王學(xué)杰,朱世雷 ,黃 文,代君龍,謝 俊,唐鳳平

(中國(guó)工程物理研究院核物理與化學(xué)研究所,四川 綿陽(yáng) 621900)

反應(yīng)堆功率控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)堆芯中子注量率,將堆功率信號(hào)提供給反應(yīng)堆運(yùn)行人員和功率控制系統(tǒng)。反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)連續(xù)監(jiān)督反應(yīng)堆的狀態(tài),監(jiān)測(cè)所確定的保護(hù)變量,當(dāng)監(jiān)測(cè)變量達(dá)到或超過保護(hù)整定值時(shí),自動(dòng)給出保護(hù)觸發(fā)信號(hào)。

反應(yīng)堆控制保護(hù)系統(tǒng)測(cè)量參數(shù)的準(zhǔn)確性,系統(tǒng)工作的可靠性、穩(wěn)定性都關(guān)系到反應(yīng)堆的運(yùn)行安全,特別是反應(yīng)堆保護(hù)變量的測(cè)量精度,各個(gè)通道測(cè)量的一致性和保護(hù)觸發(fā)的準(zhǔn)確性是否符合運(yùn)行限值的要求等,是調(diào)試的主要內(nèi)容,也是反應(yīng)堆運(yùn)行期間關(guān)注的重點(diǎn)。

1 反應(yīng)堆控制保護(hù)系統(tǒng)

反應(yīng)堆控制保護(hù)系統(tǒng)包括：核測(cè)系統(tǒng)、保護(hù)系統(tǒng)、ATWS(Anticipated Transients without Scram)事故緩解裝置、功率控制系統(tǒng)、報(bào)警系統(tǒng)、反應(yīng)堆DCS(Decentralized Control System)和控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。其功能是監(jiān)測(cè)反應(yīng)堆堆芯中子注量率、反應(yīng)堆熱工參數(shù)等,使反應(yīng)堆按所需功率運(yùn)行并維持相關(guān)參數(shù)在安全限度內(nèi)。當(dāng)被監(jiān)測(cè)參數(shù)超過報(bào)警閾值時(shí),發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào),提醒操作人員采取糾正措施;當(dāng)被監(jiān)測(cè)參數(shù)達(dá)到或超過保護(hù)整定值時(shí),向保護(hù)系統(tǒng)發(fā)出保護(hù)觸發(fā)信號(hào),實(shí)現(xiàn)安全停堆。

過程測(cè)量系統(tǒng)送保護(hù)系統(tǒng)的溫度、流量、壓力和液位等信號(hào)采用標(biāo)準(zhǔn)4～20 m A電流信號(hào)[1];核測(cè)系統(tǒng)的周期測(cè)量保護(hù)裝置,送保護(hù)系統(tǒng)的堆功率增長(zhǎng)周期信號(hào),采用4～20 mA電流信號(hào)表示-5～∞～5 s,兩者關(guān)系見圖1;核測(cè)系統(tǒng)的功率測(cè)量保護(hù)裝置,用4～20 mA電流信號(hào)表示堆功率有效值0.0～5.0,再配3位二進(jìn)制數(shù)表示的功率檔位信息,000～111表示1W～10 MW,8個(gè)數(shù)量級(jí)[2],功率測(cè)量保護(hù)裝置輸入與輸出信號(hào)的關(guān)系見表1;電氣系統(tǒng)、輻射防護(hù)系統(tǒng)送保護(hù)系統(tǒng)采用開關(guān)量形式。保護(hù)系統(tǒng)需要校準(zhǔn)的是模擬量輸入信號(hào)。

圖1 周期測(cè)量保護(hù)裝置輸出4～20m A電流信號(hào)與周期的關(guān)系Fig.1 Relation betw een 4～20 mA current w ith reactor period output from period measuring protection equipment

2 過程測(cè)量系統(tǒng)校準(zhǔn)

過程測(cè)量系統(tǒng)采用傳感器、變送器和二次儀表分別校準(zhǔn)的方法,再合成每個(gè)測(cè)量通道的測(cè)量誤差。調(diào)試期間,過程測(cè)量系統(tǒng)的流量、溫度、壓力和液位變送器可以在計(jì)量站檢定。流量?jī)x表的傳感器——孔板,用超聲波流量計(jì)現(xiàn)場(chǎng)比對(duì)標(biāo)定。堆芯出口溫度和堆芯出入口溫差,在反應(yīng)堆工藝系統(tǒng)非核調(diào)試階段72 h連續(xù)運(yùn)行期間,隨著堆池水溫的升高(只運(yùn)行一回路,不啟動(dòng)二回路冷卻系統(tǒng))同時(shí)進(jìn)行了校準(zhǔn)。

