儀控系統閾值判決及核電站應用

劉華 黃奇 陳柯 劉朝暉 劉杰

(南華大學電氣工程學院1,湖南 衡陽 421001;中國核動力研究設計院2,四川 成都 610041;南華大學計算機科學技術學院3,湖南 衡陽 421001)

儀控系統閾值判決及核電站應用

劉華1黃奇2陳柯2劉朝暉3劉杰3

(南華大學電氣工程學院1,湖南 衡陽 421001;中國核動力研究設計院2,四川 成都 610041;南華大學計算機科學技術學院3,湖南 衡陽 421001)

基于物理參數的儀控系統閾值判決是核電站儀控系統的重要功能,但其存在閾值判決固定單一,缺乏與時間、工況的相關性等不足。對已有閾值判決進行改進和優化,通過分析研究,在安全前提下,從多種數據處理算法對比、閾值多級浮動、與具體工況相關聯等方面作出改進。改進后的閾值判決有助于提升儀控系統的容錯、故障診斷能力,減少不必要的停堆次數,提高了電廠的經濟效益。

DCS 閾值判決 監測 魯棒性 數據處理

0 引言

數字化儀控系統已在國民經濟多個領域成熟運用,例如冶金[1]、化工、機械制造、常規發電[2]等行業。核電站數字化儀控(DCS I&C)系統是數字化技術在核電領域的集中應用[3],它是核電行業的必然選擇和發展趨勢。DCS I&C系統的重要功能包括監測、控制、保護等。這些功能都以核電站具體物理狀態參數的閾值判決為前提。數字化系統與模擬系統的不同之處在于軟件的大量應用。例如軟件代碼的編譯執行、控制硬件實體及物理過程的軟件指令,以及可以提高控制精度、實現復雜的控制邏輯。DCS I&C軟件與硬件、網絡共同構成DCS I&C系統,三者密不可分。DCS I&C系統對反應堆物理參數的閾值監測和判決是否準確、及時,直接影響DCS I&C軟件對監控對象的正確控制、核電站生產控制系統運行的經濟高效、反應堆保護系統的快速響應[4]、核反應堆故障早期檢測[5],甚至整個核電站安全體系等。

1 物理閾值的安全意義

閾值是系統狀態的反映,可以作為物理模型的安全上限或安全下限,是對實際物理過程、物理原理的精確計算或近似計算之后的數據結果。閾值是反應堆停堆系統、專設安全設施以及報警等是否啟動的基準參考。核電站重要設計任務和理念之一即保護三道核安全屏障(燃料包殼、一回路壓力邊界和安全殼)的完整性。當反應堆運行參數達到危及三道屏障完整性的閾值時,反應堆保護系統啟動相應動作[6]。例如核電站一回路的主泵轉速監測[7]、壓水堆核電站一回路硼濃度的閾值監測[8]等。

2 基于軟件的閾值判決

2.1 閾值判決基本要求

DCS I&C軟件閾值監測基本原理如圖1所示。監測數據源是一個數據集合,由不同的傳感器采集的各類豐富的物理數據構成。實際反應堆物理過程中的物理狀態、參數經過數據采集、處理后,傳送給DCS I&C軟件的數據接口,為判決函數或判決模塊提供控制判決的依據。閾值判決規則或者算法是以軟件、硬件或混合方式存在于系統中,同時具有方便維護、快速更新的特點。閾值優化算法作為一個反饋環節,將傳統的開環式固定閾值判決模式轉變為穩定的閉環式閾值判決模式。

圖1 儀控軟件閾值判決框圖Fig.1 Block diagram of threshold judgment in I&C software

軟件閾值判決優化算法必須基于核電站反應堆的物理過程、反應堆結構、熱工水力以及安全分析等。

本文不討論反應堆物理模型的優化,不涉及閾值監測對象的選取,而是在這些已有模型、已知監測對象、已有監測變量的基礎上,對這些對象的監測數據進行數據處理及優化,充分發揮儀控系統數學及信號處理能力強的優點。基于反應堆工程原理,結合熱工水力,工程實際中選擇哪些物理參數、閾值選取的多少,還應遵循核電站工藝要求,體現安全性和經濟效益的雙重考慮。

DCS I&C系統的閾值判決應滿足準確性、完備性、實時性、魯棒性。準確性指閾值參數準確體現反應堆穩定性控制要求。完備性指參數設置足夠充分。實時性指閾值判決延遲不超過硬件及物理模型的控制范圍,同時符合儀控系統的時間要求。魯棒性指能夠承受系統一定程度的各種擾動、變化。

