徐 智 鮑 麒

超溫/超功率ΔT停堆響應(yīng)時間測試分析

徐 智1鮑 麒2

1（中廣核工程設(shè)計(jì)有限公司 上海 200241）2（咸寧核電有限公司 武漢 430205）

超溫/超功率ΔT保護(hù)是壓水堆電廠的重要保護(hù)功能，初步安全分析報告(Preliminary Safety Analysis Report, PSAR)技術(shù)規(guī)格書一章對其響應(yīng)時間的測試有強(qiáng)制要求?；贗EEE388對保護(hù)系統(tǒng)響應(yīng)時間測試的要求，根據(jù)超溫/超功率ΔT保護(hù)的算法及標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)方案，提出了AP1000超溫/超功率ΔT保護(hù)響應(yīng)時間的推薦測試參數(shù)，并重點(diǎn)分析了保護(hù)系統(tǒng)動態(tài)補(bǔ)償對于響應(yīng)時間測試的影響。分析發(fā)現(xiàn)動態(tài)補(bǔ)償對于測量響應(yīng)時間有一定的影響，為得到可信的、保守的測量結(jié)果，在進(jìn)行超溫/超功率ΔT停堆保護(hù)響應(yīng)時間測試時，應(yīng)該保留動態(tài)補(bǔ)償環(huán)節(jié)。

AP1000，超溫/超功率ΔT保護(hù)，響應(yīng)時間測試，動態(tài)補(bǔ)償，超前滯后

20世紀(jì)中葉，美國西屋公司將超溫/超功率ΔT保護(hù)引入壓水堆核電廠設(shè)計(jì)，美國核管會(U.S. Nuclear Regulatory Commission, NRC)在對該保護(hù)方案進(jìn)行充分評估后發(fā)布批準(zhǔn)文件，隨后超溫/超功率ΔT保護(hù)方法在壓水堆(Pressurized Water Reactor, PWR)核電廠中得到普遍應(yīng)用[1]。正在NRC進(jìn)行認(rèn)證的日本三菱重工的APWR以及已通過認(rèn)證的AP1000等三代核電廠亦都采用了這種保護(hù)[2?3]。超溫ΔT保護(hù)用于防止在系統(tǒng)壓力、功率、冷卻劑溫度和軸向功率分布的組合條件下出現(xiàn)偏離泡核沸騰(Departure from Nucleate Boiling, DNB)，進(jìn)而防止燃料包殼燒毀；超功率ΔT停堆用于保護(hù)反應(yīng)堆堆芯免于發(fā)生超功率，防止燃料芯塊熔化引起包殼損毀[4]。PWR核電廠的保護(hù)有多種，但由多個直接測量參數(shù)，如冷卻劑溫度、壓力、軸向功率偏差以及主泵轉(zhuǎn)速等，實(shí)時計(jì)算產(chǎn)生動態(tài)保護(hù)定值只有超溫/超功率ΔT保護(hù)[5]。AP1000的保護(hù)系統(tǒng)采用了先進(jìn)的基于數(shù)字技術(shù)的超溫/超功率ΔT保護(hù)[6]，當(dāng)反應(yīng)堆達(dá)到緊急停堆工況后，相關(guān)信號由保護(hù)系統(tǒng)傳感器探測并經(jīng)過保護(hù)系統(tǒng)處理后，輸出緊急停堆信號至停堆斷路器，反應(yīng)性控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)失電后，反應(yīng)性控制棒在重力作用下，經(jīng)過一段時間后落入堆芯的底部。NRC標(biāo)準(zhǔn)評審大綱(NUREG-0800)規(guī)定要求保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時必須考慮系統(tǒng)的響應(yīng)時間，并要求在保護(hù)系統(tǒng)性能確認(rèn)階段測試系統(tǒng)的響應(yīng)時間[7]。IEEE388則給出實(shí)施保護(hù)系統(tǒng)響應(yīng)時間測試的標(biāo)準(zhǔn)[8]，與其相對應(yīng)的GB/T 5204提出保護(hù)系統(tǒng)響應(yīng)時間測試的推薦性標(biāo)準(zhǔn)[9]。

