基于IA平臺的秦山一期反應堆功率調節系統性能優化1)

(中核核電運行管理有限公司維修一處，浙江 海鹽 314300)

反應堆功率調節就是使反應堆堆芯產生的熱功率適應于在蒸汽發生器中所吸收的功率，并使這兩種功率能夠達到動態平衡，使反應堆處于某一功率水平，進而使二回路電功率與一回路核功率達到匹配，實現“堆跟機”功率控制。秦山一期30萬kW機組通過采用折中的兼顧一、二回路的介于次高選平均溫度恒定和汽機壓力恒定的控制方案。通過次高選平均溫度與參考平均溫度(汽機沖動室第一級壓力轉換而來)的偏差，按照既定的邏輯功能發出升降棒及棒速大小的信號，使棒控系統參與反應堆的控制；通過軸向功率偏差報警系統發出硼化與稀釋的指令來補償慢反應性的變化[1]。因此，反應堆功率調節系統性能的優劣直接影響功率控制品質。秦山一期118大修反應堆功率調節系統改造，在現場調試過程中，遇到各種各樣的問題，本文從現場調試過程中所遇到的典型問題為視角，從軸向功率偏差ΔI超目標帶累計時間長報警功能實現、DCS控制系統與舊設備接口量程匹配問題、計數器精度補償問題、人機界面工藝流程圖的開發、組態功能圖優化等幾方面出發對功調系統進行性能優化研究。

1 軸向功率偏差報警系統功能簡介

軸向功率偏差報警的目的是監測堆芯軸向功率分布，防止局部功率過高，影響堆芯安全。主檢測參數是軸向功率偏移AO，當實測的AO偏離預定的目標帶時，裝置發出報警信號，由主控操作員手動調硼，通過改變磞濃度，達到改變堆芯反應性，從而使調節棒自動改變其位置，故而改變堆芯軸向功率分布，使軸向偏移返回到目標帶之內。功率分布限制如圖1所示。

圖1 功率分布限制運行圖

1)當運行熱功率在90%以上時，軸向功率偏差達到±5%時，必須在15 min內完成以相應動作。

2)當運行功率在50%～90%，如果滿足相應條件，則可繼續運行。

3)在某一核功率水平P′下，對應的軸向功率偏差ΔI′(%)，軸向功率偏為ΔI′+3%或ΔI′-3%時，軸向功率偏差報警系統會發出稀釋或硼化的信號，操縱員根據不同的指令進行調硼；當軸向功率偏差達到ΔI′±5%時，在觸發硼化或稀釋信號的同時，還會將超目標帶外累積時間送往主控盤臺計數器，如果在任意24 h之內，計數器累積時間達到1 h，將會發出ΔI在目標帶外累計時間長報警，要求降功率運行。

2 現狀分析及存在的問題

秦山一期30萬kW機組在118大修之前，反應堆功率調節系統一直使用的福克斯波羅的SPEC200模擬卡件，眾所周知，模擬卡件體積大、參數調節可執行性差、精度低、能耗高、發熱量大等等。118大修中，將原有的模擬卡件改造為基于IA平臺的DCS分散控制系統，但是DCS控制系統與原有的其他接口系統之間存在很多其他的問題，在反應堆功率調節系統改造的過程中，主要存在以下問題：

1)軸向功率偏差報警在以前的SPEC200的卡件中無法實現在任意24 h之內累積計數。計數器的顯示不是任意24 h的累積時間，而是從上一次清零后開始的24 h之內的累積時間計數，這與原始設計不相符；原始設計的要求應該解讀為：從任意時刻起，往前24 h以內的累積時間計數，將超出24 h的累積時間自動清除，這樣就能保證任意時刻之前的24 h的累積時間，即為24 h長度的隊列操作。按照原有的計數狀況會使得ΔI超目標帶外累積時間長報警失去了原有的意義，給主控操作員造成了困擾。

2)電核功率大表及ΔI超目標帶計時器與DCS控制系統接口匹配問題。

3)在聯合調試的過程中，無法觀察到一些過程參量的具體數值變化，這使得邏輯輸出與判斷變得困難。

4)在每次大修完之后，根據PM大修項目要求，需要修改軸向功率偏差系統的目標帶，按照現有設計，由于每次修改都要在組態軟件中進行，這樣做，提高了風險，一旦失誤將其他組態修改，可能會造成很嚴重的后果。

