CPR1000棒控棒位系統性能試驗研究及開發

賴厚晶 陳衛華 姚立民 鐘立平 李亞堅 劉 琢

(中廣核工程有限公司，廣東 深圳 518124)

0 引言

在核電站中，棒控棒位系統用于提升、插入，以及保持和監視反應堆內各控制棒的位置，實現反應堆的啟堆、停堆和穩定運行。為了檢查和驗證系統設備的可用性，確保系統功能得以正確實現，在電站的調試以及運行維護階段，需要對棒控棒位系統定期進行性能試驗。本文通過對CPR1000機組棒控棒位系統性能試驗設備的說明，及其與傳統試驗方法的對比表明，該設備能夠有效地縮短電站棒控棒位系統在建造階段的調試周期及運營階段的維護時間，給電站的調試及運行維護帶來了極大的便利。

1 性能試驗原理

通常，棒控棒位系統定期試驗包括棒位測量通道檢查試驗、功率棒標定試驗、控制棒可用性試驗、SD棒功能試驗等［1－2］。CPR1000棒控棒位系統性能試驗設備可以高效地完成3個定期的性能試驗，即落棒時間試驗、控制棒驅動機構(control rod drive mechanism，CRDM)動作性能試驗和棒位探測器線性試驗。以下分別對這3個性能試驗進行詳細介紹。

1.1 落棒試驗原理

在每一次換料大修之后或在其他對堆芯的幾何結構有影響的操作之后，機組處于熱停堆或冷停堆狀態時，須在額定流量下完成控制棒的落棒試驗，以檢查每束控制棒的落棒時間是否滿足驗收準則。

1.1.1 落棒試驗方法

通過主控室操作，將被測棒組提升至堆頂，然后斷開控制該棒組的電源控制柜的供電開關，被測棒組的8束控制棒隨即掉落至堆芯底部。在落棒過程中，采集的信號有:①被測棒組的8束控制棒的棒位探測器原邊線圈的電壓;② 電源控制柜保持線圈的電流(以電壓形式表示)。

記錄保持線圈電流波形是為了測量從保持線圈電流斷開、電流下降至33%到控制棒開始運動之間的時間。因電磁感應，落棒過程會導致該棒束的棒位探測器原邊線圈的感應電壓發生變化。在控制棒下落過程中，該感應電壓將會增加，直至棒束下落到堆芯底部緩沖器。當棒束下落到緩沖器時，感應電壓將會迅速減小至接近零。

1.1.2 落棒時間驗收準則

在落棒試驗中，記錄的棒位探測器原邊線圈電壓信號波形如圖1所示。

圖1 落棒時間曲線Fig.1 Curve of rod drop time

落棒時間需要滿足的條件如表1所示。表1中，N為試驗棒總數。

表1 落棒時間準則Tab.1 Criteria of rod drop time

1.2 CRDM性能試驗原理

在調試階段，為了驗證控制棒驅動機構(CRDM)能夠按照規定時序進行動作，需要進行CRDM性能試驗。在運營階段的機組大修期間，與CRDM相關的檢修活動結束之后，需要對CRDM性能進行再鑒定，以保證CRDM動作正常。

1.2.1 CRDM 性能試驗方法

在被測子棒組提升或者下插過程中，CRDM性能試驗需采集的信號有:①位于反應堆廠房的麥克風聲音信號;②被測子棒組的電源控制柜的保持線圈(SG)、移動線圈(MG)和提升線圈(LC)的電流。

通過記錄3個線圈的電流，可驗證電流是否在允許誤差范圍內。在控制棒動作時，位于CRDM吊耳的麥克風采集CRDM動作產生的聲音信號。將其與CRDM動作時3個線圈的電流波形進行對比，可定義各個動作點，從而驗證CRDM動作是否正常。

1.2.2 CRDM 性能試驗準則

被測子棒組的電源控制柜的保持線圈(SG)、移動線圈(MG)和提升線圈(LC)的電流需滿足以下要求。

① 電流大小:SG全電流為(8±0.3)A，SG半電流為(4.7 ±0.2)A;MG 全電流為(8 ±0.3)A，MG 半電流為(4.7 ±0.2)A(雙夾持);LC 全電流為(41.6 ±1.6)A，LC 半電流為(16±0.6)A。

