核電廠棒控棒位系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)診斷研究與實(shí)現(xiàn)

段鵬斌，張圣杰，梁 浪，許巖魯，袁艷純

（中廣核研究院有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引言

在核電廠中，棒控棒位系統(tǒng)（RGL）是最核心的儀控系統(tǒng)之一，其在核電廠的啟動(dòng)、功率轉(zhuǎn)換以及停堆過(guò)程中，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電流控制控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（CRDM）來(lái)實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆控制棒的保持、提升以及下插[1]。同時(shí)，系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控每束控制棒在反應(yīng)堆堆芯的絕對(duì)位置，從而實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆反應(yīng)性的控制，確保反應(yīng)堆一直工作在可控狀態(tài)。因此，機(jī)組安全、可靠、經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行在很大程度上取決于反應(yīng)堆棒控棒位系統(tǒng)的性能水平。為確保系統(tǒng)設(shè)備各功能的正常工作，目前通常在核電廠的調(diào)試和運(yùn)行維護(hù)階段，需要通過(guò)查看系統(tǒng)的報(bào)警來(lái)判斷系統(tǒng)的可用性，同時(shí)定期對(duì)棒控棒位系統(tǒng)進(jìn)行性能試驗(yàn)用以驗(yàn)證功能的完整性[2]。此方法雖然能驗(yàn)證系統(tǒng)是否正常工作，但是不能對(duì)系統(tǒng)的故障進(jìn)行預(yù)判以及診斷控制。然而，目前國(guó)內(nèi)外在此研究領(lǐng)域還處于起步階段，雖然國(guó)內(nèi)外已有學(xué)者對(duì)其進(jìn)行研究，但主要研究方向在于在試驗(yàn)狀態(tài)下驅(qū)動(dòng)電流的診斷[3-6]，而不能對(duì)整個(gè)棒控棒位系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)診斷，現(xiàn)亟需研發(fā)對(duì)應(yīng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和故障預(yù)判性。

本文結(jié)合目前“智能化電廠”發(fā)展方向，對(duì)核電廠棒控棒位系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)進(jìn)行研究，以棒控棒位系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)分析提前發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的異常、缺陷，同時(shí)結(jié)合預(yù)防性維修指導(dǎo)手冊(cè)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)和保養(yǎng)，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時(shí)延長(zhǎng)系統(tǒng)壽命。系統(tǒng)同時(shí)把核電廠多機(jī)組的運(yùn)行以及狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)以及大數(shù)據(jù)分析，逐步實(shí)現(xiàn)由預(yù)防性維修向預(yù)知性維修方向轉(zhuǎn)變，從而實(shí)現(xiàn)棒控棒位系統(tǒng)穩(wěn)定、高效地運(yùn)轉(zhuǎn)，提高電站的經(jīng)濟(jì)效益。

1 棒控棒位系統(tǒng)的組成

棒控棒位系統(tǒng)由棒控系統(tǒng)（RCS）和棒位系統(tǒng)（RPI）組成，其中棒控系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)邏輯處理及控制棒的驅(qū)動(dòng)；棒位系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)控制棒棒位的測(cè)量以及各種失步故障處理[7]。本文以某核電廠的棒控棒位系統(tǒng)為對(duì)象，介紹兩個(gè)子系統(tǒng)的組成及主要功能，其結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

1.1 棒控系統(tǒng)（包含CRDM）

棒控系統(tǒng)包含兩個(gè)邏輯柜以及16 個(gè)電源柜，每個(gè)柜子都包含一套可編程邏輯控制器（PLC）系統(tǒng)。其中邏輯柜處理上游指令，生成動(dòng)棒指令到對(duì)應(yīng)的電源柜，電源柜產(chǎn)生時(shí)序電流驅(qū)動(dòng)CRDM 動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)61 束控制棒的保持、提升和下插運(yùn)動(dòng)[8]。

1.2 棒位系統(tǒng)