3 核測(cè)系統(tǒng)與保護(hù)系統(tǒng)接口

圖2是核測(cè)系統(tǒng)一個(gè)通道與保護(hù)系統(tǒng)接口連接圖。核測(cè)系統(tǒng)的小電流放大器將電離室傳來(lái)的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成0～5 V電壓信號(hào)和二進(jìn)制檔位信息,分別送核測(cè)功率測(cè)量保護(hù)裝置(以下簡(jiǎn)稱功保)和周期測(cè)量保護(hù)裝置(以下簡(jiǎn)稱周保)。

功保將 0～5 V電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成4～20 mA的電流信號(hào),包括檔位信息經(jīng)隔離后一起送保護(hù)系統(tǒng)和報(bào)警系統(tǒng)。

周保內(nèi)的 MCU(M icrop rogrammed Control Unit)根據(jù)0～5 V電壓信號(hào)和擋位信息,用軟件計(jì)算的方法得到反應(yīng)堆功率增長(zhǎng)周期,并輸出經(jīng)隔離的4～20 m A表示周期的電流信號(hào)到保護(hù)系統(tǒng)。周保的MCU還將計(jì)算得到的周期信號(hào)經(jīng)隔離后以11位二進(jìn)制數(shù)的形式送報(bào)警邏輯柜。

反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)接收功保和周保的輸出信號(hào),與保護(hù)設(shè)定值比較,若超過限制則觸發(fā)停堆。保護(hù)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)參數(shù)除用于本機(jī)柜顯示外,還以隔離的串行通訊方式轉(zhuǎn)發(fā)給反應(yīng)堆DCS系統(tǒng)。

由于報(bào)警邏輯柜是反應(yīng)堆DCS的一個(gè)過程控制站,所以DCS系統(tǒng)也可以通過報(bào)警邏輯柜得到核測(cè)參數(shù)。這樣在反應(yīng)堆DCS系統(tǒng)中就有2組核測(cè)數(shù)據(jù),一組是經(jīng)保護(hù)系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù);另一組直接測(cè)量的數(shù)據(jù),形成功率超定值105%和周期小于 20 s的預(yù)報(bào)警“黃燈”信號(hào)。

4 功保的校準(zhǔn)

根據(jù)1E級(jí)設(shè)備與非核級(jí)設(shè)備之間的隔離要求,功保輸出信號(hào)采用了隔離措施。2個(gè)模擬量隔離模塊將I/V轉(zhuǎn)換結(jié)果0～5 V電壓信號(hào),再V/I變換成4～20 mA電流信號(hào),輸出到保護(hù)系統(tǒng)和報(bào)警系統(tǒng)。由于2路V/I轉(zhuǎn)換器件產(chǎn)生的轉(zhuǎn)換誤差,2路4～20m A電流就不一致,再加上功保輸出信號(hào)的接收端——保護(hù)系統(tǒng)與報(bào)警系統(tǒng)采集端口的測(cè)量精度也有區(qū)別,這樣導(dǎo)致一臺(tái)功保輸出信號(hào)在保護(hù)系統(tǒng)與DCS顯示值不一致。單獨(dú)測(cè)試功保、保護(hù)系統(tǒng)與DCS的測(cè)量精度都滿足技術(shù)要求,但連接在一起,誤差疊加,整個(gè)測(cè)量通道的測(cè)量誤差就不能接受了。表2列出功保3個(gè)測(cè)量通道的測(cè)量數(shù)據(jù)在保護(hù)系統(tǒng)與DCS的顯示值。

表1 功率測(cè)量保護(hù)裝置輸入信號(hào)與輸出信號(hào)關(guān)系對(duì)照表Table 1 Relation between input and outputsignals from reactor power measuring protection equipment

由于反應(yīng)堆核功率保護(hù)定值是操縱員根據(jù)實(shí)際運(yùn)行功率設(shè)定,堆運(yùn)行功率為P,保護(hù)系統(tǒng)功率保護(hù)設(shè)定值為1.1P。保護(hù)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的是功率的相對(duì)變化量,只要功保測(cè)量通道能保持線性關(guān)系就可以保證事故觸發(fā)信號(hào)的準(zhǔn)確。從保護(hù)系統(tǒng)3個(gè)測(cè)量通道的顯示值可以看到,功保同一通道同一檔位的線性度滿足保護(hù)觸發(fā)精度的要求。

反應(yīng)堆預(yù)報(bào)警的功率定值是將保護(hù)系統(tǒng)的功率定值除以1.1再乘1.05得到的。

保護(hù)系統(tǒng)測(cè)量值與報(bào)警系統(tǒng)測(cè)量值過大的偏差,使得預(yù)報(bào)警信號(hào)不能與事故信號(hào)保持1.05∶1.1的比例關(guān)系,甚至預(yù)報(bào)警信號(hào)在事故信號(hào)之后觸發(fā)。

圖2 核測(cè)系統(tǒng)與控制保護(hù)系統(tǒng)接口連接圖Fig.2 Interface between neutron fluxmeasurement instrumentation and reac tor control protection system