本文基于IEEE388中保護(hù)系統(tǒng)響應(yīng)時間測試的要求，根據(jù)超溫/超功率ΔT保護(hù)的算法，給出AP1000超溫/超功率ΔT保護(hù)響應(yīng)時間的推薦測試參數(shù)，并重點(diǎn)分析保護(hù)系統(tǒng)動態(tài)補(bǔ)償對于響應(yīng)時間測試的影響。分析表明，動態(tài)補(bǔ)償對于測量響應(yīng)時間有一定的影，為得到可信、保守的測量結(jié)果，在進(jìn)行超溫/超功率ΔT停堆保護(hù)響應(yīng)時間測試時，應(yīng)該保留動態(tài)補(bǔ)償環(huán)節(jié)。

1 AP1000超溫/超功率ΔT保護(hù)的功能算法

超溫/超功率ΔT保護(hù)能對PWR堆芯進(jìn)行保護(hù)，防止堆芯熱點(diǎn)處線功率密度過高或偏離泡核沸騰。AP1000的停堆保護(hù)系統(tǒng)有4個冗余序列，每個序列直接用于超溫ΔT和超功率ΔT反應(yīng)堆緊急停堆(Reactor Trip, RT)的信號有4類：反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)(Reactor Coolant System, RCS)冷段窄量程溫度信號；RCS熱段窄量程溫度信號；穩(wěn)壓器壓力信號；上部、下部功率量程中子注量率探測器的中子注量率差信號。當(dāng)綜合上述信號計(jì)算所得的堆芯熱功率信號超過動態(tài)停堆整定值時，將產(chǎn)生超溫/超功率ΔT反應(yīng)堆局部緊急停堆信號。當(dāng)兩個序列或更多的序列產(chǎn)生局部緊急停堆信號時，反應(yīng)堆緊急停堆，從而防止堆芯在不同壓力、功率、冷卻劑溫度、軸向功率分布的組合狀態(tài)下發(fā)生DNB或燃料芯塊局部功率過高。

盡管由于堆芯到安裝在RCS管道的熱電阻溫度傳感器(Thermal resistance temperature detector, RTD)的管路瞬態(tài)延遲造成溫度變量變化緩慢，穩(wěn)壓器壓力處于高壓停堆和低壓停堆之間，并且徑向功率分布好于設(shè)計(jì)要求時，超溫/超功率ΔT保護(hù)亦能為初步安全分析報告(Preliminary Safety Analysis Report, PSAR)的任何瞬態(tài)事件提供保護(hù)。

基于冷段和熱段中冷卻劑的熱工水力學(xué)特性、系統(tǒng)壓力、對堆芯到熱段溫度傳感器以及冷段溫度傳感器到反應(yīng)堆堆芯的管路流體瞬態(tài)延遲的動態(tài)補(bǔ)償?shù)?，AP1000的超溫/超功率ΔT保護(hù)計(jì)算出ΔT堆芯功率。在正常的功率分布情況下，超溫ΔT整定值不高于堆芯熱工設(shè)計(jì)限值。另外，當(dāng)由功率量程上部探測器與下部探測器的中子注量率之差表征的軸向功率分布比設(shè)計(jì)值更不利于DNB時，將自動減小RT整定值。

熱段主管道同一截面上設(shè)有3個均勻分布、直插于熱段套管內(nèi)的窄量程溫度傳感器。每個RTD和套管的響應(yīng)時間不應(yīng)大于安全分析中的假設(shè)值。當(dāng)實(shí)際測得的RTD和套管的響應(yīng)時間小于設(shè)計(jì)值時，應(yīng)加上額外的濾波器來濾除來自工藝過程和電氣噪音。在進(jìn)行響應(yīng)時間測試時，應(yīng)考慮包含這些濾波器的延遲[1]。

AP1000保護(hù)系統(tǒng)通過對每個熱段傳感器探測的局部溫度值進(jìn)行修正，能夠得到熱段溫度混合平均值的最佳估計(jì)。這些局部溫度值具有各自不同的電氣噪音和流體特性，因此在進(jìn)行平均溫度計(jì)算時應(yīng)給每個局部熱段溫度值賦予不同的權(quán)重。4個冷段分別安裝兩個與熱段相同的窄量程傳感器，溫度信號與熱段溫度信號的計(jì)算方法基本相同。

