提高多基地堆芯飽和裕度測量穩(wěn)定性方法的研究與實施

姜磊，張澤勇

（中廣核核電運營有限公司，廣東深圳518124）

1 引言

百萬千瓦級壓水堆核電站堆芯溫度和壓力容器水位監(jiān)測系統(tǒng)（簡稱為CCMS）是反應(yīng)堆核心的監(jiān)視系統(tǒng)之一，堆芯溫度測量利用堆芯熱電偶信號和反應(yīng)堆冷卻劑壓力，計算出飽和溫度及最低堆芯溫度飽和裕度等數(shù)據(jù)；壓力容器水位測量主要通過堆芯水位差壓變送器信號、溫度信號和壓力信號，計算出堆芯水位，為操作員提供一回路的狀態(tài)信息。

核電站運行技術(shù)規(guī)范要求：對于在RP、NS/SG、NS/RRA、一回路未充分開口的MCS模式下，堆芯飽和裕度測量必須可用。如果部分或全部失去堆芯飽和裕度測量，則機組記第一組I0，并須在規(guī)定期限內(nèi)完成檢修，否則機組向相應(yīng)狀態(tài)進(jìn)行后撤。

多基地核電站CCMS系統(tǒng)受調(diào)理模塊設(shè)計缺陷的影響，在熱電偶絕緣及連續(xù)性測量的過程中，當(dāng)前端熱電偶信號斷線或恢復(fù)時，調(diào)理模塊輸出會出現(xiàn)向量程上限階躍跳變的現(xiàn)象，且系統(tǒng)無法對數(shù)據(jù)進(jìn)行無效剔除，從而對堆芯飽和裕度計算產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致最小飽和裕度測量值發(fā)生波動，引起機組產(chǎn)生非計劃性第一組I0。

2 研究背景及意義

CCMS系統(tǒng)提供的堆芯最小飽和裕度是反應(yīng)堆監(jiān)視的重要狀態(tài)參數(shù)之一，供操作員掌握一回路水位的相關(guān)信息，與核安全息息相關(guān)。但由于板件設(shè)計的固有缺陷，導(dǎo)致在大修中進(jìn)行熱電偶絕緣及連續(xù)性測量時容易引發(fā)最小飽和裕度不可用，從而使機組產(chǎn)生第一組I0，并占用大修關(guān)鍵路徑時間。

因此，急需研究一種可靠、穩(wěn)定的測量方法，避免最小飽和裕度異常波動問題的產(chǎn)生，從而有效節(jié)約關(guān)鍵路徑、縮短大修工期、降低大修成本。

3 研究方法及可行性驗證

3.1 概述

多基地CCMS系統(tǒng)，在堆芯熱電偶斷線及斷線恢復(fù)時，由于其熱電偶調(diào)理模塊斷線檢測的特性，導(dǎo)致了堆芯最高溫度（TMAX）增加，堆芯飽和溫度裕度（ΔTSAT）減小。如果此時電站功率＜10%FP，且ΔTSAT＜報警限值（20℃），則觸發(fā)堆芯飽和溫度裕度低報警。

論文分析了堆芯熱電偶斷線及斷線恢復(fù)時的瞬態(tài)過程，以及該過程對堆芯飽和溫度裕度的影響機理，描述了在熱停、冷停堆期間避免產(chǎn)生堆芯最小飽和裕度波動的方法。

3.2 熱電偶斷線及斷線恢復(fù)分析

3.2.1 飽和溫度裕度計算原理

①計算一回路飽和溫度TSAT

計算公式為：TSAT=179.895+99.86X+24.38X2+5.67X3+0.935X4

一回路飽和溫度的可用性：

A_TSAT=A_PABS；當(dāng)A_TSAT=0時，TSAT保持上一周期的計算值，即TSAT=TSAT(n-1)。其變量名稱和變量描述如表1。

表1

②計算堆芯飽和裕度

計算公式為：

飽和裕度的可用性：

A_△TSAT=A_TSAT*A_TRIC-MAX，當(dāng) A_TSAT=0時，TSAT保持上一周期的計算值，即△TSAT=△TSAT(n-1)，其變量名稱和變量描述如表2。

表2

圖1 飽和溫度裕度低報警原理

3.2.2 mv調(diào)理模塊特性

熱偶斷線后，mv調(diào)理模塊SAMK32A在不超過250ms的時間內(nèi)，輸出遞增到最大電流（對應(yīng)于1200℃）。斷線恢復(fù)時，在不超過250ms的時間內(nèi)，輸出從最大電流遞減至正常值。AI模塊的采樣周期為5ms，CPU的運算周期為25ms，因此，在熱偶斷線及恢復(fù)過程中，CPU將采集到多個周期的、虛假的、增大了的溫度值。

在堆芯平均溫度為300℃且穩(wěn)定，堆芯最大溫度為300℃，堆芯熱偶有效數(shù)量超過15只，PABS=15.5MPa的情況下，實測斷線時的△TSAT在100ms內(nèi)降低1.2℃并恢復(fù)；如果斷線時間超過3min，則斷線恢復(fù)之后的第60s，△TSAT瞬時降低19℃，在此后逐漸恢復(fù)正常值。

