650MW壓水堆核電機組濃縮液貯槽溫度監控優化

李福才

（中核核電運行管理有限公司 維修三處，浙江 嘉興 314300）

0 引言

秦二廠1、2號機固體廢物處理系統的濃縮液貯罐上安裝有2個溫度開關和1支溫度計：2個溫度開關分別用于啟停2臺電加熱器將濃縮液溫度控制在一定范圍；溫度計用于對內部濃縮液溫度進行數值顯示并觸發低溫報警，以便于運行人員進行監視。由于此溫度開關的安裝方式和位置等原因，檢修所需的工期長，影響了設備的正常使用。為了解決此問題，將這2個溫度開關變更為可靠性更高的鉑電阻溫度計，優化了濃縮液的溫度控制方式。而此用于監視濃縮液溫度的溫度計安裝在罐頂部，其從罐頂插入至罐中。將2個溫度開關改為2個溫度計后，理論上來講3個溫度計的被測介質相同，測量結果應是一致的。但實際上由于這支用于數值顯示的溫度計和2個用于溫度控制的溫度計的測點高度不同，導致濃縮液液位低于某一高度時用于數值顯示的溫度計測得結果會偏低，產生溫度低報警。通過對各種解決方法進行比較，最終確定采取修改定值的方法來避免此誤報警的產生。

1 9TES001BA簡介

650MW核電機組的三廢系統包含TEG（廢氣處理系統）、TEP（硼回收系統）、TEU（廢液處理系統）、TES（固體廢物處理系統），由KSN（核輔助廠房三廢處理控制系統）進行集中控制和監視。TES001BA為固體廢物處理系統的濃縮液貯罐，其可以接收來自廢液處理系統和硼回收系統排放來的濃縮液，也可以接收SRE（核島污水回收系統）過來的化學廢水。由于濃縮液中溶解的物質在低于某一溫度時會產生結晶造成設備堵塞，所以貯槽TES001BA和相關的管道設有保溫層和加熱裝置[1]。根據輻射水平和污染風險的高低，核電廠將廠房劃分為紅、橙、黃、綠4個區域，其中紅區的輻射水平和污染風險最高。秦二廠1、2號機為兩臺650MW核電機組，其濃縮液貯槽9TES001BA位于紅區。貯槽上裝有兩臺獨立的電加熱器1TES001RS和2TES002RS進行加熱，這兩臺電加熱器都有手動和自動兩種控制方式。在手動控制模式下，通過控制室的啟動和停止按鈕可以直接控制電加熱器啟停；在自動模式下分別由一個溫度開關控制啟停。其中1TES001RS的啟停由溫度開關1TES002ST控制，控制功能由1KSN系統的控制PLC實現；2TES002RS的啟停由溫度開關2TES003ST控制，控制功能由2KSN系統的控制PLC實現。另外9TES001BA上還安裝了鉑電阻溫度計9TES001MT對罐內溫度進行監視，此溫度信號的采集和轉換功能由9TES系統的控制PLC實現。

2 9TES001BA溫度控制優化

2.1 將溫度開關改為溫度計的原因

2.1.1 電加熱器的自動控制方式

1KSN系統有1KSNA00AR和1KSNB00AR兩個控制柜，內部均安裝有PLC。溫度開關1TES002ST的信號接至1KSNB00AR中，經PLC處理后輸出命令控制柜內的繼電器動作，最終由繼電器輸出電壓信號控制1TES001RS啟停。1TES002ST的設定值為L：55℃，切換差5℃。當1TES001RS處于自動控制狀態且9TES001BA內溫度低于55℃時，1TES002ST動作并將信號送入1KSN系統的PLC中，PLC輸出1TES001RS的啟動命令。當9TES001BA內溫度上升至60℃（55℃+5℃）時，1TES002ST狀態復位，PLC輸出1TES001RS停命令。

2KSN系統有2KSNC00AR和2KSND00AR兩個控制柜，內部同樣均安裝有PLC。溫度開關2TES003ST的信號接至2KSND00AR內的PLC上，最終輸出信號控制2TES002RS啟停。2TES003ST的設定值為L：50℃，切換差5℃。2TES002RS的自動控制方式與1TES001RS相同。