棒位系統(tǒng)由兩個(gè)處理柜和4 個(gè)測(cè)量柜組成。系統(tǒng)通過(guò)測(cè)量感應(yīng)線圈的變化，生成格萊碼信號(hào)到棒位PLC 系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)變換處理后生成測(cè)量棒位，其測(cè)量精度為8 步。同時(shí)，棒位系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控61 束棒的給定及測(cè)量棒位變化，進(jìn)行控制棒失步等故障的監(jiān)測(cè)和處理。

2 監(jiān)測(cè)診斷方法

為了不影響原系統(tǒng)的控制性能，本監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)不參與棒控和棒位系統(tǒng)的控制，僅增加部分傳感器和網(wǎng)絡(luò)接口，通過(guò)高速采集卡和以太網(wǎng)通訊對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)以及系統(tǒng)參數(shù)等進(jìn)行讀取、存儲(chǔ)和分析，其組成結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成框圖Fig.2 Composition block diagram of the state monitoring system

由圖2 可知，監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)主要采集來(lái)自3 部分的數(shù)據(jù)：核電廠堆芯系統(tǒng)、棒控棒位系統(tǒng)以及新增的霍爾、溫度和振動(dòng)傳感器。

1）堆芯系統(tǒng)參數(shù)：棒控棒位系統(tǒng)的控制對(duì)象為核電廠堆芯的溫度和功率，其中堆芯系統(tǒng)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)發(fā)送堆芯參數(shù)到監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)，用以對(duì)棒控棒位系統(tǒng)診斷提供重要的上游參考。

2）棒控棒位系統(tǒng)參數(shù)：在棒控棒位系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程中，包含許多系統(tǒng)的狀態(tài)以及故障信息，如操縱員指令、系統(tǒng)各棒位信息、控制棒狀態(tài)、故障信息等。其囊括整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)邏輯，通過(guò)監(jiān)測(cè)其參數(shù)，可掌握整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，用于后續(xù)的分析和處理。

3）新增傳感器參數(shù)：為了監(jiān)測(cè)在電流驅(qū)動(dòng)以及棒束運(yùn)動(dòng)的特性，通過(guò)增加溫度、電流以及振動(dòng)傳感器采集整個(gè)系統(tǒng)的各個(gè)信息，用于實(shí)時(shí)分析和診斷。

2.1 動(dòng)棒時(shí)序電流監(jiān)測(cè)

棒控棒位系統(tǒng)通過(guò)產(chǎn)生嚴(yán)格的電流時(shí)序驅(qū)動(dòng)CRDM 線圈，實(shí)現(xiàn)控制棒的鉤爪動(dòng)作，從而控制控制棒束的提升、下插和保持。驅(qū)動(dòng)電流時(shí)序的質(zhì)量對(duì)控制棒的驅(qū)動(dòng)有著關(guān)鍵的作用，如實(shí)際電流時(shí)序偏離設(shè)計(jì)要求，則有可能產(chǎn)生控制棒的拒動(dòng)和誤動(dòng)，更為嚴(yán)重的可能產(chǎn)生落棒停堆的后果[9]。因此，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)時(shí)序電流并給出對(duì)應(yīng)的分析報(bào)警，在電廠的安全運(yùn)營(yíng)中有著重要的意義[10]。然而，在實(shí)際電廠的運(yùn)營(yíng)中，運(yùn)維人員只能通過(guò)定期試驗(yàn)來(lái)檢查驅(qū)動(dòng)電流是否滿足系統(tǒng)要求，而無(wú)法做到電流的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析。

本系統(tǒng)在不影響棒控棒位系統(tǒng)功能的前提下，通過(guò)增加電流傳感器的方式，實(shí)時(shí)高速采樣驅(qū)動(dòng)電流，并進(jìn)行存儲(chǔ)和分析。當(dāng)控制棒在保持階段時(shí)，如其實(shí)際輸入電流偏離穩(wěn)態(tài)值，產(chǎn)生報(bào)警；當(dāng)控制棒在運(yùn)動(dòng)時(shí)，則通過(guò)讀取控制器的動(dòng)棒信息對(duì)實(shí)時(shí)時(shí)序電流進(jìn)行分析，如電流不滿足設(shè)計(jì)要求，則給出對(duì)應(yīng)的報(bào)警，同時(shí)進(jìn)行系統(tǒng)分析，得出對(duì)應(yīng)的故障點(diǎn)和處理措施給予運(yùn)維人員參考，從而快速實(shí)現(xiàn)故障的定位和排除。同時(shí)，工作人員也可調(diào)取歷史電流曲線，進(jìn)行故障回溯等操作。