綜上所述，反應堆功率調節系統跟軸向功率偏差報警系統在一定程度上，或多或少存在一些急需優化或者改進的問題，有些問題影響系統功能、有些對設備正常使用造成困擾、有些反復性工作可能帶來嚴重的后果，為此，性能優化工作迫在眉睫。

3 反應堆功率調節系統性能優化研究

反應堆功率調節系統對于核電站而言至關重要，其調節性能及檢測報警系統的優化品質決定了投入使用時性能的優劣。針對以上問題，做出了如下具體的性能優化方案。

3.1 ΔI超目標帶累計時間長報警功能具體實現方法

軸向功率偏差報警系統要實現任意24 h以內的累計時間計數，先進來的累計時間先出、后進的時間后出，滿足隊列的基本定義。在IA平臺的DCS控制系統中沒有一個具體的功能模塊可以實現，為此，根據DCS控制系統中現有的模塊，搭建其邏輯功能圖，如圖2所示。

圖2 計數時間塊原理圖

此原理圖說明如下：

圖2原理圖為計數器時間塊中的一個，總共有1 440個這樣的時間計數塊，這是因為計數器顯示量程是0～1 440 min，而一個計數塊的掃描周期t=5 s，在時間t之內需要將1 440個計數塊全部掃描一遍，在掃描的同時，n1～n12位寄存器存儲的數據也會向前進行移位操作，總共有n=12×1 440=17 280個位寄存器，具體操作如下，當前位寄存器存儲狀態如圖3、圖4所示。

經過t時間后，位寄存器向前移動一位，其狀態如圖4所示。

由圖4可知，一個時間塊中12個寄存器數據全部進入下一塊時間塊所需的時間如圖2所示的塊圖需要時間：

Δt=12·t=60 s

(1)

即為1 min，走完1 440個這樣的塊圖總時間為1 440 min=24 h，因此24 h以外的數據以隊列的形式出隊。第一個時間塊記錄前一分鐘的數據、第二個記錄前兩分鐘的數據…以此類推，第1 440個記錄最先進來的前1 440 min進來的數據，這樣的動作邏輯滿足設計要求，具體可設當前時間狀態下，寄存器狀態為圖3所示，在經過一個掃描周期t之后，入隊數據為k0，其他數據向前移位，而24+t時刻的數據k17 280出隊，位寄存器數據記錄原則是當ΔI超目標帶累計時間信號長時間存在時，n1～n1 440中對應的數據記錄為“1”，無超目標帶累計時間信號時為0，由以上結果可以得出，24 h中超目標帶累計總時間，其計算公式如下：

(2)

式中：當有計數信號時，ki=1；反之，ki=0，t=5 s，T單位為秒(s)。此數值T經過量程轉換處理為標準的4～20 mA的信號輸出到CB-522盤臺的超目標帶計數器上；當復位信號出現時，所有的寄存器數據置“0”，這樣時間T=0，實現復位功能。2018年6月5日下午14:32在冷態調試的過程中，在工程師站中讓目標帶累計計數信號強制輸出，讓計數器記錄74 min的時間長度，并且于第二天2018年6月6日下午去觀察，當時觀察時間為14:38，超過24 h 6 min，其顯示結果為“68”，因此此設計方案滿足要求，在下午14：46開始觀察，經過1 min左右，CB-522盤臺光字牌上的“ΔI超目標帶累計時間長”報警出現，按CB-522盤臺上的“計數器復位按鈕”，報警消失，并且計數器清零。

圖3 當前時間位寄存器狀態

圖4 位寄存器當前時間與t時間之后狀態對比圖

3.2 基于DCS控制系統的零點漂移及量程調整解決方案

電核功率大表作為核電站發電指示的一雙眼睛，對操縱員而言，其作用不言而喻，正確的數值指示是必要的前提，系統改造之后，其顯示不是按照既定的指示變化，而數字化的系統的好處是就是數字運算處理能力更加強大，可以按照一定的要求與舊設備進行匹配，以電核功率大表為例具體操作方法如下。

為了得出電核功率大表的線性關系，調試人員在其相應的端子加上不同的標準信號源電壓，對大表進行校驗，記錄如表1所示。

表1 電功率大表校驗記錄

(3)

當Pe=467 MWt時有：

(4)

