1E級(jí)變送器響應(yīng)時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)研究

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(三門核電有限公司，浙江 三門 317100)

三門核電站一期工程作為國(guó)家首個(gè)三代核電自主化依托項(xiàng)目引進(jìn)美國(guó) AP1000核電技術(shù),其技術(shù)規(guī)范書規(guī)定：反應(yīng)堆緊急停堆系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間是從通道敏感元件監(jiān)測(cè)的參數(shù)超過(guò)其緊急停堆設(shè)定值至鉤爪線圈失去電壓為止的時(shí)間間隔；專設(shè)響應(yīng)時(shí)間是從通道敏感元件監(jiān)測(cè)的參數(shù)超過(guò)該專設(shè)安全設(shè)施驅(qū)動(dòng)設(shè)定值至專設(shè)安全設(shè)施的設(shè)備完成其安全功能(即閥門行進(jìn)到所要求的位置)的時(shí)間間隔[1]。美國(guó)NRC在FSAR第十六章對(duì)反應(yīng)堆保護(hù)的響應(yīng)時(shí)間做了進(jìn)一步要求，明確反應(yīng)堆保護(hù)響應(yīng)時(shí)間是傳感器響應(yīng)時(shí)間、信號(hào)處理時(shí)間、設(shè)備動(dòng)作時(shí)間之和，即通道的響應(yīng)時(shí)間分解為“儀表響應(yīng)時(shí)間+反應(yīng)堆保護(hù)機(jī)架響應(yīng)時(shí)間+就地設(shè)備響應(yīng)時(shí)間”，并要求電廠運(yùn)行后執(zhí)行儀表響應(yīng)時(shí)間的監(jiān)督試驗(yàn)[2]。

因信號(hào)處理時(shí)間和設(shè)備動(dòng)作時(shí)間與國(guó)內(nèi)其他核電測(cè)試類似，而傳感器響應(yīng)時(shí)間測(cè)試在中國(guó)業(yè)界從未執(zhí)行過(guò)，且AP1000核電機(jī)組送保護(hù)系統(tǒng)所用的傳感器具體型號(hào)不符合美國(guó)WEC的三種豁免條件:1)基于可接受的響應(yīng)時(shí)間試驗(yàn)的歷史數(shù)據(jù)(液壓、噪聲、斷電試驗(yàn))；2)就地的、廠區(qū)內(nèi)或廠區(qū)外(供貨商)試驗(yàn)測(cè)量；3)利用供貨商設(shè)計(jì)規(guī)格書。所以其他型號(hào)的傳感器響應(yīng)時(shí)間驗(yàn)證必須通過(guò)試驗(yàn)來(lái)證明，故AP1000項(xiàng)目需要對(duì)送保護(hù)系統(tǒng)的傳感器進(jìn)行響應(yīng)時(shí)間測(cè)試。

本文主要針對(duì)1E級(jí)變送器的國(guó)外、國(guó)內(nèi)及行業(yè)響應(yīng)時(shí)間測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)、測(cè)量的方法進(jìn)行分析，結(jié)合噪聲分析獲取變送器的模型，對(duì)變送器測(cè)量原理展開研究，通過(guò)對(duì)變送器模型的分析，比較階躍和斜坡測(cè)試，對(duì)國(guó)家/行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)提出修訂建議。

1 響應(yīng)時(shí)間測(cè)試概述

三門核電反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)的儀表響應(yīng)時(shí)間測(cè)試主要涉及1E級(jí)變送器、1E級(jí)PT100熱電阻，堆芯補(bǔ)水箱磁浮筒液位、安全殼放射性高輻射探測(cè)器。本文主要分析1E級(jí)變送器的響應(yīng)時(shí)間測(cè)試。