②電流時序。800 ms周期提升時序如圖2所示。圖2中，FC表示全電流、RC表示半電流、ZC表示零電流。

圖2 800 ms周期提升時序Fig.2 Withdrawal sequence of 800 ms period

800 ms周期下插時序以及停堆后第一步提升時序如表2所示。

表2 下插時序以及第一步提升特殊時序Tab.2 Insertion sequence and the 1st step particular withdrawal sequence

1.3 棒位探測器線性試驗原理

棒位探測器線性試驗是在調試及大修期間，經過棒位處理模塊MCP22的閾值電壓調整以及電源模塊MCP10的電流調整后，對棒位探測器的動態響應性能和靜態測量線性度進行檢查，并在必要時對MCP22閾值電壓作進一步調整。

1.3.1 MCP22 調整試驗

調整次邊線圈閾值電壓的設定值如表3所示。

表3 MCP22閾值電壓設定值Tab.3 Set points of MCP22 threshold voltage

1.3.2 MCP10 調整試驗

控制棒位于0步時，將MCP10電流調整至1.45 A;控制棒位于160步時，將MCP10電流調整至1.6 A。

1.3.3 動態運行試驗

對于控制棒，采用校正2模式(功率棒用校正1模式)，以72步/min的最快速度將試驗子棒組提升至225步，然后下插至5步。在提、插棒期間，注意觀察試驗子棒組的顯示模塊MCP30。當棒位顯示由一個燈向上/下一個燈切換時，沒有閃爍和跳躍現象，則確認顯示切換是一次性穩定進行的;若發現切換時燈閃爍跳躍，則記錄相應的命令棒位和MCP30燈號。在完成一次提、插棒循環后，對相應的MCP22閾值電壓進行調整。隨著數字化技術的應用，動態線性試驗的方法也有所變化。

1.3.4 靜態線性試驗

同理，采用校正2模式(功率棒用校正1模式)，將試驗子棒組提升至225步，然后下插至5步。在此過程中記錄被測子棒組各棒的棒位指示燈切換時所對應的需求棒位。將棒連續插回5步并作同樣的記錄。同時對另一子棒組做同樣的操作和記錄。重復上述各步，直至完成其他指定子棒組的靜態線性度檢查。若發生MCP30指示燈切換時閃爍或跳躍現象，或最大誤差(線性度)越界，則對MCP22進行調整。

1.3.5 靜態線性試驗準則

①提棒過程最大誤差的計算

負誤差:某指示燈亮時的實際切換棒位(Sw，n)－該指示燈代表的理論棒位。正誤差:［某指示燈滅時(即其上一個指示燈亮時)的實際切換棒位(Sw，n+1)－1］－該指示燈代表的理論棒位。

②插棒過程最大誤差的計算

正誤差:某指示燈亮時的實際切換棒位(Si，n)－該指示燈代表的理論棒位。負誤差:［某指示燈滅時(即其下一個指示燈亮時)的實際切換棒位(Si，n－1)+1］－該指示燈代表的理論棒位。最大誤差(即線性度)不得超過(+5，－6)步或(+6，－5)步。當因MCP30指示燈非平穩切換而需重調MCP22 A通道閾值電壓時，允許最大誤差不超過(+7，－4)步。

2 CPR1000棒控棒位性能試驗系統

隨著核電站全廠數字化控制系統的引入，CPR1000棒控棒位系統也實現了數字化控制。為與棒控棒位系統數字化相匹配，提高性能試驗的效率，CPR1000在建機組開發了一套全自動、高集成化的性能試驗設備［3－4］。

2.1 測試臺架

2.1.1 測試臺架硬件

測試臺架是一個由24U標準19英寸(1英寸=25.4 mm)機架組成的機柜，外觀尺寸為1380 mm(H)×600 mm(W)×800 mm(D)，裝有活動小輪，使用非常靈活方便。測試臺架主要由計算機及打印機、數據采集系統、接口機架、連接板件和供電板件組成。

①計算機及打印機運行測試臺架軟件，執行測試命令，并提供人機接口，打印試驗結果。

②數據采集系統主要由集成在中央處理單元的NI板件組成，用于采集8個模擬量信號(棒位探測器的原邊線圈電壓或麥克風聲音信號)和1個數字信號(多路選擇器信號)，以及24個CRDM線圈電流信號。