圖2 調(diào)理模塊原理

3.2.3 堆芯熱電偶斷線

假設(shè)熱偶斷線前為300℃，該熱偶溫度為堆芯最高有效溫度（TMAX），堆芯絕對壓力不變（PABS）。斷線后，mv調(diào)理模塊在不超過250ms的時間內(nèi)，輸出遞增到最大電流（1200℃），AI模塊的采樣周期為5ms，CPU的運算周期為25ms，因此，在溫度達(dá)到1200℃之前，CPU將采集到多個周期的、增大了的、虛假的溫度值。該溫度值經(jīng)過15s的濾波之后，溫度將增大。濾波公式如下：

經(jīng)過10個CPU運算周期，該TC被置為無效，此時濾波后溫度為305℃，即TMAX值將增加5℃，△TSAT下降5℃。

3.2.4 堆芯熱電偶斷線恢復(fù)

假設(shè)熱偶斷線時間足夠長，堆芯平均溫度300℃且穩(wěn)定，正常溫度300℃，堆芯最大溫度300℃，堆芯熱偶有效數(shù)量超過15只。

熱偶接通后，mv調(diào)理模塊輸出下降，軟件濾波后溫度值經(jīng)過60秒后，從最大溫度（1200℃）遞減到319℃，這段時間內(nèi)堆芯平均溫度變化超過了1℃/2分鐘，因此不進(jìn)行有效性校驗，該熱偶一直保持在無效狀態(tài)。

第61秒，該熱偶被置為有效，此時溫度為318℃，TMAX從300℃變?yōu)?18℃，第120s下降到300℃。而△TSAT則從下降18℃，到下降為0℃。

圖3為熱偶斷線及恢復(fù)對△TSAT的影響。

圖3 熱偶斷線及恢復(fù)對△TSAT的影響

3.3 熱電偶絕緣及連續(xù)性測量方法的改進(jìn)

綜上所述，通過對調(diào)理模塊輸出特性的分析，如果采用傳統(tǒng)的測量方法，將會對飽和裕度的計算帶來影響，那么該如何對測量方法進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化呢？通過對帶冷端補償熱電偶型模擬量輸入卡件的研究，進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)：冷端補償與熱電偶的斷線順序也會對調(diào)理模塊的輸出產(chǎn)生影響，測試結(jié)果如下。

當(dāng)測量端與補償電阻均斷線時，顯示定值-325.0（-25%）；當(dāng)測量端正常，補償電阻斷線時顯示定值-325.0（-25%）；當(dāng)測量端斷線，補償電阻正常時，顯示定值1338.97（102.998%）。

從理論分析上來看，在進(jìn)行熱電偶絕緣及連續(xù)性測量時，先斷冷端補償，再斷熱電偶；斷線恢復(fù)時，先恢復(fù)熱電偶再恢復(fù)冷端補償，這樣將會使調(diào)理板卡的輸出為量程下限，從而不會對最大溫度和飽和裕度的計算產(chǎn)生干擾。但在現(xiàn)場的實際驗證過程中，發(fā)現(xiàn)部分調(diào)理模塊的輸出特性并不穩(wěn)定：在恢復(fù)冷端補償時，輸出值向量程上限發(fā)生了短時跳變，又一次對飽和裕度的計算產(chǎn)生了干擾。

那么，是否可以從算法邏輯上對調(diào)理模塊的該特性缺陷進(jìn)行屏蔽？下面對熱電偶采集信號的算法邏輯進(jìn)行了分析。

熱電偶溫度mV信號，經(jīng)模擬量輸入板卡，送CPU單元，邏輯處理分三路：

1路：送KIC/BUP顯示，變量N*RIC***KM，該變量帶狀態(tài)位，無效時曲線用虛線顯示；

2路：經(jīng)一個15s的延時濾波環(huán)節(jié)，送入計算環(huán)節(jié)，其中包括溫度裕度計算；

3路：取熱電偶無效置量位，包括模擬量狀態(tài)位置1、高低超限（0～1200℃），都將無效置量位置1，KIC顯示變量為N*RIC***KS。

在現(xiàn)場工程師站進(jìn)行了模擬試驗，如果將第3路代表熱電偶溫度信號的質(zhì)量位狀態(tài)置于無效，那么就可以將該熱電偶剔除，從而不會參與最大溫度、平均溫度和飽和裕度的計算。

至此，在進(jìn)行熱電偶絕緣及連續(xù)性測量時，堆芯最小飽和裕度異常波動的根本原因已查明，為調(diào)理模塊本身設(shè)計缺陷所導(dǎo)致。為了從根本上避免該缺陷引起的飽和裕度不可用以及占用大修關(guān)鍵路徑時間，對以往的測量方法從軟件及硬件兩方面進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化，新的測試方法邏輯順序為：

①將*AK的數(shù)值強制為OFF；

②斷開冷端補償電阻；

③溫度顯示無效，實時值置下限；

④斷開熱電偶；

⑤完成熱電偶絕緣及連續(xù)性檢查；

⑥放電；

⑦恢復(fù)熱電偶；

⑧恢復(fù)冷端補償；

⑨溫度顯示有效，KIC中確認(rèn)實時值恢復(fù)到當(dāng)前正常值；

⑩取消*AK強制。

4 結(jié)論

新的測試方法不僅從根本上避免了在進(jìn)行熱電偶絕緣及連續(xù)性測量工作中產(chǎn)生的堆芯最小飽和裕度不可用的現(xiàn)象，同時也杜絕了由此項工作產(chǎn)生第一組I0而占用大修關(guān)鍵路徑的情況發(fā)生。隨著這一方法在多基地機組大修中的成功應(yīng)用，顯現(xiàn)出了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。