高溫氣冷堆環境模擬裝置熱電偶信號波動問題研究

任 成，李聰新，楊星團

（清華大學 核能與新能源技術研究院 先進反應堆工程與安全教育部重點實驗室，北京 100084）

模塊式高溫氣冷堆技術由于其效率高、固有安全、用途廣等諸多優勢被認為是最有可能滿足第四代核能系統要求的堆型之一［1-2］。2006年初，“大型先進壓水堆及高溫氣冷核電站”被列為16個重大專項之一，計劃開展高溫堆關鍵技術研究并建立與之相應的工業體系，為高溫氣冷堆的商業化運行打好基礎，保持我國在高溫氣冷堆領域的領先優勢［3-4］。發展高溫氣冷堆技術是一項重大的國家戰略，對于帶動相關產業的發展具有重要意義。

目前，與高溫氣冷堆技術配套的工業體系方面，我國在設備制造國產化上已有所突破，但在材料配套工業方面尚有不足，諸多材料依賴進口，價格昂貴［5-6］。其實，目前國內工業界在高溫材料研發、制造方面已取得了長足的進步，新材料、新工藝層出不窮。主要制約因素是國內針對高溫氣冷堆環境中的材料測試、考驗等研究不足，很多材料能否在高溫氣冷堆環境氛圍下應用尚不清楚。

為此，清華大學核能與新能源技術研究院研制了模擬高溫氣冷堆堆內溫度、環境氛圍的材料試驗裝置［7-8］。研究證明，高溫氣冷堆在極限事故工況下，堆芯最高溫度也不會超過1 600 ℃。因此，該環境模擬裝置設計為可進行1 600 ℃及以下高溫碳還原環境下的實驗，展開相關材料的研究工作。對材料測試裝置而言，測試區內溫度的穩定準確測量是實驗成功進行的關鍵保障。實驗中發現裝置中心大電流加熱帶來的強電磁場對測試區內的熱電偶信號施加了很大的干擾。本文針對該方面的問題，進行信號干擾的分析實驗，明確干擾源及干擾途徑，提出切實可行的解決措施，較好地解決高溫堆環境模擬裝置中的熱電偶信號波動問題。

1 實驗裝置與現象

1.1 高溫堆環境模擬裝置內部結構

高溫氣冷堆環境模擬裝置如圖1所示，其主要目的是模擬反應堆堆芯內除放射性外的溫度、氣氛等環境，開展高溫氣冷堆相關材料的試驗工作。

圖1 高溫氣冷堆環境模擬裝置Fig.1 Environment simulation facility of high temperature gas-cooled reactor

該裝置的內部結構如圖2所示。其總體結構設計成真空石墨電阻爐形式，中心采用1個圓柱形管狀石墨電極作發熱體，銅電極和石墨連接電極穿過下保溫層連接到發熱體，提供電能。石墨發熱體外側罩有1個石墨均溫套筒，既起隔離作用，又能將周向溫度均勻化。四周保溫層采用碳氈材料，上下兩端較厚，四周保溫層較薄，使熱量盡量沿徑向傳遞。石墨均溫套筒與保溫層之間是寬度為100mm 的環形測試區，可放入各種待考驗的材料。保溫層外側為雙層水冷壁，同時也是爐內真空的密封邊界。

在這種結構下，環形測試區內的溫度可提升到設計要求的1 600 ℃，該溫度覆蓋了高溫氣冷堆在正常運行和極限事故下的全部溫度范圍。同時由于裝置所有部件的材料均為碳素材料，因此營造了與高溫氣冷堆堆內相似的強碳還原氣氛，可用于考驗材料的抗滲碳能力。環境模擬裝置中不同區域內均布置有測溫熱電偶，用于監測裝置內溫度場信息。其中保溫層內熱偶為K 型熱電偶，環形測試區內布置的是以鍛打鉬管作保護套管的鎢錸熱電偶。實驗數據采集選用的是英國施倫伯杰儀器公司生產的輸力強分布式穩態數據采集器IMP。IMP 數據采集模塊是為穩態數據采集設計的，單個通道的最高采集速率為8s-1，具有系統組成簡單、高精度、抗干擾性能強、現場分散安裝和適應惡劣環境等特點，適用工業環境下多路穩態信號采集監測。