對(duì)于核電站變送器的響應(yīng)時(shí)間測(cè)試，目前國(guó)內(nèi)業(yè)界有兩種方式進(jìn)行響應(yīng)時(shí)間測(cè)試：一種為打壓至變送器的滿量程輸出后進(jìn)行瞬時(shí)泄壓，取量程輸出的63.2%對(duì)應(yīng)的一階時(shí)間常數(shù)г為變送器的響應(yīng)時(shí)間；另一種為輸入信號(hào)產(chǎn)生階躍變化，測(cè)量從階躍產(chǎn)生到輸出信號(hào)值達(dá)到輸入變化量80%所對(duì)應(yīng)經(jīng)歷的時(shí)間作為響應(yīng)時(shí)間。

《核電廠安全重要儀表通道性能監(jiān)督試驗(yàn)》對(duì)1E級(jí)壓力變送器響應(yīng)時(shí)間做了明確規(guī)定的兩種方法，一種為常規(guī)方法(階躍響應(yīng)、斜波響應(yīng))，另一種為在線方法(噪聲分析技術(shù))[3]。但因原國(guó)內(nèi)核電站對(duì)儀表響應(yīng)時(shí)間無(wú)硬性要求，電站的最終安全分析報(bào)告也沒(méi)有做明確要求，所以沒(méi)有相應(yīng)的市場(chǎng)需求，導(dǎo)致國(guó)內(nèi)儀表廠家對(duì)于1E級(jí)變送器測(cè)試引用標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一。

國(guó)內(nèi)業(yè)界對(duì)于1E級(jí)變送器響應(yīng)時(shí)間測(cè)量已建立中華人民共和國(guó)能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，但具體的測(cè)試方法及論證是空白區(qū)域，也無(wú)相應(yīng)的測(cè)試設(shè)備及軟件QA程序(包括軟件開發(fā)及軟件V&V驗(yàn)證)來(lái)支持，所以該標(biāo)準(zhǔn)還未經(jīng)過(guò)實(shí)踐的驗(yàn)證。

2 響應(yīng)時(shí)間測(cè)試分析

AP1000第三代壓水堆核電站1E級(jí)變送器主要用于測(cè)量工藝系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)，參與核電廠控制和停堆專設(shè)保護(hù)的重要功能，但1E級(jí)變送器在使用一段時(shí)間之后，其響應(yīng)時(shí)間會(huì)存在降級(jí)的可能。如引壓管堵塞會(huì)明顯增加變送器的響應(yīng)時(shí)間，引起變送器測(cè)量動(dòng)態(tài)性能的降級(jí)，這將威脅到核電廠安全功能響應(yīng)的時(shí)效性。通過(guò)測(cè)試1E級(jí)變送器的響應(yīng)時(shí)間，可以提前發(fā)現(xiàn)變送器的降級(jí)。

變送器性能主要以精度和響應(yīng)時(shí)間來(lái)衡量，精度反映的是與實(shí)際壓力的接近程度；而響應(yīng)時(shí)間反映的是跟蹤工藝系統(tǒng)介質(zhì)壓力變化反應(yīng)快慢，核電廠的大多數(shù)1E級(jí)變送器響應(yīng)時(shí)間在0.1～0.3 s，響應(yīng)時(shí)間測(cè)試的意義可在變送器校驗(yàn)通過(guò)的情況下提前發(fā)現(xiàn)變送器降級(jí)[4]。

一臺(tái)壓力變送器響應(yīng)時(shí)間性能的降級(jí)通常表現(xiàn)在動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的增量，與基線或參考值發(fā)生偏離。在大多數(shù)情況下，如果響應(yīng)時(shí)間的時(shí)間常量或延遲的斜率時(shí)間增加，那相應(yīng)的衰減的頻率將降低。或者說(shuō)，壓力變送器衰減速率增加，響應(yīng)時(shí)間降級(jí)[5]。

AP1000壓力變送器的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)實(shí)際測(cè)點(diǎn)的不同，其驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)不盡相同，三門核電反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)涉及的變送器廠家型號(hào)、測(cè)點(diǎn)及驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 三門核電1E級(jí)變送器一覽表