2.1.2 溫度開關問題

1TES001ST和2SIT002ST為相同型號的溫度開關，該溫度開關主要由溫包、毛細管和開關元件3部分構成。溫包安裝于9TES001BA罐體上，位于紅區ND404房間，開關元件安裝在黃區ND403房間。ND404和ND403兩個房間由一道墻壁隔開，且墻壁上有一孔洞貫穿。溫度開關的毛細管穿過此孔洞，以使溫包安裝在紅區，開關元件安裝在黃區。由于該溫度開關拆裝麻煩且紅區輻射劑量高，所以其不便于用加熱裝置進行離線校驗，只能在線校驗。而在線校驗時，只能以溫度計9TES001MT做為參考，根據溫度計的測量值對溫度開關的定值及切換差進行調整。由于9TES001BA中的濃縮液介質升、降溫度過程很慢，所以檢修一次的工作時間通常需要一周左右[2]。秦二廠1、2號機組三廢系統在以往運行期間1TES002ST和2TES003ST曾多次出現定值漂移導致9TES001BA內的電加熱器無法自動啟動的故障，這嚴重影響了設備的正常使用。

2.1.3 使用溫度計的優點

1）可靠

鉑電阻溫度計是利用其電阻與溫度成一定函數關系而制成的溫度傳感器。由于鉑的特性穩定，不會因高低溫而引起物理或化學變化，所以鉑電阻溫度計有良好的長期穩定性，性能相對可靠。將溫度開關改為鉑電阻溫度計可以降低儀表故障率，減少現場檢修工作量。

2）控制準確

溫度開關1TES002ST和2TES003ST的開關元件部分是純機械式結構，開關動作和復位時都會存在重復性誤差，即每次動作時對應的溫度值會略有不同，每次復位時也是如此。而鉑電阻溫度計以模擬量信號形式連接至PLC，在PLC中通過編程的形式既可以精確地設置信號觸發的定值，又可以精確地設置信號復位的定值，相比于溫度開關來講控制更加準確。

3）雙支溫度計有備用支

如使用雙支的鉑電阻溫度計，則在后續運行過程中即便正常使用的一支溫度計損壞了，還可以用另外備用的一支。這樣既可以減少檢修人員進入高輻射區域更換溫度計的次數，避免檢修人員多接受到放射性照射劑量，又可以快速解決現場缺陷，使設備盡快地處于可用狀態。

4）可參照對比

將兩溫度開關改為溫度計后，9TES001BA罐體上就共有3個溫度計，且其中2個溫度計為雙支。當發現某個溫度值出現異常時，可對這些溫度計的測量值進行相互參照對比，這樣便于故障判斷。

2.2 溫度開關改為溫度計的實施

2.2.1 硬件變更

將溫度開關1TES002ST和2TES003ST分別改為鉑電阻溫度計1TES002MT和2TES003MT的實施方法如下：

1）安裝溫度計

首先，在ND404房間內拆下9TES001BA上溫度開關1TES002ST和2TES003ST的溫包[2],保留其安裝在9TES001BA上的外保護套管；然后，整體拆除1TES002ST和2TES003ST（包括溫包、毛細管、開關元件）及其相關接線；最后，在兩個原溫度開關的套管內分別安裝1個雙支鉑電阻溫度計1TES002MT和2TES003MT，即將溫度開關ST替換為溫度計MT。

2）安裝接線箱

首先，提前準備1個接線箱9TES900CR，此接線箱中配有足夠數量的接線端子以滿足兩個雙支溫度計的接線要求。根據現場實際空間情況，在ND403房間內原溫度開關元件的安裝位置附近選擇合適位置安裝此接線箱。鋪設兩根電纜，分別將1TES002MT和2TES003MT的信號引入9TES900CR[3]。原溫度開關的溫包和開關元件在不同房間，所以溫度開關的毛細管是穿墻安裝的。此溫度開關整體拆除后，利用原毛細管的穿墻孔將這兩根新電纜進行穿墻敷設。