2.2 振動(dòng)監(jiān)測(cè)

在動(dòng)棒過(guò)程中，棒控系統(tǒng)產(chǎn)生的時(shí)序電流通過(guò)線圈驅(qū)動(dòng)控制棒的3 個(gè)鉤爪進(jìn)行動(dòng)作。然而每束控制棒鉤爪為機(jī)械結(jié)構(gòu)，且長(zhǎng)期處于高溫高壓的惡劣環(huán)境中，在長(zhǎng)期的使用中會(huì)產(chǎn)生機(jī)械疲勞等缺陷，其會(huì)導(dǎo)致可靠性降低，對(duì)電廠的安全運(yùn)營(yíng)造成隱患[11]。然而，在實(shí)際的動(dòng)棒中，棒控系統(tǒng)只生成電流以驅(qū)動(dòng)控制棒，而沒(méi)有對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)控制棒是否按照指令進(jìn)行動(dòng)作。因此，本系統(tǒng)對(duì)每束控制棒增加振動(dòng)傳感器，其實(shí)時(shí)采集、存儲(chǔ)和分析振動(dòng)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)監(jiān)測(cè)，提升系統(tǒng)的可靠性。

在控制棒保持階段，系統(tǒng)通過(guò)時(shí)域轉(zhuǎn)頻率分析模塊，把采集到的振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào)，對(duì)每束棒的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行頻域分析，并與其固有振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行比較分析，如其偏離安全閾值，則給予相應(yīng)的預(yù)警信息，用以提前發(fā)現(xiàn)和解決故障。

在控制棒的提升和下插階段，每動(dòng)作一步，其振動(dòng)都有其特有的振動(dòng)曲線，系統(tǒng)通過(guò)分析其提棒和插棒的動(dòng)作特征點(diǎn)進(jìn)行識(shí)別來(lái)判斷實(shí)際動(dòng)作是否實(shí)際被執(zhí)行，從而精確地掌控系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。

2.3 系統(tǒng)預(yù)報(bào)警及自學(xué)習(xí)

在監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)中，預(yù)報(bào)警是其重要的組成一部分。為了提高預(yù)報(bào)警的準(zhǔn)確性，則要求系統(tǒng)具備模型自學(xué)習(xí)功能，通過(guò)不斷的自我學(xué)習(xí)用以更新系統(tǒng)模型，才能實(shí)現(xiàn)預(yù)報(bào)警的準(zhǔn)確，其故障預(yù)警流程如圖3 所示。

圖3 自學(xué)習(xí)故障預(yù)警流程圖Fig.3 Self learning fault warning flowchart

智能預(yù)警是基于對(duì)故障機(jī)理和統(tǒng)計(jì)分布的，其中故障機(jī)理具有普適性。在棒控棒位系統(tǒng)中，涉及到的設(shè)備多，工藝及工況都復(fù)雜，其中電源柜數(shù)量達(dá)到16 個(gè)，控制棒棒束達(dá)到61 根，其運(yùn)行參數(shù)和報(bào)警限值都因本身的差異存在不同。因此，統(tǒng)計(jì)分布是對(duì)每一具體的設(shè)備形成獨(dú)有的基準(zhǔn)線，即通過(guò)系統(tǒng)的自學(xué)習(xí)功能，針對(duì)每一個(gè)電源柜、每一根棒束建立一個(gè)特有的模型，用于獨(dú)有的預(yù)報(bào)警及故障分析，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)每一臺(tái)電源柜、每一根棒束有效的預(yù)報(bào)警及故障分析。