功保的校準(zhǔn)采用軟件修正的方法。通過修改報(bào)警邏輯柜內(nèi)DCS過程站通道采集軟件,使報(bào)警系統(tǒng)的測(cè)量值與保護(hù)系統(tǒng)的測(cè)量值一致,這樣可以保證預(yù)報(bào)警信號(hào)與事故信號(hào)1.05∶1.1的關(guān)系,同時(shí)主控室計(jì)算機(jī)CRT上2個(gè)顯示畫面(經(jīng)保護(hù)系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù),DCS直接采集的數(shù)據(jù))的功保數(shù)據(jù)也能保持基本一致。

表2 核測(cè)功保的測(cè)量數(shù)據(jù)在保護(hù)系統(tǒng)與DCS系統(tǒng)的顯示值Table2 Power signals disp lay on the p rotection system and DCS

5 核測(cè)周保的校準(zhǔn)

周保利用功保的I/V轉(zhuǎn)換后的電壓信號(hào)與擋位信息,通過軟件計(jì)算得到反應(yīng)堆功率增長(zhǎng)周期,周期采用刻度。周保輸出2路周期信號(hào)：一路是送報(bào)警系統(tǒng)的11位二進(jìn)制數(shù)表示-5～∞～5 s(二進(jìn)制數(shù)最高位是符號(hào)位,11111111111表示 -5 s,01111111111表示5 s,00000000000表示∞,二進(jìn)制數(shù)與周期信號(hào)的關(guān)系見圖3),二進(jìn)制數(shù)由核測(cè)周保內(nèi)的微處理器(MCU)直接驅(qū)動(dòng);另一路是送保護(hù)系統(tǒng)的4～20 mA電流信號(hào),表示-5～∞～5 s。4～20 mA電流信號(hào)是周保內(nèi)MCU將周期信號(hào)通過D/A轉(zhuǎn)換變成0～5 V的周期信號(hào),再 將0～5 V電壓信號(hào)進(jìn)行V/I變換后得到的。

圖3 周保輸出11位二進(jìn)制數(shù)與周期信號(hào)的關(guān)系Fig.3 Relationships betw een 11 binary number w ith reac tor period output from period measuring protection equipment

表3是周保3個(gè)測(cè)量通道的測(cè)試結(jié)果。由于周保送保護(hù)系統(tǒng)的信號(hào)經(jīng)過數(shù)字量到模擬量,模擬量再還原數(shù)字量的多次轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換過程引入了較大誤差,甚至在周保輸入端加10 s周期信號(hào),保護(hù)系統(tǒng)都未能給出短周期事故信號(hào)。而采用二進(jìn)制數(shù)傳送的周期信號(hào),沒有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程引入的誤差,信號(hào)接收端——DCS的顯示值,與信號(hào)發(fā)送端——周保的測(cè)量值完全一致。周期信號(hào)的校準(zhǔn)采用修改保護(hù)系統(tǒng)軟件的方法校準(zhǔn)。采用線性修正方法修正非線性信號(hào)(刻度),只能針對(duì)事故信號(hào)觸發(fā)點(diǎn)進(jìn)行修正,

表3 周保輸出周期信號(hào)在保護(hù)系統(tǒng)和DCS系統(tǒng)的顯示值Table 3 Period signal disp lay on the p rotection system and DCS

保證反應(yīng)堆功率增長(zhǎng)周期在10 s時(shí),保護(hù)系統(tǒng)能觸發(fā)事故信號(hào)。這樣修正使得功率增長(zhǎng)周期除了10 s這個(gè)測(cè)量點(diǎn)外,主控制室計(jì)算機(jī)CRT上,來(lái)自保護(hù)系統(tǒng)和來(lái)自報(bào)警系統(tǒng)的同一個(gè)測(cè)量參數(shù)——周期信號(hào)有2個(gè)不同的顯示值。

核測(cè)周保輸出電流從15.81～16.21mA,都代表10 s周期,保護(hù)系統(tǒng)用4～20 mA輸入信號(hào)作為事故觸發(fā)判斷較線性刻度更精確,但作為運(yùn)行時(shí)功率增長(zhǎng)周期顯示則不穩(wěn)定。因?yàn)榉磻?yīng)堆提升功率的倍增周期通?？刂圃?0 s左右,12.68mA對(duì)應(yīng)59 s,12.67m A對(duì)應(yīng)60 s,0.01mA的變化對(duì)應(yīng)1 s,不考慮周保信號(hào)的波動(dòng),測(cè)量系統(tǒng)引入的干擾就會(huì)使保護(hù)系統(tǒng)的周期顯示數(shù)據(jù)跳動(dòng),影響運(yùn)行人員正確讀取數(shù)據(jù)。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過開展控制保護(hù)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)參數(shù)的校準(zhǔn)工作,提高了控制保護(hù)系統(tǒng)測(cè)量參數(shù)的可信度。準(zhǔn)確觸發(fā)預(yù)報(bào)警和事故信號(hào)是反應(yīng)堆運(yùn)行在安全限值之內(nèi)的保證。

[1] 石銘德.反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)說明書[R].清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院,2002.

[2] 李保祥.反應(yīng)堆核測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)說明書[R].清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院,2002.