圖2 環境模擬裝置內部結構Fig.2 Inside structure of environment simulation facility

1.2 實驗現象

圖3為1次鎢錸熱電偶在石墨球床中穩定性考驗實驗的溫度記錄數據。如圖2所示，環境模擬裝置的環形測試區中填滿了石墨球，鎢錸熱電偶插入其中，外保護套管與石墨直接接觸，考驗熱電偶保護套管的抗滲碳能力。該實驗經歷了升溫、1 100℃左右保溫、再升溫到1 600℃左右保溫的一個過程。可看到，環形測試區內溫度升到了1 600℃，達到了設計要求。

圖3 環形測試區內溫度歷史Fig.3 Temperature history in annular test zone

但是，在實驗過程中發現，盡管實驗的基本目標已經達到，環形測試區內石墨球床中鎢錸熱電偶的溫度示值卻并不穩定，波動很大。圖4為測試區內鎢錸熱電偶在1 630 ℃保溫階段時的瞬時采集信號，采用的是輸力強系統，每秒采集8個溫度信號。可看到，雖然整體平均溫度達到了設定值，但溫度示值有著無規律的±25 ℃的高頻波動。在本裝置中，溫度應是一種緩變量，這種頻率的大幅波動不應是真實工況的反映，而應是受外在干擾所致的示值波動。這種示值波動對高精度的溫度控制及測量無疑是影響很大的。

圖4 加電階段熱電偶信號波動Fig.4 Fluctuation of thermocouple signal during power on

而在試驗結束后，斷電降溫階段，鎢錸熱電偶的信號波動現象消失，如圖5所示，溫度示值在平均溫度附近僅有±0.5 ℃的示值波動。據此，可推測出測試區內的鎢錸熱電偶的示值波動應與中心石墨加熱電極通電加熱有關。

此外，在低溫區也進行了對比試驗，如圖6所示，在100 ℃附近，一旦加熱功率系統啟動，測溫熱電偶的溫度示值波動隨之出現，仍有50 ℃的幅度。低溫區的實驗排除了熱電偶受高溫滲碳效應的影響因素。

圖5 斷電階段熱電偶信號波動Fig.5 Fluctuation of thermocouple signal during power off

圖6 低溫階段熱電偶信號波動Fig.6 Fluctuation of thermocouple signal during low temperature stage

2 功率系統分析與實驗驗證

高溫氣冷堆環境模擬裝置采用的是低電壓大電流直流供電方式。額定功率容量為72kW，額定輸出電流1 800A，額定電壓40V。功率調節系統采用可控硅移相觸發方式實現輸出電壓無級調節，從而實現功率控制的目的。輸出電壓的調節范圍為0～98%滿量程。

2.1 功率系統結構

功率調節采用可控硅相控整流原理。每一相線上有兩只反向并聯的可控硅，通過控制信號實現電流雙向流通。它是通過在每個周期內調節可控硅導通的時間（導通角）來控制輸出功率的。在A、B、C 3點設置了3個觸發同步信號，實現對導通角的精確控制。另外，采用電流反饋的方式，設置了D、E、F 3個電流取樣點，當電流取樣值和電流設定值不一致時，把偏差信號加到導通角控制端，增大或減小導通角，實現電流的負反饋，最終穩定到電流的設定值，即功率穩定到了設定值。功率調節電路示于圖7。

功率控制系統與外部三相380V 動力電相連，再通過變壓器、整流電路將交流電變成直流，提供給石墨電加熱器使用。

2.2 實驗驗證

為了研究中心加熱系統功率調節方式影響熱電偶溫度示值的干擾途徑，采用NI高速同步數據采集板卡PXIe-6356，設計了裝置加熱電壓、加熱電流和熱電偶信號的高速同步數據采集軟件，對環境模擬裝置在加熱過程中的電壓、電流和熱電偶信號進行1 M／s速率的高速同步采集。取其中1個周期（0.02s）時間間隔內的20 000組測量數據進行分析。

高速采集的加熱電壓信號如圖8所示。由圖8可知，環境模擬裝置的直流加熱，電壓并不恒定，而是類似全波整流的波形，由可控硅控制每個半波的導通寬度，進而調節平均電壓。可觀察到，在可控硅導通的瞬間，引起了加熱電壓的1個階躍跳變。

高速采集的加熱電流信號如圖9所示。由圖9可知，加熱電流也并不恒定，而是類似三角波波形。可觀察到，在可控硅導通的瞬間，由于電壓的跳變，引起電流的瞬變，電流的平均值為400A 左右，但在突變的瞬間，電流存在大小在-1 000～3 000A 范圍內變化的尖峰。

