三門核電堆芯熱電偶冷端補償分析及維護

王 超

(三門核電有限公司，浙江 臺州 317112)

事故工況下，RCS過冷度是判斷堆芯是否得到充分冷卻最直觀的參數，也是判斷充足熱阱存在的依據。堆芯出口熱電偶作為反應堆燃料頂部冷卻劑溫度測量儀表，測量結果為核級數據處理系統冷卻劑過冷度計算輸入之一。其測量回路中，從冷端補償鉑電阻準確性至補償算法的實現均對最終QDPS堆芯冷卻關鍵狀態樹的路徑選擇有重要的意義。

本文通過對比分析堆芯熱電偶冷端補償方案，以及現場PMS補充測試中發現的問題與解決，并為今后堆芯熱電偶的維護工作提出了合理的建議。

1 三門核電堆芯熱電偶冷端補償情況

熱電偶的熱電勢是兩個接點溫度的函數差，只有當冷端溫度不變時，熱電勢才是熱端溫度的單值函數。因此必須對熱電偶冷端溫度變化的影響采取補償措施。目前在數字式控制系統中，通常采用I/O卡件內置溫度傳感器，實時檢測冷端溫度變化進行修正。

三門核電堆芯熱電偶為取得準確的測量結果，未采用卡件內置溫度傳感器，而是在冷端接線端子處，設置了冷端補償熱電阻準確測量冷端溫度，再通過高階擬合多項式完成最終冷端補償算法。堆芯熱電偶冷端補償電阻設置情況如表1所示。

表1 堆芯熱電偶冷段補償電阻布置情況

QDP機柜中AI687卡件擁有內置溫度傳感器，可執行冷端補償功能，但實際應用中，QDPS設置AI687模塊參考溫度為0 ℃，如此輸入的熱電偶信號并未進行補償。堆芯熱電偶冷端溫度通過外置冷端補償鉑電阻進行測量，通過補償算法對信號進行補償，以獲得更準確的測量結果。熱電偶的電勢與溫度之間的對應關系并非完全線性，通常使用最小二乘多項式對其進行高階擬合。

整個冷端補償算法中，主要涉及溫度轉換為對應電勢和電勢轉換為對應溫度兩個計算。冷端補償鉑電阻所測得的溫度，通過對應的轉換關系轉換為電勢信號與實際測得的電勢信號相加得到電勢和。根據熱電偶中間定律，電勢和所對應的分度表上溫度則為真實測量溫度。堆芯熱電偶冷端補償算法根據標準IEC 60584-1第一部分EMF規范和公差附件A.7和B.7的溫度電勢正反轉換公式實現。

2 三門核電堆芯熱電偶冷端補償情況

2.1 冷端補償鉑電阻偏差分析

堆芯熱電偶測量過程中，不僅涉及偶絲部分的測量結果，也和實際冷端補償溫度測量息息相關。冷端補償電阻溫度的測量準確性將會直接影響到由電勢和所計算得到的堆芯熱偶溫度。但是目前預防性維修大綱和調試維護、補充測試程序未涉及冷端補償電阻的維護問題，而熱電阻偏差后會導致測量偏差。

2.1.1 假定冷端補償電阻偏差的理論計算

根據技術規范書要求，PMS機柜間溫度需保持在19.4～25 ℃，機柜內由于電子元件發熱，實際柜內溫度稍高于環境溫度在30 ℃左右。借用PMS補充測試中堆芯熱電偶通道測試數據表的選點，100 ℃、395 ℃、690 ℃、985 ℃、1 280 ℃，對冷端補償電阻偏差進行了如下理論計算。

假設一：冷端補償電阻端接處，實際溫度為30 ℃；

假設二：冷端補償電阻測量分別產生了±1～±5 ℃的偏差。

根據標準IEC 60584-1溫度電勢正反轉換公式，有：

(1)

式中：t90——溫度，℃；

E——熱電偶電勢，μV。

式中的相關系數值如表2所述。

表2 c系數值

冷端溫度電勢轉換公式

E(tRJ，0)=

(2)