3）熱電阻輸入信號PLC模塊安裝

原1TES002ST的開關量信號接至1KSN系統的PLC控制柜1KSNB00AR中，2TES003ST的開關量信號接至2KSN系統的PLC控制柜2KSND00AR中。在1KSNB00AR中PLC機架空槽位上新增加1塊熱電阻輸入信號模塊B02ARI[3]，敷設1根測量電纜將9TES900CR中的1TES002MT信號接至這個新增熱電阻輸入模塊對應的接線端子上。秦二廠1、2號機組KSN系統使用施耐德昆騰系列PLC[4]，此PLC的I/O模塊支持帶電插拔，所以安裝新熱電阻輸入模塊時無需對系統停電。同樣在2KSND00AR中，PLC機架空槽位上新增加1塊熱電阻輸入信號模塊D02ARI，再敷設1根測量電纜將9TES900CR中的2TES003MT信號接至這個熱電阻輸入模塊對應的接線端子上。

2.2.2 PLC程序修改

1）1TES002ST改為1TES002MT

首先，在1KSN系統的PLC程序中修改組態，增加熱電阻信號輸入模塊（AIR模塊），并配制該模塊通道的PLC地址范圍；然后，確定MT信號使用的PLC地址并編寫程序，在程序內部將熱電阻輸入信號轉化成一個可以在55℃置位為1、60℃復位為0的開關量信號作為中間變量，用這個轉化后的中間變量地址替換程序中原溫度開關的地址；最后，保存程序，為避免就地系統設備誤動作對工藝系統運行產生影響，所以在工藝系統停運時將程序下載至PLC中。

2）2TES003ST改為2TES003MT

2TES003MT的相關邏輯程序在2KSN系統的PLC中進行修改。在程序內部將此熱電阻輸入信號轉化成一個可以在50℃置位為1、55℃復位為0的開關量信號作為中間變量。其他部分的修改方法與1TES002MT的相同。

3 9TES001BA溫度報警定值優化

3.1 溫度報警問題

溫度計9TES001MT從9TES001BA罐頂部下插至罐體中，其信號送入9TES系統的PLC中進行處理。當溫度計測得溫度低于55℃時PLC觸發溫度低報警信號，溫度恢復至55.5℃時復位報警信號[5,6]。秦二廠1、2號機組三廢系統日常運行期間，發現當9TES001BA液位高1m左右時，9TES001MT的溫度低報警信號已觸發，但要求低于55℃需自動投運的電加熱器1TES001RS卻未啟動。

3.2 原因分析

現場檢查9TES001MT、1TES002MT溫度計本體和信號通道均正常，1TES001RS的啟停控制功能也正常。在對設備的運行情況進行持續觀察中發現：當9TES001BA中液位為0.69m時，9TES001MT測量值為56℃，而1TES002MT和2TES003MT的測量分別為60.3℃和60℃，與9TES001MT的測量值偏差約為4℃；當液位為1m左 右 時，1TES002MT和2TES003MT與9TES001MT的測量值偏差約為2℃；對9TES001BA內的濃縮液進行放料處理液位下降后，1TES002MT和2TES003MT與9TES001MT的測量值偏差又會增大到4℃左右。以此看來，此溫度測量偏差與9TES001BA中的液位是有關系的。

查閱濃縮液貯槽9TES001BA總圖：9TES001MT安裝孔位置距罐底高約3000mm；1TES002MT和2TES003MT距罐底的安裝高度為735mm[7-10]。對9TES001MT尺寸進行測量，得知其插入深度約為1800mm。經參考圖紙中的各個尺寸進行初略計算，9TES001MT與1TES002MT（2TES003MT）測點間相距約400mm，溫度計測點高度不同。

當罐子中液位高度在9TES001MT和1TES002MT兩個溫度計之間時，這兩個溫度計的測量值就會存在偏差。此時9TES001MT的測點在液面以上，其測得的溫度為罐內空氣溫度；1TES002MT的測點在液面以下，其測得的溫度為濃縮液溫度。因為空氣與濃縮液的熱導不同，所以9TES001MT測得的溫度會低于1TES002MT測得的溫度。所以會出現9TES001MT已觸發溫度低報警，但1TES002MT的測量值未達到加熱器1TES001RS啟動的溫度定值，導致報警長時間存在的現象。經觀察1TES002MT和2TES003MT指示基本一致（兩支溫度計安裝在同一水平高度），在9TES001BA液位變化時9TES001MT比1TES002MT（2TES003MT）最多低4.5℃左右。