所對應的電壓由于電功率大表其卡件轉換關系為輸入4～20 mA—轉換為0～156%—輸出為0～10 V，0～10 V的信號經過電功率大表信號數據采集處理，顯示為電功率大小，此時DCS組態中相應參數為：

(5)

(6)

式中,LSCO1為量程下限、HSCO1為量程上限，LOLIM為低限幅值、HOLIM為高限幅值，按此限幅范圍內的百分比，將FOXVIEW對應模塊的“A/M”按鈕切換至“M”，強制送出標準百分比信號，其輸入輸出如表2所示。

表2 電功率表第一次工程師站強制信號輸出記錄表

由于輸出為電壓信號，所以由線損導致指示偏低的因素需要考慮。因此，為了輸出同樣的百分比變化時，讓DCS輸出卡件電壓增大，在輸出電壓量程0～10 V不變的前提下，必須縮小量程，具體校表修正過程如下：

最大相對誤差大小為:

(7)

式中,Δ為絕對誤差大小為2，L為真值，其大小為468，帶入計算可得：

洋蔥屬于百合科蔥屬類植物，又被成為圓蔥。其糖類、蛋白質維生素以及礦物質含量都非常豐富，在我國的南北方都有廣泛的種植。隨著我國人民生活水平的提高，對于農作物的品質要求也隨著上升。為了更好的達到提升洋蔥品質到無公害標準的目標，對洋蔥的無公害種植以及病蟲害防治技術進行研究是非常有必要的。

δ=0.427 350 427 35%

(8)

因此,為了讓其滿足性能要求，保持低位量程限電壓限值及顯示，將量程低位也進行縮放，高位也進行縮放，將量程大小整體縮小δ=0.427 350 427 35%求解過程如下：

圖5 曲線校正示意圖

由圖5可得：

(9)

由上式可求得：

(10)

在DCS組態圖中，修改其量程大小：

(11)

經過修改后第二次校驗數據如表3所示。

表3 電功率表第二次工程師站強制信號輸出記錄表

經過第二次校正之后，電功率大表線性度非常好，滿足設計要求。

對于核功率大表而言，用同樣的方法，對大表進行校驗，在CP5083機柜中相應的端子上加標準的直流電壓，以此來求解其線性度，由秦山一期原始設計規格可知，100%電功率對應的核功率應該為966 MW，因此，具體數據如表4所示。

表4 核功率大表校驗記錄表

經過擬合可得曲線PN = 122.46U-11.728可得，當PN =0時核功率百分比為0,U=0.095 V≈0.1 V。此點滿足實際校驗零點U=0.1 V。

(12)

當PN=1 159，即核功率為120%時，U=9.56V：

(13)

式中,PN為核功率大小，單位為兆瓦(MW)；U為對應卡件應該輸出的電壓值，單位為伏特(V)P相對核功率，單位為%，由式(1-5)(1-6)可得，當U=0時，可得P=-1.268 5%；當U=10時，P=-125.581%在DCS組態中相應參數為：

(14)

(15)

式中,LSCO1為量程下限、HSCO1為核功率表的量程上限，LOLIM為低限幅值、HOLIM為高限幅值，按此限幅范圍內的百分比，將FOXVIEW對應模塊的“A/M”按鈕切換至“M”，強制送出標準百分比信號，其輸入輸出如表5所示。

表5 核功率表第一次工程師站強制信號輸出記錄表

由表5可以看出核功率大表在低位時線性度很好，在高位時，絕對誤差最大為1 MW，如果要滿足現有的要求，就需要在相同百分比條件下其電壓值增大，核功率大表才能滿足要求，由此可以計算出其相對誤差大小為:

=0.086 281 276 96%

(16)

式中,Δ為絕對誤差大小為1，L為真值，其大小為1 159，帶入計算可得:

δ=0.086 281 276 96%

(17)

因此,為了讓其滿足性能要求，保持低位量程限值不變，將高位量程縮小δ=0.086 281 276 96%后，可得:

(18)

再次按照上述方法對核功率大表進行校驗時，輸出記錄如表6所示。

表6 核功率表第二次工程師站強制信號輸出數據

由表6可知，其線性度滿足要求。

電功率大表由于零點附近跟滿量程附近都存在偏差，因此，通過量程上下限都調整且零點不變的方式進行調節；而核功率大表只在滿量程附近存在很小的偏差，因此，不調節其量程下限來達到調節核功率大表線性度的要求。