式中:tRJ——冷端接線處溫度，其他參數如下：

b0=-1.760 041 368 6×101；

b1=3.892 120 497 5×101；

b2=1.855 877 003 2×10-2；

b3=-9.945 759 287 4×10-5；

b4=3.184 094 571 9×10-7；

b5=-5.607 284 488 9×10-10；

b6=5.607 505 905 9×10-13；

b7=-3.202 072 000 3×10-16；

b8=9.715 114 715 2×10-20；

b9=-1.210 472 127 5×10-23；

c0=1.185 976×102；

c1=-1.183 432×10-4。

冷端補償鉑電阻出現偏差時，由于其與堆芯熱電偶測量回路并無物理關聯，因此實際卡件接受到的熱電偶測量信號仍為準確的相對于冷端30 ℃的電勢信號。最終測量結果的偏差，是由于冷端補償算法使用了錯誤的冷端溫度導致。根據式(1)、式(2)以及熱電偶中間溫度定律利用2節中的冷端補償原理算法，分別計算5個選點溫度下，冷端補償電阻發生溫度漂移后的導致的實際測量結果偏差，其計算結果如表3所示。

表3 計算結果

2.1.2 理論計算結果分析

由理論計算結果可知，冷端補償電阻偏差在±5 ℃范圍內，其偏差1 ℃，引入的測量誤差大概也在1 ℃左右。冷端補償電阻溫度漂移在3 ℃和-3 ℃，5個選點溫度的測量誤差最大的為1 280 ℃，誤差為3.4 ℃和-3.5 ℃，已經達到了±3.5 ℃允許誤差的最大值。而隨著偏差增大，引入的測量誤差的變化趨勢也具有發散性。

2.2 錯用冷端補償算法對測量的影響

PMS系統進行堆芯熱電偶通道檢驗時，采用測試小車(SIOS)作為信號輸出源，使用普通連接線與PMS端接單元TU連接，冷端補償溫度為卡件補償算法中的冷端補償電阻溫度。為避免環境溫度波動對通道回路測試的影響，在MTP中強制冷端溫度為固定值。而在首次測試中，補充測試程序對熱電偶補償算法的理解有偏差，導致該項測試在回歸測試中需重新執行。

2.2.1 CET通道精度測試失敗項

使用CPP-PMS-T1D-018 REV.5程序進行堆芯熱電偶通道精度測試時，測試數據表要求強制冷端補償鉑電阻TB01、TB02/TC01、TC02為10 ℃，測試小車依次施加90 ℃、385 ℃、680 ℃、975 ℃和1 270 ℃對應的電勢。而預期相應溫度顯示為100 ℃、395 ℃、690 ℃、985 ℃、1 280 ℃。所有的測試結果顯示誤差均在±3.5 ℃以內，滿足通道精度要求。

分析此測試結果時，發現此種做法并不嚴謹。因為熱電偶的熱電勢與溫度之間的關系并非為線性關系，不可簡單認為測點溫度是實際測得電勢對應分度表溫度與冷端補償溫度的和。而應根據中間溫度定律，獲得冷端溫度對應的電勢與實際偶絲測得的電勢和后，再轉換為對應的溫度。即熱電勢可以相加減，溫度需轉換為電勢才能加減。

2.2.2 測試結果滿足精度要求的原因

按照測試程序的要求，對真實進入冷端補償算法的熱電偶信號進行了理論計算，編制成表格如表4所示。

表4 測試方法的理論計算結果

按照程序中的測試步驟，實際輸入最終電勢-溫度轉換公式的電勢信號為99.55 ℃、394.41 ℃、689.42 ℃、985.12 ℃和1 281.2 ℃所對應的電勢，并非期望選擇的溫度測試點。該項測試結果滿足通道精度要求的原因為誤差要求±3.5 ℃對應的范圍較大，而實際錯誤的做法所引入的誤差最大為1.2 ℃(模擬1 280 ℃時)，尚未超出整個通道的精度要求，但卻不能以此證明通道精度滿足要求。

