反應堆控制保護系統監測參數校準

王學杰,朱世雷 ,黃 文,代君龍,謝 俊,唐鳳平

(中國工程物理研究院核物理與化學研究所,四川 綿陽 621900)

反應堆功率控制系統實時監測堆芯中子注量率,將堆功率信號提供給反應堆運行人員和功率控制系統。反應堆保護系統連續監督反應堆的狀態,監測所確定的保護變量,當監測變量達到或超過保護整定值時,自動給出保護觸發信號。

反應堆控制保護系統測量參數的準確性,系統工作的可靠性、穩定性都關系到反應堆的運行安全,特別是反應堆保護變量的測量精度,各個通道測量的一致性和保護觸發的準確性是否符合運行限值的要求等,是調試的主要內容,也是反應堆運行期間關注的重點。

1 反應堆控制保護系統

反應堆控制保護系統包括：核測系統、保護系統、ATWS(Anticipated Transients without Scram)事故緩解裝置、功率控制系統、報警系統、反應堆DCS(Decentralized Control System)和控制棒驅動機構。其功能是監測反應堆堆芯中子注量率、反應堆熱工參數等,使反應堆按所需功率運行并維持相關參數在安全限度內。當被監測參數超過報警閾值時,發出聲光報警信號,提醒操作人員采取糾正措施;當被監測參數達到或超過保護整定值時,向保護系統發出保護觸發信號,實現安全停堆。

過程測量系統送保護系統的溫度、流量、壓力和液位等信號采用標準4～20 m A電流信號[1];核測系統的周期測量保護裝置,送保護系統的堆功率增長周期信號,采用4～20 mA電流信號表示-5～∞～5 s,兩者關系見圖1;核測系統的功率測量保護裝置,用4～20 mA電流信號表示堆功率有效值0.0～5.0,再配3位二進制數表示的功率檔位信息,000～111表示1W～10 MW,8個數量級[2],功率測量保護裝置輸入與輸出信號的關系見表1;電氣系統、輻射防護系統送保護系統采用開關量形式。保護系統需要校準的是模擬量輸入信號。

圖1 周期測量保護裝置輸出4～20m A電流信號與周期的關系Fig.1 Relation betw een 4～20 mA current w ith reactor period output from period measuring protection equipment

2 過程測量系統校準

過程測量系統采用傳感器、變送器和二次儀表分別校準的方法,再合成每個測量通道的測量誤差。調試期間,過程測量系統的流量、溫度、壓力和液位變送器可以在計量站檢定。流量儀表的傳感器——孔板,用超聲波流量計現場比對標定。堆芯出口溫度和堆芯出入口溫差,在反應堆工藝系統非核調試階段72 h連續運行期間,隨著堆池水溫的升高(只運行一回路,不啟動二回路冷卻系統)同時進行了校準。

3 核測系統與保護系統接口

圖2是核測系統一個通道與保護系統接口連接圖。核測系統的小電流放大器將電離室傳來的電流信號轉換成0～5 V電壓信號和二進制檔位信息,分別送核測功率測量保護裝置(以下簡稱功保)和周期測量保護裝置(以下簡稱周保)。

功保將 0～5 V電壓信號轉換成4～20 mA的電流信號,包括檔位信息經隔離后一起送保護系統和報警系統。

周保內的 MCU(M icrop rogrammed Control Unit)根據0～5 V電壓信號和擋位信息,用軟件計算的方法得到反應堆功率增長周期,并輸出經隔離的4～20 m A表示周期的電流信號到保護系統。周保的MCU還將計算得到的周期信號經隔離后以11位二進制數的形式送報警邏輯柜。

反應堆保護系統接收功保和周保的輸出信號,與保護設定值比較,若超過限制則觸發停堆。保護系統監測參數除用于本機柜顯示外,還以隔離的串行通訊方式轉發給反應堆DCS系統。

由于報警邏輯柜是反應堆DCS的一個過程控制站,所以DCS系統也可以通過報警邏輯柜得到核測參數。這樣在反應堆DCS系統中就有2組核測數據,一組是經保護系統轉發來的數據;另一組直接測量的數據,形成功率超定值105%和周期小于 20 s的預報警“黃燈”信號。

4 功保的校準

根據1E級設備與非核級設備之間的隔離要求,功保輸出信號采用了隔離措施。2個模擬量隔離模塊將I/V轉換結果0～5 V電壓信號,再V/I變換成4～20 mA電流信號,輸出到保護系統和報警系統。由于2路V/I轉換器件產生的轉換誤差,2路4～20m A電流就不一致,再加上功保輸出信號的接收端——保護系統與報警系統采集端口的測量精度也有區別,這樣導致一臺功保輸出信號在保護系統與DCS顯示值不一致。單獨測試功保、保護系統與DCS的測量精度都滿足技術要求,但連接在一起,誤差疊加,整個測量通道的測量誤差就不能接受了。表2列出功保3個測量通道的測量數據在保護系統與DCS的顯示值。