為校正RTD、套管熱響應(yīng)時間常數(shù)以及冷卻劑從堆芯到RTD（或從RTD到堆芯）的流體流動時間，AP1000的保護(hù)系統(tǒng)為超溫ΔT和超功率ΔT反應(yīng)堆緊急停堆的T'Ci（冷段平均溫度）和T'Hi（熱段平均溫度）信號提供動態(tài)補(bǔ)償。超前/滯后算法將信號進(jìn)行超前或滯后補(bǔ)償，使其能反映反應(yīng)堆堆芯狀況，并和安全分析報告中的假定值一致。

超溫ΔT保護(hù)功率整定值通過一組給定的熱工限值線性插值確定，而超功率ΔT保護(hù)功率整定值是人工輸入的定值。上述的整定值再經(jīng)過軸向功率分布f (ΔI)的調(diào)整，即作為實(shí)際的動態(tài)整定值。其中的f (ΔI)為對不利軸向功率分布的懲罰項(xiàng)。AP1000保護(hù)系統(tǒng)根據(jù)用戶規(guī)定的幾對數(shù)值構(gòu)成的輸入表進(jìn)行線性插值，確定軸向中子注量率懲罰項(xiàng)f (ΔI)，如圖1所示。

式中，T'Ci、T'Hi為經(jīng)動態(tài)補(bǔ)償?shù)睦涠魏蜔岫蜶TD加權(quán)平均溫度；TCi、THi為冷段和熱段RTD加權(quán)平均溫度；τi(i=1?6)為超前/滯后時間常數(shù)，用于補(bǔ)償用于堆芯功率和停堆整定值計(jì)算見式(1)?(3)：冷段RTD響應(yīng)時間、套管熱響應(yīng)時間以及滯后濾波器的時間常數(shù)之和減去從冷段RTD到堆芯的流體流動時間，或補(bǔ)償熱段RTD響應(yīng)時間、套管熱響應(yīng)時間以及滯后濾波器時間常數(shù)之和加上從堆芯到熱段RTD的流體流動時間；qΔTi為i序列所監(jiān)測回路的、以額定熱功率的百分?jǐn)?shù)表示的功率；ρ(T 'Ci, P)為水密度；P為穩(wěn)壓器絕對壓力；h(T,P)為在給定溫度(T'Hi或T'Ci)和絕對壓力P條件下水的焓值；ΔTi°為i序列的轉(zhuǎn)換因子，它使得正常額定熱功率時qΔTi的值為100%；C用于補(bǔ)償RTD校正中的微小偏差，使得零功率時的qΔTi值為零。

圖1 軸向中子注量率懲罰函數(shù)示意圖Fig.1 Axial flux penalty function diagram.

值得注意的是AP1000保護(hù)系統(tǒng)雖有主泵轉(zhuǎn)速信號，但并不作為超溫/超功率ΔT保護(hù)的參數(shù)，即沒有與M310等機(jī)組保護(hù)那樣對主泵轉(zhuǎn)速進(jìn)行補(bǔ)償[2,6]。

2 AP1000超溫/超功率ΔT保護(hù)響應(yīng)時間

系統(tǒng)試驗(yàn)是為評價一個系統(tǒng)整體與規(guī)定要求之間的一致性，而對該系統(tǒng)進(jìn)行的試驗(yàn)。按計(jì)劃的時間間隔所進(jìn)行的定期試驗(yàn)可探測系統(tǒng)故障和檢查系統(tǒng)可運(yùn)行性，是重要的系統(tǒng)試驗(yàn)之一。HAF102規(guī)定保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)具有可試驗(yàn)性（必要時包括自檢能力），并具有與其所執(zhí)行功能相適應(yīng)的高度可靠性和定期可試驗(yàn)性。HAD102/10規(guī)定保護(hù)系統(tǒng)的試驗(yàn)特性必須確保系統(tǒng)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)性能要求能定期得到驗(yàn)證。響應(yīng)時間就是其中重要的性能要求之一。文獻(xiàn)[10]進(jìn)行了核電站數(shù)字化反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)停堆響應(yīng)時間分析，文獻(xiàn)[11]進(jìn)一步研究了核電站數(shù)字化反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)停堆響應(yīng)時間的測試方法。但上述的研究均基于特定方案，所涉及的方法不能直接應(yīng)用于AP1000的保護(hù)系統(tǒng)停堆響應(yīng)時間分析和測試。主要原因在于以下的差別：保護(hù)功能的不同，如增加了主泵軸承水溫度停堆功能；參數(shù)類型的不同，如采用了脈沖/轉(zhuǎn)速傳感器測量主泵轉(zhuǎn)速；實(shí)現(xiàn)的方案不同，如超溫/超功率ΔT保護(hù)采用基于數(shù)字技術(shù)的方案。