2.2 已有閾值判決存在的問題

已有閾值判決存在以下幾個問題。

①作為閾值判決的參考值,整定值固定單一,不能反映高度非線性、時變的反應堆系統。

②閾值判決,絕大部分是基于物理參數瞬時值與閾值的比較,不能體現數據間的時間相關性。

③閾值判決缺失與運行工況或運行瞬態的映射關系。

④閾值判決沒有從系統、整體的角度出發,融合多個參數綜合考慮。反應堆系統是復雜的非線性系統。單一參數的整定值缺失了反應堆復雜模型多個變量間的相互關聯、相互制約。

⑤閾值判決不能完全體現反應堆,特別是反應堆本身的穩定性和自調節功能。

鑒于DCS I&C系統閾值判決存在的問題。對閾值判決進行改進和優化的方法有:改變單一固定的整定值,用適當浮動的整定值來替代;閾值監測必須體現時間相關性,考慮時間點以前一段時間的數據變化,并作出時間點以后一段時間的數據變化預測;建立閾值監測與運行工況或瞬態的映射關系,將映射關系轉變成判決算法;透徹分析反應堆模型,適度合理地減少模型中由于保守原則而設置的過多安全裕量,充分體現反應堆本身的穩定性和自調節功能。

2.3 軟件閾值判決優化

軟件閾值判決優化包括有效濾波和浮動設置兩大部分。有效濾波是指監測值轉換為軟數據后的數學處理,盡量去除干擾。浮動設置是指參數閾值本身按照一定比例的上下浮動。真實數據、測量數據、DCS I&C系統的接收數據、經過閾值優化算法優化后的軟數據,從下往上依次構成了閾值判決的數據層次。閾值判決的數據層次如圖2所示。

圖2 閾值判決的數據層次Fig.2 The data hierarchies of threshold judgment

2.3.1 監測值數學處理

數學處理是針對不同的判決規則,通過歸一化方式將不同的閾值判決統一轉換成一類判決類型。對閾值判決,一般分為三種類型:①判決參數＞閾值;②判決參數＜閾值;③閾值1＜判決參數＜閾值2。利用數學處理,將后兩種情況統一轉換為第一種情況。

儀控系統中的函數計算模塊可以嵌入多種算法。靈敏程度、實時性、保守性、處理誤差等若干因素的算法比較如表1所示。

表1 數據處理的算法比較Tab.1 Comparison of the data processing algorithms

假設一個閾值判決周期里,某個參數對應的采樣點數為M個,即at-M+1,…,at。令data={at-M+1,…, at}。單一值Tone=T,這里T即為基本閾值。通常,在給定堆型的某個具體核電站,在工況、DCS系統條件不變的情況下,T為一個固定的常數。

得到上述的Trms、Tcav、Tx、Tavg、Tmax、Tmin-Tsub-max、Tsub-min后,統一使用閾值判決三種類型中的第一種,即判決參數是否大于基本閾值T的模式來比較。

2.3.2 單閾值的兩級浮動

如前所述,Tone是一個常數。將固定閾值Tone變為浮動的參數范圍。有些文獻設立兩個級別的浮動范圍[9-10]。一級浮動指標T(1±P1%),二級浮動指標T(1±P2%),不失一般性,0＜P1＜P2,可取P1=0.05, P2=0.1。多級浮動比一級浮動范圍更大,增加了判決的靈活性,賦予儀控系統閾值判決更多的空間,用來適應和驅動更多類型的保護動作、安全專設等。

2.3.3 多參數閾值處理算法

針對不同堆型、不同反應階段、不同燃料周期和不同的安全性判決要求,參數S1,…,SN具有不同的大小和量綱,那么Ci取值包含量綱和大小等因素。多參數處理的優勢在于經過轉換,一個多閾值判決轉化為一個單閾值T*判決,多閾值的浮動算法也轉化為單閾值的浮動算法。例如,式(1)中,參數S1,…,SN,對應的閾值為T1,…,TN,閾值系數為C1,…,CN,T*是一個集成的單一閾值。