圖7 功率調節電路Fig.7 Power regulation circuit

圖8 加熱電壓信號Fig.8 Heating voltage signal

圖9 加熱電流信號Fig.9 Heating current signal

高速采集的熱電偶溫度信號如圖10 所示。電流的瞬時劇烈變化引起了電磁干擾，在電流躍變點，熱電偶的測溫信號受到強烈干擾。由于熱電偶信號為微小的mV 電勢，電磁干擾引起的瞬態干擾量級達到了V 級，對應熱電偶溫度信號變化幅度可達數千℃。但可觀察到，熱電偶信號所受干擾并非在整個通電期間持續存在，而只是在可控硅導通瞬間存在瞬時尖峰干擾。

圖10 熱電偶信號Fig.10 Thermocouple signal

三者同步信號如圖11所示，其中，為了幅值匹配便于展示，電壓信號在作圖時放大了100倍。可看到，加熱電壓、電流、熱電偶信號的波動是同步的，且時間間隔固定。裝置的供電由50Hz工業電經三相整流得到，所以干擾點出現的頻率是300Hz，即熱電偶信號在每秒內存在300個干擾點。高溫氣冷堆環境模擬裝置所采用的IMP 數據采集器為穩態數據采集器，是一種低速數據采集。其硬件采用的是積分型A／D 結構，每秒采集8次數據，每次采集相當于測量了一段時間內的平均值。盡管其有一定的平均抗干擾作用，但由于干擾引起的溫度跳變幅度達上千度，因此當AD 轉換的積分過程中存在多個強烈干擾點時，測量結果必然受到干擾，表現出的則是無規則的幅度在50℃的波動。

圖11 加熱過程中電壓、電流、熱電偶信號同步變化Fig.11 Synchronization of voltage，current and thermocouple signal during power on

3 解決方案

針對上述由于功率系統可控硅調節導致的電磁干擾，最根本的辦法是對電磁干擾進行屏蔽，但往往較為復雜也難以徹底消除。為此，采用了較為簡單且實用的軟件解決方案。考慮到干擾僅在有限點處存在且具有固定頻率，如果數據采集系統以300 Hz的倍數或約數周期采集，如每 秒 采 集300、100、30、1 次 等，只 要 第1次采集沒有與干擾點重合，則之后采集點處都能與干擾點錯開，整個采集過程中都不會受到干擾。

對此進行了實驗驗證，通過NI數據采集系統在5Hz采樣速率下對熱電偶信號進行采集。實驗證實，如圖12所示，無論加熱系統是否通電運行，溫度測量原始數據波動均控制在1 ℃以內，能保障相關材料試驗的順利進行。

圖12 NI系統5Hz采集數據Fig.12 Thermocouple signal based on NI 5Hz acquisition

在避開干擾點采集的基礎上，利用NI的高速采集技術，對采集的數據進行平均化處理，采樣頻率仍為5 Hz，在每個采樣點處高速采集500 個數據進行平均處理，得到的溫度信號如圖13所示，可進一步使采集的溫度信號波動在0.1 ℃以內，可進行更高精度的溫度控制實驗。

圖13 NI系統高速采集平均化效果Fig.13 Average effect of thermocouple signal based on NI high-speed acquisition

4 總結

為進行高溫氣冷堆相關材料的測試、考驗工作，清華大學核能與新能源技術研究院研制了對高溫氣冷堆堆內環境進行模擬的實驗裝置，可模擬1 600 ℃及以下溫度的高溫碳還原環境。實驗中發現裝置的中心大電流加熱產生的強電磁場對環形測試區內的熱電偶施加了很大的干擾，使輸出的溫度信號附加了幅度達幾十℃的高頻無規則波動。基于NI高速同步采集技術，同步采集加熱電壓、電流、熱電偶信號，進行了信號干擾的分析實驗，明確了干擾信號來自功率系統的可控硅調節，發現了干擾信號僅存在于可控硅導通的有限點處且存在固定頻率的規律。針對干擾信號的自身規律，提出了數據采集系統采樣頻率與干擾頻率保持同步的軟件抗干擾措施，較好地解決了高溫堆環境模擬裝置中的熱電偶信號波動問題，保障了相關材料試驗的順利進行。

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