文獻(xiàn)[8]給出了保護(hù)系統(tǒng)停堆響應(yīng)時間的定義，即“從通道敏感元件監(jiān)測的參數(shù)超過其緊急停堆整定值的那個時刻開始，到夾持線圈失去電壓為止的時間間隔。響應(yīng)時間可以順序序列、交疊或整個通道分若干段的方式來進(jìn)行測量，以便測得總的響應(yīng)時間。如果所驗(yàn)證的部件和方法事先已得到核安全當(dāng)局認(rèn)可，所選部件的響應(yīng)時間可以作為被驗(yàn)證值以代替實(shí)際測量”。由于超溫/超功率ΔT保護(hù)是PWR核電廠唯一由多個測量參數(shù)共同決定、且存在特有的動態(tài)整定值，因而該保護(hù)的時間響應(yīng)問題成為本文的關(guān)注重點(diǎn)。該保護(hù)的整定值是依賴于其它相關(guān)變量的動態(tài)變化值，即某一變量值是否成為停堆保護(hù)動作的觸發(fā)值還取決于其它變量的狀態(tài)值，此外堆芯溫度信號的大時間滯后特性也必須給予高度關(guān)注。如何設(shè)定測量情景來測量其響應(yīng)時間未見有文獻(xiàn)。本文基于有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)、AP1000標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)以及保護(hù)系統(tǒng)相關(guān)的實(shí)現(xiàn)方案，提出一組測試參數(shù)設(shè)置值，并分析了其中動態(tài)補(bǔ)償對測試結(jié)果的影響。

2.1 測量參數(shù)設(shè)置依據(jù)

文獻(xiàn)[8]給出實(shí)施超溫/超功率ΔT保護(hù)系統(tǒng)響應(yīng)時間測試的標(biāo)準(zhǔn)，即在測試某一變量時，應(yīng)將其他相關(guān)變量設(shè)置為預(yù)期運(yùn)行范圍內(nèi)的、可產(chǎn)生保守結(jié)果的值。這一要求不同于文獻(xiàn)[9]中相對應(yīng)的模糊要求。國標(biāo)GB/T 5204的§6.3.4.7要求“如果保護(hù)脫扣功能由兩個或兩個以上變量觸發(fā)動作（例如，脫扣點(diǎn)是由溫度、壓力和中子注量率信號計(jì)算的），通道的響應(yīng)時間應(yīng)用每個變量產(chǎn)生的脫扣動作來檢驗(yàn)。在試驗(yàn)中，其余變量的試驗(yàn)信號應(yīng)設(shè)置在它們的預(yù)期運(yùn)行范圍內(nèi)，這樣試驗(yàn)將產(chǎn)生保守的試驗(yàn)結(jié)果”。為能夠得到保守的響應(yīng)時間測量值，本文認(rèn)為應(yīng)該遵從IEEE388的要求，精心選擇能夠得到保守測量值并且在預(yù)期運(yùn)行范圍內(nèi)的測試變量作為測量環(huán)境，即保守的時間測量值源自測試變量/場景的精心選擇，而不是必然的結(jié)果。

2.2 測量參數(shù)設(shè)置

根據(jù)AP1000的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)工況[12]及文獻(xiàn)[6]，超溫/超功率ΔT建議的測試變量設(shè)定值見表1。

表1 測量參數(shù)組設(shè)置Table 1 Testing parameters set.

表1中，“*”代表目標(biāo)測試變量，其他數(shù)值為測試時其他相關(guān)信號的設(shè)定值。在實(shí)際測試中，還應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，對數(shù)值作必要的調(diào)整。如在進(jìn)行熱段RTD信號的響應(yīng)時間測試時，*1值應(yīng)根據(jù)超功率ΔT保護(hù)的有效范圍，一方面要能夠產(chǎn)生保護(hù)信號，另一方面不能產(chǎn)生超溫ΔT保護(hù)信號，因此要比*0值小些。由于RCS壓力信號響應(yīng)時間及ΔI信號響應(yīng)時間的測量值遠(yuǎn)小于RTD響應(yīng)時間測量值，因此沒有區(qū)分最終的觸發(fā)是源自超溫ΔT保護(hù)還是超功率ΔT保護(hù)。