3 閾值判決優化的特點

閾值優化判決的特點及意義如下。

①體現系統思想,全方位對多個參數進行組合式監測,能及時甚至提前發現可能的故障及失效,獲得寶貴的時間裕量。

②核電站在確保安全的前提下,一定程度上提高了運行經濟效益。

③有助于減少過多的誤操作、誤判決的次數,降低了對設備的損害,延長核電站服役年限。

④嵌入DCS I&C系統軟件中的判決優化算法,減少甚至不需要人工干預,在事故工況時,儀控系統能在較長時間范圍內自動運行。這也符合核電站非能動設計理念。

⑤利用數字化系統的軟硬件技術,將閾值判決算法嵌入其中,提高系統軟硬件的利用率,為未來智能化的核電站儀控系統奠定基礎。

4 判決優化的工程應用

閾值浮動、不同工況下的同一參數對應不同閾值判決的兩類情況,下文分析在建或在運行核電站中的具體實例。

4.1 參數閾值浮動范圍

單一閾值的多級浮動,無論是三種閾值判決類型的哪一種,不同級別的浮動閾值之間有包含或重疊關系,更有浮動范圍之間的實際差值。這種差值,在工程上對應著物理參數達到閾值的時間先后、概率大小、事件或事故嚴重程度的差異。

先進非能動型壓水堆核電站AP1000中一回路穩壓器壓力閾值上限取16.69 MPa,下限取12.48 MPa。依據單閾值的兩級浮動,若采用一級浮動閾值,上限閾值報警區間從單一固定值變為[16.69-16.69×0.05,16.69+ 16.69×0.05],即[15.86,17.52],單位MPa。相應地,下限閾值報警區間從單一固定值變為[12.48-12.48× 0.05,12.48+12.48×0.05],即[11.86,13.10],單位MPa。二級浮動閾值類似。

M310堆型中,蒸汽發生器水位范圍為量程的30%～80%。若采用一級浮動閾值,上限閾值區間從80%變為[80%-80%×0.05,80%+80%×0.05],即[76%,84%]。相應地,下限閾值區間從30%變為[30%-30%×0.05,30%+30%×0.05],即[28.5%, 31.5%]。諸多安全判決中,涉及蒸汽發生器水位量程的還有低-低、高-高,甚至高-3等閾值量,都體現了多級閾值的思想。

4.2 同一參數的不同閾值判決

在反應堆設計中,為了保證反應堆的安全,在設計中總是要求核燃料元件表面的最大熱流密度小于臨界熱流密度,即冷卻劑帶走的熱量比核燃料釋放的熱量大,以防止堆芯過熱融化。為了定量地表達這個安全要求,引入了偏離泡核沸騰比(departure from nuclear boiling ratio,DNBR)。DNBR是隨著冷卻劑通道軸向位置z而變化的,其最小值稱為minDNBR,如果臨界熱流量的計算公式沒有誤差,則當minDNBR=1時,表示燃料元件發生熔化損毀。對于穩態工況和預計的事故工況,都要分別確定出minDNBR的值。壓水堆穩態額定工況時一般可取minDNBR=1.8～2.2,而對預計的常見事故工況,則要求minDNBR＞1.3。

江蘇田灣核電站是壓水冷卻慢化反應堆(waterwater energetic reactor,WWER)堆型。在線監測系統對燃料棒線功率密度、DNBR作出閾值判決[10],并考慮二類(pp-2)、一類(pp-1)、緊急的反應堆保護(EP)三類工況,設置對應的閾值比例關系EP∶pp-1∶pp-2= 1.05∶1∶0.98。

5 結束語

閾值是反應堆乃至整個核電站DCS I&C系統中重要物理參數的數值表達,這些重要物理參數涉及安全性、狀態判決。物理參數集合對應的閾值集合,構成閾值判決的基礎。通過分析已有閾值判決的缺點,從數據處理、閾值浮動、與工況相關聯等方面作出改進,提出適合工程實際、可嵌入儀控系統函數計算模塊的判決算法,并將單一參數閾值擴展到多參數閾值。在保證安全前提的條件下,改進后的閾值有時減少誤操作、誤停堆,有助于提高核電站運行的經濟效益。

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Threshold Judgment of Instrument&Control System and Its Application in Nuclear Power Plant

The threshold judgment method based on physical parameters for instrument and control system is an important function of I&C in nuclear power plant,but some deficiencies,e.g.,single and fixed threshold judgment,and lack of correlation with time and working conditions.The existing method is improved and optimized,through analyzing and researching,the improving strategies are proposed,i.e., under the premise of safety,comparing a variety of data processing algorithms,threshold multi-level floating,and associating with specific working conditions.The improvement helps to upgrade the fault tolerance and fault diagnosis capabilities of the instrument and control system, and reduce the times of unnecessary shutdown,thus enhance the economical effects of the nuclear power plant.

Distributed control system(DCS) Threshold judgment Monitoring Robustness Data processing

TP273

A

修改稿收到日期:2013-11-25。

劉華(1979-),男,2007年畢業于中南大學控制理論與控制工程專業,獲碩士學位,講師;主要從事控制理論、核電站安全方面的研究。