基于TRICON系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)堆芯冷卻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集處理功能的探討

楊鵬

（上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200030）

1 前言

堆芯冷卻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（ICCMS）是壓水堆核電廠事故后監(jiān)視的重要組成部分，測(cè)量燃料組件出口處反應(yīng)堆冷卻劑溫度和反應(yīng)堆壓力容器液位，尤其在事故及事故后工況下進(jìn)行連續(xù)的測(cè)量，主控室操作員在事故期間和事故后了解堆芯溫度、堆芯過(guò)冷裕度以及堆芯液位的變化趨勢(shì)等一回路的狀態(tài)，對(duì)可靠性和連續(xù)性有著很高的要求。基于上述要求，本文中所討論的方案采用TRICON控制器為主體，其采用了三重化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)（如圖1所示），確保了設(shè)備擁有足夠的容錯(cuò)能力，能在來(lái)自?xún)?nèi)外部的瞬態(tài)故障或硬件故障的情況下提供不間斷的控制，滿(mǎn)足在線程序修改和在線模塊更換，為系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行所必須的可靠性與連續(xù)性的提供了保證。

2 硬件組成

該方案的硬件部分主要由下位機(jī)、上位機(jī)和維護(hù)計(jì)算機(jī)三個(gè)部分組成，如圖2所示。

2.1 下位機(jī)

下位機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與處理。采用的TRICON系統(tǒng)，包括一臺(tái)機(jī)架和若干功能模塊，模塊按功能可分為：電源模塊、處理器模塊、通訊模塊、熱電偶輸入模塊、模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊、數(shù)字量輸入模塊、數(shù)字量輸出模塊等。下位機(jī)采集的信號(hào)包括熱電偶（0mV~55mV）、主回路壓力（1V~5V）、壓力容器差壓（1V~5V）、P10信號(hào)（開(kāi)關(guān)量）等類(lèi)型。信號(hào)在接入模塊之前，先連接至專(zhuān)用的端子板，再經(jīng)卡件與端子板之間連接的專(zhuān)用連接電纜進(jìn)入模塊。如數(shù)字量信號(hào)端子板上安裝有保險(xiǎn)管，可防止信號(hào)電流過(guò)大造成模塊損壞。

2.2 上位機(jī)

上位機(jī)的人機(jī)界面開(kāi)發(fā)選用的是工控組態(tài)軟件WonderwareInTouch，根據(jù)不同的需求，針對(duì)不同的功能開(kāi)發(fā)了多個(gè)界面，可方便地完成界面切換，實(shí)現(xiàn)所有信號(hào)和報(bào)警的顯示與記錄功能。

2.3 維護(hù)計(jì)算機(jī)

維護(hù)計(jì)算機(jī)中用于數(shù)據(jù)處理程序的編輯及維護(hù)。數(shù)據(jù)處理程序的編寫(xiě)使用的Tristation 1131程序員平臺(tái)，采用的是FBD（函數(shù)方塊圖）圖形化語(yǔ)言，元素是以塊來(lái)表示，元素跟元素之間通過(guò)連線而形成網(wǎng)絡(luò)，具有直觀易懂的特點(diǎn)。維護(hù)計(jì)算機(jī)可實(shí)現(xiàn)參數(shù)與報(bào)警定值的修改。當(dāng)系統(tǒng)遇到軟件故障或軟件丟失的情況時(shí)，維護(hù)計(jì)算機(jī)重新加載程序。在使用過(guò)程中，可根據(jù)需要對(duì)程序進(jìn)行修改升級(jí)。

3 算法設(shè)計(jì)

方案主要是實(shí)現(xiàn)堆芯溫度與壓力容器水位兩大部分的計(jì)算功能。所有被采集的信號(hào)在參加計(jì)算，都需要進(jìn)行有效性檢測(cè)，失效數(shù)據(jù)會(huì)給出報(bào)警及提示。

3.1 溫度計(jì)算

采集的熱電偶信號(hào)進(jìn)入系統(tǒng)之后，會(huì)計(jì)算處在同一區(qū)域內(nèi)熱電偶溫度最大值與最小值的差值，監(jiān)測(cè)同一區(qū)域內(nèi)溫差是否超過(guò)閾值。通過(guò)校核的主回路壓力信號(hào)會(huì)作為有效壓力，參與計(jì)算堆芯飽和溫度。飽和溫度計(jì)算公式為：

公式中的L=log10 P，P為有效壓力。

飽和溫度與熱電偶溫度與相比較后，得出對(duì)應(yīng)的過(guò)冷裕度，其中最小過(guò)冷裕度是表征堆芯安全度的指標(biāo)之一。

3.2 水位計(jì)算

正常運(yùn)行期間，壓力容器內(nèi)部通常是汽液共存的狀態(tài)。蒸汽密度和液體密度由有效壓力決定核經(jīng)過(guò)選擇的溫度信號(hào)決定。根據(jù)主泵運(yùn)行狀態(tài)，選擇對(duì)應(yīng)量程的壓力容器冷卻劑差壓，可計(jì)算出精確水位或水位趨勢(shì)。在水位的計(jì)算中，要考慮安裝位置、靜壓等多個(gè)因素的影響，計(jì)算公式如下：

公式中，ΔPm為壓力容器差壓（當(dāng)主泵都停運(yùn)時(shí)，為窄量程差壓；至少1臺(tái)主泵運(yùn)行時(shí)，為寬量程差壓）；ΔPref為參考量程壓力；C為安裝校正因子；α為壓力容器的鋼材線性膨脹因子；β為靜壓影響因子；P為主冷卻劑回路表壓；Ho為20℃時(shí)的壓力容器高度；g為重力加速度；ρV、ρL分別為蒸汽密度和水密度。

3.3 測(cè)試

該套數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)完成后，在實(shí)驗(yàn)室經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行測(cè)試，性能穩(wěn)定。測(cè)試過(guò)程中，對(duì)模擬的多個(gè)工況，都表現(xiàn)出了可靠的精度。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行有效的采集和處理，并且精度可以滿(mǎn)足要求。

結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的方案利用TRICONEX系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)ICCMS的數(shù)據(jù)采集處理功能，而TRICONEX系統(tǒng)的高冗余功能又足以保障可靠性和連續(xù)性，對(duì)核電站的安全運(yùn)行和事故監(jiān)測(cè)具有重要意義。同時(shí)，也為新建的核電廠的ICCMS設(shè)計(jì)提供了新的設(shè)計(jì)思路。

[1]何正熙，余俊輝，李小芬，等.SOP規(guī)程下堆芯冷卻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].核動(dòng)力工程，2012（05）：107-110.