2.3 堆芯熱電偶溫度偏差對電站控制的影響

堆芯熱電偶信號用于為PMS系統和DAS系統提供堆芯出口溫度信息。正常工況下，測量并顯示堆芯溫度，而且作為過冷度函數計算塊的其中一個輸入，計算一回路過冷裕度，協助操縱員評估實際電站所處的狀態。此外，其最主要的功能為在事故工況下，監控堆芯溫度數據，確認安全系統執行了預期功能，堆芯燃料得到了有效的冷卻，并為操縱員執行后續操作提供判斷依據。

冷端補償鉑電阻出現偏差，將會影響所有使用其冷端溫度數據的堆芯熱電偶測量結果。若B或者C序列QDPC機柜中，某個冷端補償鉑電阻發生溫度漂移，將會影響所對應的10支或9支熱電偶的最終測量結果。對后續邏輯運算的影響主要體現在兩個方面，一個為影響第五高堆芯熱電偶溫度數值(5th hottest core exit thermocouple temperature)；另一個則是影響該鉑電阻所在半列溫度均值(average bisector thermocouple temperature)，進而影響序列中兩個半列溫度均值的取大值計算。而這兩個參數均為堆芯冷卻CSF計算中的路徑決定的直接因素。冷端補償鉑電阻出現的測量不準確，可能會導致堆芯冷卻關鍵功能狀態數路徑選擇出現偏差，誤導操縱員執行錯誤的操作。

2.4 改進及建議

2.4.1 增加冷端補償鉑電阻預防性維護項目

根據上述章節分析，冷端補償鉑電阻的重要性應得到充分的重視。有必要將溫度補償電阻納入預防性維修項目定期維護，以確保因補償電阻偏差導致的測量誤差不會導致堆芯熱電偶測量回路的精度較大影響。可對其進行同類設備對比檢查。可使用點溫槍等測溫設備定期測量溫度補償電阻的溫度，與MTP或主控室中顯示的溫度參數進行對比。

2.4.2 冷端補償溫度選擇的建議

在現場儀表調試及維護過程中，通常需要對儀表信號通道進行校驗。應注意到在堆芯熱電偶信號模擬與其他熱電偶測點信號模擬時冷端補償溫度選擇的區別。

調試維護中在就地儀表接線處注入模擬信號，驗證整個信號回路的精度時，應設置信號發生器冷端補償溫度為環境溫度而非機柜卡件處溫度。就地熱電偶至機柜卡件的信號線為補償導線，掛接信號發生器后，補償導線會在信號發生器處產生一個新的熱電勢。應設置信號發生器冷端補償溫度為環境溫度補償此新的熱電勢。對于機柜卡件接線處熱電偶冷端產生的熱電勢，則由軟件冷端補償算法進行補償。

對于堆芯熱電偶，在調試和測試過程中，模擬信號的注入點在卡件接線端子處。連接信號發生器與卡件接線端子的若為普通導線，則此時整個通道回路并不會形成熱電勢，因此信號發生器的輸出電勢直接作用于卡件之上，此時應設置信號發生器的冷端補償溫度為補償算法中的冷端補償電阻溫度，即MTP中顯示或者強制的冷端補償電阻溫度。連接信號發生器與卡件接線端子的若為補償導線，則與就地模擬熱電偶信號類似，應設置信號發生器冷端補償溫度為環境溫度。

3 結束語

本文介紹了三門核電堆芯出口熱電偶的儀表布置及信號處理流程，分析了熱電偶冷端補償方案，通過假定冷端補償電阻出現偏差而進行的誤差理論計算，驗證了對補償電阻進行預防性維護的重要性。同時針對PMS補充測試中，堆芯熱電偶通道測試出現的失敗項進行了分析，并對信號發生器冷端補償溫度的選擇給出了合理建議。