應(yīng)當(dāng)注意的是，IEEE388要求測試參數(shù)的設(shè)置應(yīng)能產(chǎn)生保守的測量值，并沒有要求能產(chǎn)生“最保守”的測量值，因此表1的數(shù)值只是一組可行的值。

3 動態(tài)補(bǔ)償?shù)挠绊懛治?/h2>

無論基于M310或其改進(jìn)型的二代加核電廠[13]，還是三代AP1000、APWR核電廠[3]的超溫/超功率ΔT均采用了動態(tài)補(bǔ)償技術(shù)，來補(bǔ)償堆芯冷卻劑到傳感器探測點(diǎn)的介質(zhì)流動時間差、傳感器的熱滯后以及傳感器的信號響應(yīng)時間，并和安全分析報告中的假定值一致。AP1000采用基于數(shù)字技術(shù)的超溫/超功率ΔT保護(hù)，其動態(tài)補(bǔ)償比較靈活，可以對熱段、冷段溫度分別進(jìn)行補(bǔ)償[6]，而基于模擬技術(shù)的超溫/超功率ΔT保護(hù)只能對平均溫度總體進(jìn)行補(bǔ)償。APWR和AP1000一樣，也采用了RCS溫度直接插入式測量，而不是二代核電廠常用的旁路測量方式。由于直接測量的RTD傳感器響應(yīng)時間較長，文獻(xiàn)[3]對保護(hù)的動態(tài)補(bǔ)償也作了諸如去除滯后補(bǔ)償?shù)拇胧┑?，但由于模擬式的保護(hù)是基于RCS平均溫度補(bǔ)償，因此只能對平均溫度及ΔT進(jìn)行補(bǔ)償。針對RTD測點(diǎn)位置對堆芯目標(biāo)點(diǎn)溫度的影響是相反的，即冷段信號超前而熱段信號滯后的特點(diǎn)，AP1000保護(hù)算法分別對其進(jìn)行補(bǔ)償。這樣的補(bǔ)償方案不但物理意義明確，而且簡化了溫度的動態(tài)補(bǔ)償。AP1000保護(hù)信號時間流程示意圖見圖2。

圖2 AP1000超溫/超功率ΔT保護(hù)時間相關(guān)信號示意圖Fig.2 AP1000 OT/OP ΔT timing related signal flow.

圖2中，Hp、Hw、Hs分別為堆芯到熱段傳感器的介質(zhì)流動時間（延遲）、直插式傳感器熱滯后、RTD本身的響應(yīng)時間，Hf、Hll分別為熱段信號的滯后及超前滯后補(bǔ)償；Cp、Cw、Cs分別為冷段傳感器到堆芯的介質(zhì)流動時間（超前）、直插式傳感器熱滯后、RTD本身的響應(yīng)時間，Cf、Cll分別為冷段信號的滯后及超前滯后補(bǔ)償。虛線左邊部分的介質(zhì)流動時間、傳感器熱滯后、RTD本身的響應(yīng)時間之和為總現(xiàn)場工藝時間常數(shù)。在進(jìn)行停堆響應(yīng)時間測試時通常采用信號發(fā)生器產(chǎn)生模擬的已知信號，替代現(xiàn)場輸入信號至保護(hù)系統(tǒng)機(jī)柜，同時將該信號連接至信號分析儀。信號分析儀對保護(hù)系統(tǒng)機(jī)柜的輸出信號及信號發(fā)生器的驅(qū)動信號進(jìn)行記錄和分析，得出響應(yīng)時間結(jié)果，即文獻(xiàn)[8]規(guī)定的那部分響應(yīng)時間。測試系統(tǒng)原理見圖3。

圖3 測試系統(tǒng)原理圖Fig.3 Testing system diagram.