2.1 國(guó)內(nèi)通行測(cè)量方法

目前，國(guó)內(nèi)變送器生產(chǎn)廠家的測(cè)量原理都是一樣的，即采用離線階躍響應(yīng)的測(cè)量方法。涉及1E級(jí)變送器響應(yīng)時(shí)間的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2，反映了標(biāo)準(zhǔn)不盡統(tǒng)一，且存在著企業(yè)引用標(biāo)準(zhǔn)混亂的現(xiàn)象。

表2 變送器響應(yīng)時(shí)間測(cè)量的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)Table 2 The Standards for transmitter response time measurement

2.2 一階變送器響應(yīng)分析

核電廠的1E級(jí)變送器滿足以下特征：

1)變送器響應(yīng)是線性響應(yīng)，變送器的輸出電流/電壓與變送器受到的壓力成正比關(guān)系;

2)變送器輸出為穩(wěn)態(tài)輸出，儀表接收到穩(wěn)定激勵(lì)，輸出是穩(wěn)定的，不會(huì)無(wú)限震蕩或者發(fā)散;

3)變送器為內(nèi)部固有參數(shù)短時(shí)間內(nèi)不會(huì)變化。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《核電廠安全重要壓力變送器鑒定規(guī)程》，變送器響應(yīng)時(shí)間為階躍變化的10%～90%，根據(jù)仿真結(jié)果，其響應(yīng)時(shí)間為0.319 s，大于驗(yàn)收準(zhǔn)則，且和實(shí)際響應(yīng)時(shí)間偏差較大，仿真結(jié)果如圖1所示。

根據(jù)《核電廠安全重要儀表壓力變送器》等標(biāo)準(zhǔn)，變送器響應(yīng)時(shí)間為階躍變化的0～90%，根據(jù)仿真結(jié)果，其響應(yīng)時(shí)間為0.334 s，大于驗(yàn)收準(zhǔn)則，且和實(shí)際響應(yīng)時(shí)間偏差較大，仿真結(jié)果如圖2所示。

根據(jù)某企業(yè)變送器響應(yīng)時(shí)間的做法，響應(yīng)時(shí)間為階躍變化63.2%時(shí)的時(shí)間為0.145 s和我們預(yù)期結(jié)果一致，仿真結(jié)果如圖3所示。

圖1 一階階躍響應(yīng)(10%～90%)Fig.1 One order step response(10%～90%)

圖2 一階階躍響應(yīng)(0～90%)Fig.2 One order step response(0～90%)

圖3 一階階躍響應(yīng)(0～63.2%)Fig.3 One order step response (0～63.2%)

根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)62385，通過(guò)斜坡測(cè)試，如圖4所示，當(dāng)斜坡輸入和斜坡響應(yīng)的值都為0.059 9時(shí)，兩條曲線接近平行，斜坡響應(yīng)測(cè)試的結(jié)果為：0.885 s-0.74 s=0.145 s，顯然和預(yù)期的延時(shí)一致，仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 一階斜坡響應(yīng)Fig.4 One order ramp response

根據(jù)上述分析，目前部分標(biāo)準(zhǔn)的存在缺陷，如果按照10%～90%或者0～90%的標(biāo)準(zhǔn)作為變送器階躍響應(yīng)時(shí)間的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，會(huì)導(dǎo)致特征函數(shù)為一階的變送器出現(xiàn)不合格的情況，因此必須對(duì)當(dāng)前響應(yīng)時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修改，可以使標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)儀表真實(shí)的延時(shí)特性。是否可以用63.2%作為階躍響應(yīng)時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)，我們需要進(jìn)一步分析高階變送器的響應(yīng)分析。

2.3 高階變送器響應(yīng)分析

通過(guò)噪聲分析，獲取三門核電某變送器的特征函數(shù)為二階，下面以二階為例進(jìn)行分析，其階躍響應(yīng)時(shí)間按照63.2%的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析，結(jié)果圖5所示，響應(yīng)時(shí)間為0.174 s.

