提高多基地堆芯飽和裕度測量穩定性方法的研究與實施

姜磊+張澤勇

【摘 要】堆芯最小飽和裕度是反應堆監視的重要狀態參數之一，但核電廠由于采集板件設計不合理，導致在大修中容易引發最小飽和裕度不可用，從而使機組產生非計劃性第一組I0。因此，需要研究一種可靠、穩定的測量方法，來避免堆芯最小飽和裕度的異常波動。

【Abstract】The minimum saturation margin of the core is one of the important state parameters for the monitoring of the reactor. However， due to the unreasonable design of the acquisition panel， it is easy to cause the minimum saturation margin to be unavailable in the overhaul， resulting in the generation of unplanned first group I0. Therefore， we need a reliable and stable measurement method to avoid the abnormal fluctuation of the minimum saturation margin of the core.

【關鍵詞】CCMS；最小飽和裕度；調理模塊

【Keywords】 CCMS； minimum saturation margin； conditioning module

【中圖分類號】TM623 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-1069（2018）02-0186-03

1 引言

百萬千瓦級壓水堆核電站堆芯溫度和壓力容器水位監測系統（簡稱為CCMS）是反應堆核心的監視系統之一，堆芯溫度測量利用堆芯熱電偶信號和反應堆冷卻劑壓力，計算出飽和溫度及最低堆芯溫度飽和裕度等數據；壓力容器水位測量主要通過堆芯水位差壓變送器信號、溫度信號和壓力信號，計算出堆芯水位，為操作員提供一回路的狀態信息。

核電站運行技術規范要求：對于在RP、NS/SG、NS/RRA、一回路未充分開口的MCS模式下，堆芯飽和裕度測量必須可用。如果部分或全部失去堆芯飽和裕度測量，則機組記第一組I0，并須在規定期限內完成檢修，否則機組向相應狀態進行后撤。

多基地核電站CCMS系統受調理模塊設計缺陷的影響，在熱電偶絕緣及連續性測量的過程中，當前端熱電偶信號斷線或恢復時，調理模塊輸出會出現向量程上限階躍跳變的現象，且系統無法對數據進行無效剔除，從而對堆芯飽和裕度計算產生干擾，導致最小飽和裕度測量值發生波動，引起機組產生非計劃性第一組I0。

2 研究背景及意義

CCMS系統提供的堆芯最小飽和裕度是反應堆監視的重要狀態參數之一，供操作員掌握一回路水位的相關信息，與核安全息息相關。但由于板件設計的固有缺陷，導致在大修中進行熱電偶絕緣及連續性測量時容易引發最小飽和裕度不可用，從而使機組產生第一組I0，并占用大修關鍵路徑時間。

因此，急需研究一種可靠、穩定的測量方法，避免最小飽和裕度異常波動問題的產生，從而有效節約關鍵路徑、縮短大修工期、降低大修成本。

3 研究方法及可行性驗證

3.1 概述

多基地CCMS系統，在堆芯熱電偶斷線及斷線恢復時，由于其熱電偶調理模塊斷線檢測的特性，導致了堆芯最高溫度（TMAX）增加，堆芯飽和溫度裕度（ΔTSAT）減小。如果此時電站功率<10%FP，且ΔTSAT<報警限值（20℃），則觸發堆芯飽和溫度裕度低報警。

論文分析了堆芯熱電偶斷線及斷線恢復時的瞬態過程，以及該過程對堆芯飽和溫度裕度的影響機理，描述了在熱停、冷停堆期間避免產生堆芯最小飽和裕度波動的方法。

3.2 熱電偶斷線及斷線恢復分析

3.2.1 飽和溫度裕度計算原理

①計算一回路飽和溫度TSAT

計算公式為：TSAT=179.895+99.86X+24.38X2+5.67X3+0.935X4

X=log10PABS

一回路飽和溫度的可用性：

A_TSAT=A_PABS；當A_TSAT=0時，TSAT保持上一周期的計算值，即TSAT=TSAT（n-1）。其變量名稱和變量描述如表1。

②計算堆芯飽和裕度

計算公式為：

△TSAT=TSAT-TRIC-MAX

飽和裕度的可用性：

A_△TSAT=A_TSAT*A_TRIC-MAX，當A_TSAT=0時，TSAT保持上一周期的計算值，即△TSAT=△TSAT（n-1），其變量名稱和變量描述如表2。

3.2.2 mv調理模塊特性

熱偶斷線后，mv調理模塊SAMK32A在不超過250ms的時間內，輸出遞增到最大電流（對應于1200℃）。斷線恢復時，在不超過250ms的時間內，輸出從最大電流遞減至正常值。AI模塊的采樣周期為5ms，CPU的運算周期為25ms，因此，在熱偶斷線及恢復過程中，CPU將采集到多個周期的、虛假的、增大了的溫度值。