用同樣的方法對電功率大表跟ΔI超目標帶計時器同樣適用，經過對設備的調零、調滿，根據自身需求對輸入到設備的信號卡件進行量程的遷移與調整，使設備工作在要求的范圍內。

3.3 功調系統過程參數工藝流程圖開發與應用

秦山一期核電站反應堆功率調節系統可以根據冷卻劑平均溫度通道、參考平均溫度通道、功率失配通道三個通道的綜合偏差大小，按照既定的邏輯發出報警、硼化、稀釋、動棒指令，以此來達調節反應堆功率與汽機功率匹配的目的，三通道的過程參數對于運行人員、維修調試人員都有很大的作用，為此，開發了基于FOXDRAW的反應堆功率調節系統的過程參數工藝流程，在DCS控制系統中，經過組態圖的優化，使得這一項工作只需要在FOXVIEW的畫面中特定的輸入框圖中輸入物理組給定的軸偏數值大小，系統就可以按照一定的邏輯運算完成對目標帶的調節工作，這在極大程度上降低了其他組態參數修改的可能性，同時提高了維修工作效率，避免了因人因失誤而造成的風險。具體如圖6所示。

通過此流程圖，可以很便捷地觀看系統運行中的參數變化情況，并且對其中的過程參數值尤其是功率適配通道的參數評估更準確，使功調系統使用性能完善，用戶體驗更加友好。

圖6 功調系統過程參數工藝流程圖

3.4 ΔI目標值組態功能圖優化

DCS組態軟件中存在一個叫AIN的功能塊圖，其數值大小可以與FOXVIEW中的畫面對其直接進行賦值操作，這使得ΔI目標值直接不通過組態軟件下裝成為了可能性，通過CHARC模塊進行數據處理，CHARC模塊是通過構建最多20個段的“分段”線性特征曲線來表征模擬信號的變化，在操作應用中，該塊根據輸入值和用戶指定的特征曲線生成輸出值大小[2]。具體如圖7所示。

圖7 軸偏目標帶組態優化功能圖

其原理說明如下：

由物理組提供滿功率情況下的ΔI給定值，則ΔI上、ΔI下可由以下公式確定：

(19)

由次高選核功率與軸向功率偏差關系可以計算出ΔI目標值：

ΔI目標值=-ΔI給定·PN_SEL

(20)

式中，PN_SEL—次高選核功率百分比。

ΔI目標值送至加法模塊與ΔI實測值計算偏差，根據偏差及報警限值，發出相應的指令。

4.結論

反應堆功率調節系統無論是在冷態調試、聯合仿真、熱態功率平臺試驗中都經受住了考驗，其性能的優化是非常成功的。

1) 電核功率大表在整個熱態升功率的過程中一直指示精確，誤差在符合設計要求。

2) ΔI超目標帶累計時間長的功能在冷態調試及75%功率平臺功率分布試驗中得到了充分驗證，證明其準確、有效。

3) ΔI組態圖優化在75%功率平臺功率分布試驗完成后，由物理組提供滿功率對應的ΔI值，通過在FOXVIEW中進行修改，目標帶隨之被更改，操作簡單可靠、無風險。

4) 功調系統過程參數工藝流程圖在整個熱態試驗中，如30%平臺試驗、50%平臺試驗、RUNBACK試驗、甩負荷試驗、75%功率平臺試驗中、100%功率平臺試驗中為儀控人員實時監控功調系統的過程參數提供了很大的便利，通過過程參數的大小與變化趨勢就可以方便的判斷反應堆功率調節系統是否有異常。

通過冷態到熱態再到功率運行狀態的一系列試驗，充分驗證了經過優化后的反應堆功率調節系統性能良好、符合設計要求。說明對應反應堆功率調節系統性能優化的研究是非常可行的也是很必要的。

5 總結與展望

DCS控制系統在電廠被廣泛使用，而控制系統的參數優化問題在新建電廠調試或者現有電廠改造的過程中是調試人員經常需要面對的難題。本文以秦山一期30萬kW機組反應堆功率調節系統為視角，將數字化改造過程中碰到的問題及解決方案做出歸納總結，希望本文可以為同行業的從業人員在調試或改造時提供解決此類問題的解決思路與方法。