③接口機架主要由輸入、輸出卡件組成，輸入來自連接板件的信號，并將這些信號輸出至數據采集系統。

④連接板件提供與棒控電源柜、通信盒等外部設備連接的接插件。

⑤供電板件主要由開關板組成，為測試臺架供電，并提供START/STOP命令按鈕，以及供電狀態的顯示。

2.1.2 測試臺架軟件

測試臺架使用英文界面，在Windows XP Pro操作系統下運行，應用軟件包括NI卡件的驅動軟件以及測試臺架應用軟件，可執行CRDM性能試驗、落棒試驗和棒位探測器線性試驗。對于每一試驗，操作人員可通過軟件進行采集更新，對采集數據進行分析，并打印試驗報告。如試驗結果超出準則，軟件會自動報警。為便于操作人員熟悉操作，人機接口與棒控棒位系統服務單元界面應保持一致。

當開啟計算機后，應用軟件程序自動啟動，系統未設置登錄以及密碼輸入界面。當軟件運行后，會出現操作主界面，操作人員可在該界面中選擇要執行的試驗。總體來說，軟件操作界面友好、簡單易學，試驗標準參數以及分析曲線可根據需要進行調整，操作非常方便。

2.2 麥克風組件

這里使用的麥克風組件與大亞灣、嶺澳一期使用的麥克風組件功能相同。在進行CRDM性能試驗時，將61個麥克風固定在CRDM的吊耳處，以采集CRDM動作時的聲音信號。

2.3 通信盒及電話

這里使用的通信盒及電話與大亞灣、嶺澳一期使用的設備功能基本相同，主要用于不同廠房之間的電話通信以及信號傳輸;區別在于從核島廠房到連接廠房增加了多路選擇器的控制信號。

2.4 就地控制箱及遠程控制箱

與大亞灣、嶺澳一期相比，核島廠房增加了1個就地控制箱，連接廠房增加了1個遠程控制箱。操作人員在連接廠房即可選擇所試驗棒組的麥克風信號或棒位探測器原邊線圈電壓信號，無需在一組棒組試驗完成后到核島廠房進行試驗棒組的手動切換。這不僅為試驗人員帶來了極大的便利，而且減少了核島操作給試驗人員帶來的輻射劑量。

2.5 延伸板

延伸板可安裝在棒位處理機柜的電源模塊(MCP10)以及編碼模塊(MCP22)的卡槽位置。在進行棒位探測器線性試驗時，將試驗棒組的棒束所對應的MCP10/MCP22模塊拆卸下來，將延伸板安裝在其卡槽內，再將MCP10/MCP22模塊插在延伸板上，從而輸出試驗所需的信號。

2.6 性能試驗系統組成

綜上所述，性能試驗系統由1個測試臺架、61個麥克風組件、4個通信盒及電話、1個就地控制箱、1個遠程控制箱和8個延伸板組成，通過通信及控制電纜與控制棒驅動機構、棒位探測器、棒位測量柜以及棒控電源柜連接。系統總體結構如圖3所示。

圖3 性能試驗系統總體結構圖Fig.3 Overall architecture of the performance test system

3 CPR1000棒控棒位性能試驗方法

操作人員使用性能試驗系統設備進行試驗，通過電話與主控室的操縱員配合，在連接廠房內即可完成所有試驗［5－6］。以下介紹該系統的試驗方法及步驟。

3.1 落棒試驗

采用性能試驗系統進行落棒試驗，最多可選擇1組棒組，也就是2個子組棒束同時進行試驗，可采集8個棒位探測器原邊線圈電壓以及8個CRDM保持線圈電流。落棒試驗步驟如下。

①將試驗棒組的MCP10模塊的旋鈕打到“PRIMARY OPEN”位置，連接 MCP10、電氣廠房通信盒、連接廠房通信盒、測試臺架間的電纜。測試臺架通過該電纜采集棒位探測器原邊線圈電壓信號。