在堆芯平均溫度為300℃且穩定，堆芯最大溫度為300℃，堆芯熱偶有效數量超過15只，PABS=15.5MPa的情況下，實測斷線時的△TSAT在100ms內降低1.2℃并恢復；如果斷線時間超過3min，則斷線恢復之后的第60s，△TSAT瞬時降低19℃，在此后逐漸恢復正常值。

3.2.3 堆芯熱電偶斷線

假設熱偶斷線前為300℃，該熱偶溫度為堆芯最高有效溫度（TMAX），堆芯絕對壓力不變（PABS）。斷線后，mv調理模塊在不超過250ms的時間內，輸出遞增到最大電流（1200℃），AI模塊的采樣周期為5ms，CPU的運算周期為25ms，因此，在溫度達到1200℃之前，CPU將采集到多個周期的、增大了的、虛假的溫度值。該溫度值經過15s的濾波之后，溫度將增大。濾波公式如下：endprint

經過10個CPU運算周期，該TC被置為無效，此時濾波后溫度為305℃，即TMAX值將增加5℃，△TSAT下降5℃。

3.2.4 堆芯熱電偶斷線恢復

假設熱偶斷線時間足夠長，堆芯平均溫度300℃且穩定，正常溫度300℃，堆芯最大溫度300℃，堆芯熱偶有效數量超過15只。

熱偶接通后，mv調理模塊輸出下降，軟件濾波后溫度值經過60秒后，從最大溫度（1200℃）遞減到319℃，這段時間內堆芯平均溫度變化超過了1℃/2分鐘，因此不進行有效性校驗，該熱偶一直保持在無效狀態。

第61秒，該熱偶被置為有效，此時溫度為318℃，TMAX從300℃變為318℃，第120s下降到300℃。而△TSAT則從下降18℃，到下降為0℃。

圖3為熱偶斷線及恢復對△TSAT的影響。

3.3 熱電偶絕緣及連續性測量方法的改進

綜上所述，通過對調理模塊輸出特性的分析，如果采用傳統的測量方法，將會對飽和裕度的計算帶來影響，那么該如何對測量方法進行改進和優化呢？通過對帶冷端補償熱電偶型模擬量輸入卡件的研究，進一步發現：冷端補償與熱電偶的斷線順序也會對調理模塊的輸出產生影響，測試結果如下。

當測量端與補償電阻均斷線時，顯示定值-325.0（-25%）；當測量端正常，補償電阻斷線時顯示定值-325.0（-25%）；當測量端斷線，補償電阻正常時，顯示定值1338.97（102.998%）。

從理論分析上來看，在進行熱電偶絕緣及連續性測量時，先斷冷端補償，再斷熱電偶；斷線恢復時，先恢復熱電偶再恢復冷端補償，這樣將會使調理板卡的輸出為量程下限，從而不會對最大溫度和飽和裕度的計算產生干擾。但在現場的實際驗證過程中，發現部分調理模塊的輸出特性并不穩定：在恢復冷端補償時，輸出值向量程上限發生了短時跳變，又一次對飽和裕度的計算產生了干擾。

那么，是否可以從算法邏輯上對調理模塊的該特性缺陷進行屏蔽？下面對熱電偶采集信號的算法邏輯進行了分析。

熱電偶溫度mV信號，經模擬量輸入板卡，送CPU單元，邏輯處理分三路：

1路：送KIC/BUP顯示，變量N*RIC***KM，該變量帶狀態位，無效時曲線用虛線顯示；

2路：經一個15s的延時濾波環節，送入計算環節，其中包括溫度裕度計算；

3路：取熱電偶無效置量位，包括模擬量狀態位置1、高低超限（0～1200℃），都將無效置量位置1，KIC顯示變量為N*RIC***KS。

在現場工程師站進行了模擬試驗，如果將第3路代表熱電偶溫度信號的質量位狀態置于無效，那么就可以將該熱電偶剔除，從而不會參與最大溫度、平均溫度和飽和裕度的計算。

至此，在進行熱電偶絕緣及連續性測量時，堆芯最小飽和裕度異常波動的根本原因已查明，為調理模塊本身設計缺陷所導致。為了從根本上避免該缺陷引起的飽和裕度不可用以及占用大修關鍵路徑時間，對以往的測量方法從軟件及硬件兩方面進行了改進和優化，新的測試方法邏輯順序為：

①將*AK的數值強制為OFF；

②斷開冷端補償電阻；

③溫度顯示無效，實時值置下限；

④斷開熱電偶；

⑤完成熱電偶絕緣及連續性檢查；

⑥放電；

⑦恢復熱電偶；

⑧恢復冷端補償；

⑨溫度顯示有效，KIC中確認實時值恢復到當前正常值；

⑩取消*AK強制。

4 結論

新的測試方法不僅從根本上避免了在進行熱電偶絕緣及連續性測量工作中產生的堆芯最小飽和裕度不可用的現象，同時也杜絕了由此項工作產生第一組I0而占用大修關鍵路徑的情況發生。隨著這一方法在多基地機組大修中的成功應用，顯現出了良好的經濟效益和社會效益。endprint