圖5 二階階躍響應(yīng)Fig.5 Two order step response

標(biāo)準(zhǔn)IEC 62385中，規(guī)定了變送器離線響應(yīng)時(shí)間測(cè)試方法為斜坡測(cè)試，對(duì)于上面的二階變送器，我們模擬斜坡測(cè)試，如圖6所示。

圖6 二階斜坡響應(yīng)Fig.6 Two order ramp response

當(dāng)斜坡輸入和斜坡響應(yīng)的值都為0.499時(shí)，兩條曲線接近平行，斜坡測(cè)試結(jié)果為0.671-0.536 9=0.134 1 s，對(duì)于二階系統(tǒng)而言，采用階躍的響應(yīng)時(shí)間和斜坡測(cè)試的響應(yīng)時(shí)間明顯存在差別。相對(duì)于階躍響應(yīng)測(cè)試，斜坡信號(hào)更能接近于現(xiàn)場(chǎng)工況變化的實(shí)際情況。

階躍響應(yīng)時(shí)間測(cè)試方法是一種落后的測(cè)試技術(shù)，無(wú)法準(zhǔn)確地反應(yīng)變送器響應(yīng)時(shí)間，美國(guó)AMS公司采用斜坡測(cè)試對(duì)變送器進(jìn)行響應(yīng)時(shí)間測(cè)試已經(jīng)有30多年歷史。三門核電已通過(guò)斜坡響應(yīng)測(cè)試方法檢查出有兩臺(tái)變送器超標(biāo)(表3)，更換后最終結(jié)果正常，得以證明此方法是行之有效的。

表3 經(jīng)RAMP檢測(cè)不合格的兩臺(tái)變送器Table 3 Failed transmitter detected by the ramp test

2.4 斜坡測(cè)試?yán)碚摲治?/h3>

高階模型延時(shí)環(huán)節(jié)在指數(shù)項(xiàng)，且變送器為穩(wěn)定模型，所以當(dāng)t趨于無(wú)窮大時(shí)，階躍響應(yīng)函數(shù)必然收斂，要收斂指數(shù)項(xiàng)隨時(shí)間衰減。

在實(shí)際工程應(yīng)用中，可以允許一定的偏差存在，因此斜坡響應(yīng)只要在一定的時(shí)間范圍內(nèi)和斜坡輸入接近平行即可。

3 結(jié) 論

通過(guò)上述分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)前國(guó)內(nèi)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)響應(yīng)時(shí)間準(zhǔn)則設(shè)置不合理，階躍響應(yīng)無(wú)法可靠地反應(yīng)變送器的響應(yīng)時(shí)間，斜坡響應(yīng)可以更準(zhǔn)確地反映變送器的響應(yīng)時(shí)間。

目前國(guó)內(nèi)業(yè)界對(duì)于儀表響應(yīng)時(shí)間基本停留在最常規(guī)的技術(shù)狀態(tài)下，使用階躍響應(yīng)定義儀表響應(yīng)時(shí)間，當(dāng)前行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或者國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)響應(yīng)時(shí)間的規(guī)定不太合理，使用階躍響應(yīng)求取響應(yīng)時(shí)間和實(shí)際響應(yīng)時(shí)間偏差過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致響應(yīng)時(shí)間合格的儀表出現(xiàn)不合格的情況，不能及時(shí)有效地發(fā)現(xiàn)儀表響應(yīng)時(shí)間的降級(jí)。因此建議對(duì)國(guó)內(nèi)及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修訂，以斜坡響應(yīng)的延時(shí)作為儀表響應(yīng)時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)，并取消階躍響應(yīng)時(shí)間的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

國(guó)內(nèi)核電領(lǐng)域急需開發(fā)斜坡響應(yīng)時(shí)間測(cè)試設(shè)備，彌補(bǔ)行業(yè)內(nèi)的空白。