根據(jù)文獻(xiàn)[2]，除了PSAR專門規(guī)定外，在進(jìn)行響應(yīng)時間測量時，應(yīng)將滯后(lag)、超前/滯后(lead/lag)、微分/滯后(rate/lag)去除，即將這些環(huán)節(jié)設(shè)為單位“1”。文獻(xiàn)[10]、[11]均未提及進(jìn)行這樣的設(shè)置，亦未提及這些響應(yīng)時間動態(tài)補(bǔ)償對測量結(jié)果的影響。根據(jù)圖2、圖3，AP1000的超溫/超功率ΔT保護(hù)響應(yīng)時間測試所涉及的動態(tài)補(bǔ)償為圖2的虛線右半部分。本文就所涉及的動態(tài)補(bǔ)償特性和對其影響進(jìn)行分析。

3.1 滯后補(bǔ)償動態(tài)響應(yīng)

滯后補(bǔ)償常用于對信號的濾波，減少電氣和工藝噪聲的干擾，防止瞬態(tài)干擾引發(fā)停堆。其傳遞函數(shù)形為：1/(1+τ1)，不同時間常數(shù)的函數(shù)在單位階躍及脈沖激勵下響應(yīng)見圖4。

圖4 滯后補(bǔ)償在單位階躍及脈沖激勵下響應(yīng)Fig.4 Response of lag functions with the unit step and impulse stimulations.

由圖4，小時間常數(shù)的滯后環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)快，但其在脈沖激勵下的響應(yīng)也較大，即抗干擾能力低。

3.2 超前滯后補(bǔ)償動態(tài)響應(yīng)

圖5 相同時間常數(shù)比(a)和不同時間常數(shù)比(b)的超前滯后補(bǔ)償?shù)捻憫?yīng)Fig.5 Response of lead-lag functions with same constant ratio (a) and different constant ratio(b).

超前滯后用于補(bǔ)償圖2中Hp、Hw、Hs以及Hf的時間滯后，也用于Cp、Cw、Cs以及Cf的時間滯后。其傳遞函數(shù)形為：(1+τ2s)/(1+τ3s)，不同時間常數(shù)的超前滯后補(bǔ)償（相同的τ2/τ3）在單位階躍及脈沖激勵下響應(yīng)見圖5(a)。圖5(b)為不同時間常數(shù)比的超前滯后補(bǔ)償在單位階躍及脈沖激勵下響應(yīng)。圖6為2階超前滯后補(bǔ)償在單位階躍及脈沖激勵下響應(yīng)，其傳遞函數(shù)形為：(1+τ2s)/[(1+τ3s)(1+τ4s)]。該補(bǔ)償可看成超前滯后補(bǔ)償(1+τ2s)/(1+τ3s)與滯后補(bǔ)償1/(1+τ4s)的組合，其中的滯后環(huán)節(jié)提供了額外的信號濾波功能。

圖6 2階超前滯后補(bǔ)償?shù)捻憫?yīng)Fig.6 Response of 2nd lead-lag functions.

可以看出大的超前時間常數(shù)響應(yīng)更快，但抗干擾能力隨之下降，而大的滯后時間常數(shù)響應(yīng)更慢，但抗干擾能力隨之增強(qiáng)。2階超前滯后環(huán)節(jié)的響應(yīng)在初始段變化趨勢更類似于滯后環(huán)節(jié)。

3.3 AP1000超溫/超功率ΔT保護(hù)動態(tài)響應(yīng)

根據(jù)文獻(xiàn)[1]、[6]及圖2，除了多變量及動態(tài)整定值外，AP1000超溫/超功率ΔT保護(hù)的特殊之處在于其RTD的響應(yīng)滯后較大。安全分析假定的值為4 s。由于超前/滯后的時間參數(shù)在事件分析沒有固定的“保守方向”，因此這些常數(shù)應(yīng)該和安全分析中的值一致。滯后補(bǔ)償常用于電氣噪聲及工藝噪聲的濾波，在AP1000設(shè)計(jì)中通過安全分析給其分配較長的時間，保證了可用滯后補(bǔ)償進(jìn)行信號的有效濾波。以下就表1的測試工況進(jìn)行響應(yīng)時間分析。

3.3.1 熱段RTD信號觸發(fā)保護(hù)響應(yīng)時間分析

文獻(xiàn)[6]表明，在不考慮軸向偏移情況下，AP1000的超功率ΔT整定值為人工輸入的固定值，而超溫ΔT保護(hù)整定值由壓力、冷段溫度插值計(jì)算決定的值。超溫ΔT保護(hù)整定值由插值所得出的一條隨冷段溫度的單調(diào)減函數(shù)決定[6]。因此在進(jìn)行熱段RTD信號觸發(fā)保護(hù)響應(yīng)時間測試時，當(dāng)冷段RTD溫度、壓力、軸向偏移值等預(yù)先給定時，實(shí)際上AP1000的超溫ΔT整定值亦為定值。式(3)表明，對于熱段RTD信號，計(jì)算堆芯功率具有單調(diào)遞增特性，即較大的熱段RTD信號導(dǎo)致堆芯功率的計(jì)算值變大，有利于停堆信號產(chǎn)生，同時較小的冷段RTD信號值有利于產(chǎn)生保守的停堆信號。