表1 功率測量保護裝置輸入信號與輸出信號關系對照表Table 1 Relation between input and outputsignals from reactor power measuring protection equipment

由于反應堆核功率保護定值是操縱員根據實際運行功率設定,堆運行功率為P,保護系統功率保護設定值為1.1P。保護系統監測的是功率的相對變化量,只要功保測量通道能保持線性關系就可以保證事故觸發信號的準確。從保護系統3個測量通道的顯示值可以看到,功保同一通道同一檔位的線性度滿足保護觸發精度的要求。

反應堆預報警的功率定值是將保護系統的功率定值除以1.1再乘1.05得到的。

保護系統測量值與報警系統測量值過大的偏差,使得預報警信號不能與事故信號保持1.05∶1.1的比例關系,甚至預報警信號在事故信號之后觸發。

圖2 核測系統與控制保護系統接口連接圖Fig.2 Interface between neutron fluxmeasurement instrumentation and reac tor control protection system

功保的校準采用軟件修正的方法。通過修改報警邏輯柜內DCS過程站通道采集軟件,使報警系統的測量值與保護系統的測量值一致,這樣可以保證預報警信號與事故信號1.05∶1.1的關系,同時主控室計算機CRT上2個顯示畫面(經保護系統轉發來的數據,DCS直接采集的數據)的功保數據也能保持基本一致。

表2 核測功保的測量數據在保護系統與DCS系統的顯示值Table2 Power signals disp lay on the p rotection system and DCS

5 核測周保的校準

周保利用功保的I/V轉換后的電壓信號與擋位信息,通過軟件計算得到反應堆功率增長周期,周期采用刻度。周保輸出2路周期信號：一路是送報警系統的11位二進制數表示-5～∞～5 s(二進制數最高位是符號位,11111111111表示 -5 s,01111111111表示5 s,00000000000表示∞,二進制數與周期信號的關系見圖3),二進制數由核測周保內的微處理器(MCU)直接驅動;另一路是送保護系統的4～20 mA電流信號,表示-5～∞～5 s。4～20 mA電流信號是周保內MCU將周期信號通過D/A轉換變成0～5 V的周期信號,再 將0～5 V電壓信號進行V/I變換后得到的。

圖3 周保輸出11位二進制數與周期信號的關系Fig.3 Relationships betw een 11 binary number w ith reac tor period output from period measuring protection equipment

表3是周保3個測量通道的測試結果。由于周保送保護系統的信號經過數字量到模擬量,模擬量再還原數字量的多次轉換,轉換過程引入了較大誤差,甚至在周保輸入端加10 s周期信號,保護系統都未能給出短周期事故信號。而采用二進制數傳送的周期信號,沒有數據轉換過程引入的誤差,信號接收端——DCS的顯示值,與信號發送端——周保的測量值完全一致。周期信號的校準采用修改保護系統軟件的方法校準。采用線性修正方法修正非線性信號(刻度),只能針對事故信號觸發點進行修正,

表3 周保輸出周期信號在保護系統和DCS系統的顯示值Table 3 Period signal disp lay on the p rotection system and DCS

保證反應堆功率增長周期在10 s時,保護系統能觸發事故信號。這樣修正使得功率增長周期除了10 s這個測量點外,主控制室計算機CRT上,來自保護系統和來自報警系統的同一個測量參數——周期信號有2個不同的顯示值。

核測周保輸出電流從15.81～16.21mA,都代表10 s周期,保護系統用4～20 mA輸入信號作為事故觸發判斷較線性刻度更精確,但作為運行時功率增長周期顯示則不穩定。因為反應堆提升功率的倍增周期通常控制在60 s左右,12.68mA對應59 s,12.67m A對應60 s,0.01mA的變化對應1 s,不考慮周保信號的波動,測量系統引入的干擾就會使保護系統的周期顯示數據跳動,影響運行人員正確讀取數據。

6 結束語

通過開展控制保護系統監測參數的校準工作,提高了控制保護系統測量參數的可信度。準確觸發預報警和事故信號是反應堆運行在安全限值之內的保證。

[1] 石銘德.反應堆保護系統設計說明書[R].清華大學核能與新能源技術研究院,2002.

[2] 李保祥.反應堆核測系統設計說明書[R].清華大學核能與新能源技術研究院,2002.