3.3 解決方法

3.3.1 解決思路及可行性分析

根據上述測量偏差的分析結果，避免9TES001MT出現誤報問題有以下幾種方法：

1）保持9TES001BA液位處于可接觸9TES001MT的高度

因為9TES001MT的測點位置高于1TES002MT和2TES003MT，所以當罐內液位接觸至9TES001MT時，3個溫度計均會浸入濃縮液中，不會因被測介質不同而產生測量偏差。如運行期間將液位保持在此高度以上，則可避免出現溫度低的誤報警。但是實際現場情況是9TES001BA接收到一定量濃縮液時需要對其進行排料處理，為使其下次可以接收盡量多的濃縮液，排料后的液位會盡可能的低。所以，無法確保9TES001BA的液位是一直滿足此高度要求的。

2）將9TES001MT更換為更長尺寸的溫度計

9TES001MT帶有外保護套管，該套管從9TES001BA頂部插入內部并焊接安裝在罐體上。保護套管接觸9TES001BA內帶有放射性的濃縮液，保護溫度計的同時又避免了溫度計被放射性介質沾污。保護套管的長度限制了溫度計長度，如更換更長的溫度計則需將保護套管一同進行更換。所以如要更換長尺寸的溫度計則需采取切割、焊接的工藝手段進行拆裝保護套管，這樣工作人員就會無法避免地接觸放射性介質，同時也需要耗費較長時間在高輻射區域工作，增大了工作人員的輻射沾污風險，也導致受照射劑量的增加。

3）使用1TES002MT或2TES003MT代替9TES001 MT產生報警

1KSN、2KSN和9TES系統的控制PLC均屬于核輔助廠房三廢處理控制系統（KSN）的PLC子站，所以這3個系統的PLC在同一網絡中可以以通訊的方式進行數據交換。將1KSN或2KSN系統采集到的1TES002MT信號或2TES003MT信號傳遞到9TES系統的控制PLC中，然后修改9TES系統的PLC程序，用此信號地址替換9TES001MT的信號地址，即可實現用1TES002MT或2TES003MT代替9TES001MT產生低溫報警的功能。但按此方法實施后控制和報警功能會集于同一個溫度計上，這樣就降低了原設計的設備冗余程度。

4）修改9TES001MT的報警定值

在9TES系統控制PLC的程序中，9TES001MT的低溫報警設定值為55℃。由于在歷次檢修時進行過查看對比，9TES001MT測得的溫度比1TES002MT（2TES003MT）測得的溫度最多低4.5℃左右，所以如將9TES001MT的低報值降低5℃（把4.5℃近似等于5℃）則其在此情況下就不會產生誤報警。另外9TES001BA內濃縮液的溫度為50℃（55℃-5℃）時不會產生結晶，所以將9TES001MT的低溫報警定值降低5℃既可以消除異常報警，又對系統運行沒有負面影響。即可將9TES001MT的報警定值由55℃改為50℃，同時將其消報值由55.5℃改為50.5℃。

綜上可看出，優化9TES001MT的報警定值是最可行而又有效的方法。

3.3.2 報警定值修改方法

在9TES系統的PLC程序中通過信號地址分別搜尋到9TES001MT觸發低溫報警和消報的程序段，將此程序中的報警觸發定值由55℃改為50℃，同時將報警復位定值由55.5℃改為50.5℃即可。

4 結束語

將1TES002ST和2TES003ST分別改為1TES002MT和2TES003MT，使電加熱器的控制更為可靠，省去了校驗溫度開關工作的同時也使溫度控制更為準確，最終確保了9TES001BA中的放射性濃縮液不會因溫度低而產生結晶。優化9TES001MT的低溫報警設定值后，消除了控制系統誤報9TES001BA溫度低報警的故障。兩項優化工作實施后，有效減少了秦二廠1、2號機組的缺陷次數，更確保了9TES001BA中放射性濃縮液的狀態可以被有效地控制和監視。

秦二廠1、2號機組核輔助廠房三廢處理控制系統的硬件設備為PLC，雖然其他650MW壓水堆核電機組三廢控制系統的硬件與此會有不同，但這種優化方式卻依然適用，且也可為其他核電機組三廢系統濃縮液貯槽溫度監控的設計和優化提供參考。同時建議新建機組在設計時，將用于數值顯示（報警）和控制的溫度計測點確定在同一高度，這樣可以從源頭避免產生測量偏差和誤報警的問題。