徐 智 鮑 麒

超溫/超功率ΔT停堆響應(yīng)時(shí)間測(cè)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(bào)告(Preliminary Safety Analysis Report, PSAR)技術(shù)規(guī)格書一章對(duì)其響應(yīng)時(shí)間的測(cè)試有強(qiáng)制要求?；贗EEE388對(duì)保護(hù)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間測(cè)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(shí)間的推薦測(cè)試參數(shù)，并重點(diǎn)分析了保護(hù)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償對(duì)于響應(yīng)時(shí)間測(cè)試的影響。分析發(fā)現(xiàn)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償對(duì)于測(cè)量響應(yīng)時(shí)間有一定的影響，為得到可信的、保守的測(cè)量結(jié)果，在進(jìn)行超溫/超功率ΔT停堆保護(hù)響應(yīng)時(shí)間測(cè)試時(shí)，應(yīng)該保留動(dòng)態(tài)補(bǔ)償環(huán)節(jié)。

AP1000，超溫/超功率ΔT保護(hù)，響應(yīng)時(shí)間測(cè)試，動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，超前滯后

20世紀(jì)中葉，美國(guó)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(guó)核管會(huì)(U.S. Nuclear Regulatory Commission, NRC)在對(duì)該保護(hù)方案進(jìn)行充分評(píng)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(guò)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(gè)直接測(cè)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(shí)計(jì)算產(chǎn)生動(dòng)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(hào)由保護(hù)系統(tǒng)傳感器探測(cè)并經(jīng)過(guò)保護(hù)系統(tǒng)處理后，輸出緊急停堆信號(hào)至停堆斷路器，反應(yīng)性控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)失電后，反應(yīng)性控制棒在重力作用下，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后落入堆芯的底部。NRC標(biāo)準(zhǔn)評(píng)審大綱(NUREG-0800)規(guī)定要求保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間，并要求在保護(hù)系統(tǒng)性能確認(rèn)階段測(cè)試系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間[7]。IEEE388則給出實(shí)施保護(hù)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)[8]，與其相對(duì)應(yīng)的GB/T 5204提出保護(hù)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間測(cè)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(shí)間測(cè)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(shí)間的推薦測(cè)試參數(shù)，并重點(diǎn)分析保護(hù)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償對(duì)于響應(yīng)時(shí)間測(cè)試的影響。分析表明，動(dòng)態(tài)補(bǔ)償對(duì)于測(cè)量響應(yīng)時(shí)間有一定的影，為得到可信、保守的測(cè)量結(jié)果，在進(jìn)行超溫/超功率ΔT停堆保護(hù)響應(yīng)時(shí)間測(cè)試時(shí)，應(yīng)該保留動(dòng)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(duì)PWR堆芯進(jìn)行保護(hù)，防止堆芯熱點(diǎn)處線功率密度過(guò)高或偏離泡核沸騰。AP1000的停堆保護(hù)系統(tǒng)有4個(gè)冗余序列，每個(gè)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(hào)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(hào)；RCS熱段窄量程溫度信號(hào)；穩(wěn)壓器壓力信號(hào)；上部、下部功率量程中子注量率探測(cè)器的中子注量率差信號(hào)。當(dāng)綜合上述信號(hào)計(jì)算所得的堆芯熱功率信號(hào)超過(guò)動(dòng)態(tài)停堆整定值時(shí)，將產(chǎn)生超溫/超功率ΔT反應(yīng)堆局部緊急停堆信號(hào)。當(dāng)兩個(gè)序列或更多的序列產(chǎn)生局部緊急停堆信號(hào)時(shí)，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(guò)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(shí)，超溫/超功率ΔT保護(hù)亦能為初步安全分析報(bào)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(duì)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(dòng)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(cè)器與下部探測(cè)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(shí)，將自動(dòng)減小RT整定值。

