少誤操作、誤停堆,有助于提高核電站運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效益。

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Threshold Judgment of Instrument&Control System and Its Application in Nuclear Power Plant

The threshold judgment method based on physical parameters for instrument and control system is an important function of I&C in nuclear power plant,but some deficiencies,e.g.,single and fixed threshold judgment,and lack of correlation with time and working conditions.The existing method is improved and optimized,through analyzing and researching,the improving strategies are proposed,i.e., under the premise of safety,comparing a variety of data processing algorithms,threshold multi-level floating,and associating with specific working conditions.The improvement helps to upgrade the fault tolerance and fault diagnosis capabilities of the instrument and control system, and reduce the times of unnecessary shutdown,thus enhance the economical effects of the nuclear power plant.

Distributed control system(DCS) Threshold judgment Monitoring Robustness Data processing

TP273

A

修改稿收到日期:2013-11-25。

劉華(1979-),男,2007年畢業(yè)于中南大學(xué)控制理論與控制工程專業(yè),獲碩士學(xué)位,講師;主要從事控制理論、核電站安全方面的研究。