②連接測試臺架與棒控電源柜間的電纜，可采集CRDM保持線圈電流信號。

③電話通知位于主控室的操縱員將試驗棒組提升到堆頂。

④開啟測試臺架，啟動落棒試驗程序。

⑤將位于連接廠房的相應的棒控電源柜的供電開關斷開，棒束自由落下。

⑥關閉落棒試驗程序，打印結果或將結果存儲在磁盤內。

3.2 CRDM 性能試驗

采用性能試驗系統進行CRDM性能試驗，最多可選擇1組棒組，也就是2個子組棒束同時進行試驗，可采集8個麥克風聲音信號，8個CRDM保持線圈電流、8個CRDM移動線圈電流以及8個CRDM提升線圈電流信號。試驗步驟如下。

①在核島廠房，將61個麥克風夾在CRDM吊耳處。連接就地控制箱、核島廠房通信盒、連接廠房通信盒、測試臺架之間的電纜。測試臺架通過該電纜采集8個麥克風聲音信號。

②連接就地控制箱、核島廠房通信盒、連接廠房通信盒、測試臺架之間的電纜。試驗棒組選擇控制信號并通過該電纜傳輸。

③連接棒控電源柜、測試臺架之間的電纜，測試臺架通過該電纜傳輸CRDM線圈電流信號。

④開啟測試臺架，選擇CRDM性能試驗程序，電話通知位于主控室的操作員需進行試驗的棒組、動作方向及命令棒位。

⑤關閉CRDM性能試驗程序，打印結果或將結果存儲在磁盤內。

3.3 棒位探測器線性試驗

采用性能試驗系統進行棒位探測器線性試驗，最多可選擇1組棒組，也就是2個子組棒束同時進行試驗，可采集8根控制棒束測量棒位以及2個子組需求棒位。試驗步驟如下。

① 調整 MCP22、MCP10。

②將測試臺架通過RJ45光纜與連接廠房內控制邏輯柜的服務單元相連，實現測試臺架與棒控棒位系統服務單元網絡的連接。

③開啟測試臺架，選擇棒位探測器線性試驗程序，電話通知位于主控室的操作員，將S試驗棒組以一定的棒速從堆底進行提升或從堆頂進行下插動作。

④通過服務單元或主控室觀察測量棒位在提升和下插過程中是否正確動作，以驗證棒位探測器的動態響應。如果動作不正確，進一步調整MCP22。

⑤測試臺架自動記錄測量棒位跳轉時刻的需求棒位，以驗證棒位探測器的靜態響應。

⑥關閉CRDM性能試驗程序，打印結果或將結果存儲在磁盤內。

4 CPR1000棒控棒位性能試驗系統特點

棒控棒位性能試驗比較如表4所示。

表4 棒控棒位性能試驗比較Tab.4 Comparison of rod control and rod position performance tests

由表4可知，由于數字化及計算機技術的使用，與嶺澳一期相比，CPR1000棒控棒位性能試驗系統大大簡化了性能試驗的步驟，增強了參數設置的靈活性，方便了數據存儲，并提高了試驗效率及準確性。

5 結束語

CPR1000棒控棒位性能試驗系統設備采用成熟的數字化技術以及計算機應用技術，實現了在1個房間內操作即可完成落棒時間試驗、CRDM性能試驗以及棒位探測器線性試驗。通過完善的軟件設計以及硬件配置，可以便捷、準確地進行試驗操作及分析，告別了純粹手動分析的歷史。因此，該系統設備具有先進、智能、準確等特點，不僅可以用于CPR1000棒控棒位系統性能試驗，而且也可用于同類型百萬千瓦級“二代加”技術核電站棒控棒位系統性能試驗。

［1］黃可東，張英，王華金，等.廣東嶺澳核電二期工程數字化棒控棒位系統設計［J］.核動力工程，2008，29(2):105 －109.

［2］劉沖，周建良，譚平.基于數字化控制的核電站反應堆功率控制系統［J］.南華大學學報:自然科學版，2010，24(3):53 －57.

［3］王萍，孫建平，高明.數字化的RGL系統設計［J］.電力科學與工程，2011，27(6):63 －66.

［4］劉沖，周劍良，姚秋果.核電廠反應堆功率數字冗余控制系統及其可靠性［J］.核電子學與探測技術，2009，29(4):713 －717.

［5］張之華.新型控制棒可動線圈電磁驅動線落棒試驗［J］.原子能科學技術，2009，43(S1):319 －322.

［6］蘇林森.900MW壓水堆核電站系統與設備［M］.北京:原子能出版社，2004:278－283.