根據(jù)文獻(xiàn)[2]，在進(jìn)行保護(hù)響應(yīng)時間測試時，應(yīng)將這些動態(tài)補(bǔ)償單元屏蔽，即設(shè)為“1”。這樣的測試結(jié)果是否保守、可信，就完全取決于這些動態(tài)補(bǔ)償單元的總效應(yīng)是超前還是滯后。

3.3.2 冷段RTD信號觸發(fā)保護(hù)響應(yīng)時間分析

超功率ΔT保護(hù)的分析和§3.3.1的分析一致。

式(3)表明，較大的冷段RTD信號導(dǎo)致堆芯功率的計(jì)算值變小，這不利于產(chǎn)生停堆信號。而較大的冷段RTD信號對應(yīng)較小的堆芯功率整定值，這有利于與產(chǎn)生停堆信號。因此總的效應(yīng)難以直接判斷。反之亦然。同時較大的熱段RTD信號，可產(chǎn)生較大的、偏保守的計(jì)算功率信號。

根據(jù)DNB熱工限值（插值）曲線的單調(diào)減特性[6]，以及兩單調(diào)減函數(shù)相交的性質(zhì)，可知較大的冷段RTD信號可較早觸發(fā)停堆信號。根據(jù)表1，本保護(hù)的驅(qū)動源自于冷段RTD信號的“從小到大”，也印證該結(jié)論。與§3.3.1對動態(tài)補(bǔ)償單元的分析類似，測試結(jié)果是否保守、可信，取決于該信號達(dá)到觸發(fā)值的時刻，即這些動態(tài)補(bǔ)償單元的總效應(yīng)是超前還是滯后。

3.3.3 軸向偏移、壓力觸發(fā)保護(hù)響應(yīng)時間分析

由于軸向偏移、壓力觸發(fā)信號的滯后時間遠(yuǎn)小于RTD的滯后時間。其動態(tài)補(bǔ)償影響較小，不單獨(dú)討論。

3.4 動態(tài)補(bǔ)償對測量結(jié)果的響應(yīng)

無論是滯后、微分滯后還是超前滯后，都會影響輸入信號的值。這些值本身對于基于CPU技術(shù)的保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行時間沒有直接的影響，但這些變化了的值可能在某一掃描周期內(nèi)影響與整定值的比較結(jié)果。如果提前達(dá)到整定值，則可以減少一個CPU的掃描周期。反之亦然。由于在做響應(yīng)時間分析時，已經(jīng)保守地考慮“剛好錯過一次掃描周期”的情況，因此一般來說是否屏蔽這些動態(tài)補(bǔ)償環(huán)節(jié)，對分析結(jié)果影響較小。對較快響應(yīng)的保護(hù)信號來說，實(shí)際的動態(tài)補(bǔ)償很小，因此這些動態(tài)補(bǔ)償存在與否對于響應(yīng)時間測試結(jié)果的影響較小，甚至可以忽略。文獻(xiàn)[11]的實(shí)測結(jié)果也說明了這點(diǎn)。

但對于像超溫/超功率ΔT保護(hù)這樣包含有較大動態(tài)補(bǔ)償?shù)那闆r，應(yīng)該考慮其影響。超前補(bǔ)償?shù)淖饔迷谟谘a(bǔ)償圖2中虛線左邊各部分的滯后以及濾波器的滯后。文獻(xiàn)[1]、[6]表明，AP1000保護(hù)系統(tǒng)采用了超前滯后/補(bǔ)償加滯后補(bǔ)償算法。這樣的系統(tǒng)在階躍輸入時，存在從0增至單位1的瞬態(tài)過程。正是由于存在著額外的滯后補(bǔ)償，在進(jìn)行響應(yīng)時間測試時，如果保留原先的動態(tài)補(bǔ)償環(huán)節(jié)，只有輸入的模擬信號超過觸發(fā)值一段時間后，超溫/超功率ΔT算法的輸入值才能達(dá)到觸發(fā)值，這樣增加了“剛好錯過一次掃描周期”的概率。由于正常運(yùn)行工況時，這些補(bǔ)償環(huán)節(jié)均在線，因此在進(jìn)行響應(yīng)時間測量時，不應(yīng)該屏蔽這些動態(tài)補(bǔ)償，才能得到合理、可信、偏保守的測量值。