綜上所述，棒控棒位狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)棒控棒位系統(tǒng)多項(xiàng)運(yùn)行狀態(tài)，自學(xué)習(xí)并評(píng)估指標(biāo)的趨勢(shì)變化，為機(jī)組安全、可靠運(yùn)行及健康評(píng)估，科學(xué)維修提供決策支持。

2.4 大數(shù)據(jù)分析及處理

在所有核電廠的棒控棒位系統(tǒng)中，特別是在同類型機(jī)組的情況下，都有著相似的模型參數(shù)及故障機(jī)理。因此，把所有電站的棒控棒位系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總處理，對(duì)電站的運(yùn)行安全以及后續(xù)設(shè)備改造升級(jí)有著重要的意義。

狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)以太網(wǎng)把每個(gè)電站的數(shù)據(jù)統(tǒng)一上傳至數(shù)據(jù)中心。大數(shù)據(jù)分析和處理單元讀取每個(gè)電站的數(shù)據(jù)后，通過(guò)人工智能進(jìn)行數(shù)據(jù)分類和擬合處理，經(jīng)由大量數(shù)據(jù)分析比較，智能分析出系統(tǒng)的故障分布、實(shí)時(shí)狀態(tài)及設(shè)備健康狀況等，用于電站運(yùn)維人員以及設(shè)備開(kāi)發(fā)人員提供參考，為系統(tǒng)以及電站的穩(wěn)定運(yùn)行提供數(shù)據(jù)支撐。

3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

在某核電廠中，搭建了一套棒控棒位狀態(tài)監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)，其配置參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)配置清單Table 1 Configuration list of online monitoring system

狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4 所示。數(shù)據(jù)處理中心通過(guò)高速采集卡電流和振動(dòng)信號(hào)，其中棒控棒位系統(tǒng)的電流通過(guò)霍爾傳感器讀??；動(dòng)棒產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)信號(hào)通過(guò)麥克風(fēng)傳感器讀取。同時(shí)，其通過(guò)網(wǎng)絡(luò)和棒控棒位系統(tǒng)、群廠控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)交互，讀取和記錄系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、系統(tǒng)報(bào)警及核反應(yīng)堆狀態(tài)等信息。

圖4 狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure diagram of state monitoring system

在動(dòng)棒過(guò)程中，其線圈電流波形和振動(dòng)信號(hào)存在相互關(guān)聯(lián)。以提棒時(shí)序?yàn)槔?，其電流波形和振?dòng)信號(hào)如圖5 所示，其中振動(dòng)信號(hào)為鉤爪動(dòng)作產(chǎn)生。系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)識(shí)別動(dòng)棒過(guò)程中各個(gè)動(dòng)作點(diǎn)，并給出具體的動(dòng)作點(diǎn)數(shù)值及建議。

圖5 實(shí)際動(dòng)棒電流及振動(dòng)波形Fig.5 Actual moving rod current and vibration waveform

監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)分析電流和振動(dòng)信號(hào)的關(guān)系，智能判斷動(dòng)棒是否正常，如出現(xiàn)動(dòng)棒不到位、滑步等異常情況，則會(huì)在上位機(jī)中給出相應(yīng)報(bào)警。

CRDM 系統(tǒng)會(huì)隨著使用時(shí)間及動(dòng)作次數(shù)的增多其特性也會(huì)發(fā)生變化，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)機(jī)理及自學(xué)習(xí)模型，根據(jù)當(dāng)前系統(tǒng)投入時(shí)間及動(dòng)作次數(shù)來(lái)估算設(shè)備壽命，動(dòng)態(tài)調(diào)整報(bào)警閾值及相關(guān)參數(shù)，提前給出預(yù)警信息。

4 結(jié)論

本文對(duì)核電廠棒控棒位監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)進(jìn)行研究，通過(guò)對(duì)棒控棒位系統(tǒng)的組成以及主要存在的問(wèn)題進(jìn)行分析，并在此基礎(chǔ)上闡述了狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成、工作原理及分析處理方法。同時(shí)，在現(xiàn)場(chǎng)搭建了實(shí)際監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和分析，對(duì)電站的運(yùn)維以及系統(tǒng)的升級(jí)開(kāi)發(fā)有著重要的參考意義。