值得注意的是，由于兩級動態(tài)滯后補(bǔ)償時間常數(shù)的設(shè)定取決于PSAR的要求以及實(shí)際總的現(xiàn)場工藝時間常數(shù)，因此即使在響應(yīng)時間測量時屏蔽了所有的動態(tài)補(bǔ)償，當(dāng)測量結(jié)果加上圖2中虛線左半部分響應(yīng)時間的給定值時，總的響應(yīng)時間仍是可信的。

4 結(jié)語

超溫/超功率ΔT保護(hù)是壓水堆電廠的重要保護(hù)功能，其響應(yīng)時間測試結(jié)果是一項(xiàng)重要的性能指標(biāo)。本文基于IEEE388中保護(hù)系統(tǒng)響應(yīng)時間測試的要求，根據(jù)超溫/超功率ΔT保護(hù)算法和熱工水力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，給出AP1000超溫/超功率ΔT保護(hù)響應(yīng)時間測試的推薦參數(shù)。通過保護(hù)系統(tǒng)動態(tài)補(bǔ)償對響應(yīng)時間測試影響的分析，發(fā)現(xiàn)動態(tài)補(bǔ)償對于快響應(yīng)、小補(bǔ)償保護(hù)的響應(yīng)時間測量影響較小，而對超溫/超功率ΔT保護(hù)這樣存在較大補(bǔ)償系統(tǒng)的測量結(jié)果會有一定影響。同時，由于保護(hù)方案采用了2階的超前滯后補(bǔ)償環(huán)節(jié)，根據(jù)2階超前滯后補(bǔ)償?shù)奶匦?，在進(jìn)行響應(yīng)時間測量時，不應(yīng)按常規(guī)要求屏蔽動態(tài)補(bǔ)償，這樣才能得到合理、可信、偏保守測量值。由于世界上首臺AP1000核電站尚未建成，未見最終的響應(yīng)時間測試方案，實(shí)際的補(bǔ)償參數(shù)無法得出。設(shè)計(jì)控制文件所要求的屏蔽動態(tài)補(bǔ)償是否合理有待現(xiàn)場檢驗(yàn)。根據(jù)本文研究，保留動態(tài)補(bǔ)償環(huán)節(jié)在線，再進(jìn)行測試所得的結(jié)果應(yīng)是高度可信的。

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CLC TL362.1

Analysis on the response time testing of OT/OPΔT protection for PWR

XU Zhi1BAO Qi2
1(China Nuclear Power Engineering Co., Ltd., Shanghai 200241, China) 2(Xianning Nuclear Power Plant Co., Ltd., Wuhan 430205, China)

Background: The over temperature/over power ΔT (OT/OP ΔT) is a key protection to Pressurized WaterReactor (PWR) and the response time testing of the protection is required in technical specifications of PreliminarySafety Analysis Report (PSAR). Purpose: To have credible response time testing of the protection, including theeffects of dynamic compensation unit, analysis was conducted on the requirements of the rules and the application ofthe design. Methods: Firstly, the application of the protection algorithm is analyzed. Then the requirements ofIEEE388 and the dynamic response of the typical dynamic compensation units upon step and impulse stimulations arestudied. Results: Base on the analysis, corresponding to the nominal thermohydraulics and the instrumentation andcontrol design, a recommend testing parameter configuration set for AP1000 OT/OP ΔT protection response timetesting is developed. The non-negligible effect of dynamic compensation units is concluded as well. Conclusion: As a

AP1000, OT/OP ΔT protection, Response time testing, Dynamic compensation, Lead-lag

TL362.1

10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.040606

徐智，男，1973年出生，2001年于上海交通大學(xué)獲工學(xué)博士學(xué)位，高級工程師，現(xiàn)從事核電儀控設(shè)計(jì)

2014-11-19，

2015-01-14