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

AP1000保護(hù)系統(tǒng)通過(guò)對(duì)每個(gè)熱段傳感器探測(cè)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(shí)應(yīng)給每個(gè)局部熱段溫度值賦予不同的權(quán)重。4個(gè)冷段分別安裝兩個(gè)與熱段相同的窄量程傳感器，溫度信號(hào)與熱段溫度信號(hào)的計(jì)算方法基本相同。

為校正RTD、套管熱響應(yīng)時(shí)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(dòng)時(shí)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(hào)提供動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。超前/滯后算法將信號(hào)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(bào)告中的假定值一致。

超溫ΔT保護(hù)功率整定值通過(guò)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(guò)軸向功率分布f (ΔI)的調(diào)整，即作為實(shí)際的動(dòng)態(tài)整定值。其中的f (ΔI)為對(duì)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(duì)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(dòng)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(shí)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(jiàn)式(1)?(3)：冷段RTD響應(yīng)時(shí)間、套管熱響應(yīng)時(shí)間以及滯后濾波器的時(shí)間常數(shù)之和減去從冷段RTD到堆芯的流體流動(dòng)時(shí)間，或補(bǔ)償熱段RTD響應(yīng)時(shí)間、套管熱響應(yīng)時(shí)間以及滯后濾波器時(shí)間常數(shù)之和加上從堆芯到熱段RTD的流體流動(dòng)時(shí)間；qΔTi為i序列所監(jiān)測(cè)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(duì)壓力；h(T,P)為在給定溫度(T'Hi或T'Ci)和絕對(duì)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(shí)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(shí)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(hào)，但并不作為超溫/超功率ΔT保護(hù)的參數(shù)，即沒(méi)有與M310等機(jī)組保護(hù)那樣對(duì)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(shí)間

系統(tǒng)試驗(yàn)是為評(píng)價(jià)一個(gè)系統(tǒng)整體與規(guī)定要求之間的一致性，而對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行的試驗(yàn)。按計(jì)劃的時(shí)間間隔所進(jìn)行的定期試驗(yàn)可探測(cè)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)間的測(cè)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(shí)間分析和測(cè)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(cè)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(shí)間的定義，即“從通道敏感元件監(jiān)測(cè)的參數(shù)超過(guò)其緊急停堆整定值的那個(gè)時(shí)刻開(kāi)始，到夾持線圈失去電壓為止的時(shí)間間隔。響應(yīng)時(shí)間可以順序序列、交疊或整個(gè)通道分若干段的方式來(lái)進(jìn)行測(cè)量，以便測(cè)得總的響應(yīng)時(shí)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(shí)間可以作為被驗(yàn)證值以代替實(shí)際測(cè)量”。由于超溫/超功率ΔT保護(hù)是PWR核電廠唯一由多個(gè)測(cè)量參數(shù)共同決定、且存在特有的動(dòng)態(tài)整定值，因而該保護(hù)的時(shí)間響應(yīng)問(wèn)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(dòng)態(tài)變化值，即某一變量值是否成為停堆保護(hù)動(dòng)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(hào)的大時(shí)間滯后特性也必須給予高度關(guān)注。如何設(shè)定測(cè)量情景來(lái)測(cè)量其響應(yīng)時(shí)間未見(jiàn)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(cè)試參數(shù)設(shè)置值，并分析了其中動(dòng)態(tài)補(bǔ)償對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。

2.1 測(cè)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(shí)間測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)，即在測(cè)試某一變量時(shí)，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(duì)應(yīng)的模糊要求。國(guó)標(biāo)GB/T 5204的§6.3.4.7要求“如果保護(hù)脫扣功能由兩個(gè)或兩個(gè)以上變量觸發(fā)動(dòng)作（例如，脫扣點(diǎn)是由溫度、壓力和中子注量率信號(hào)計(jì)算的），通道的響應(yīng)時(shí)間應(yīng)用每個(gè)變量產(chǎn)生的脫扣動(dòng)作來(lái)檢驗(yàn)。在試驗(yàn)中，其余變量的試驗(yàn)信號(hào)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(shí)間測(cè)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(cè)量值并且在預(yù)期運(yùn)行范圍內(nèi)的測(cè)試變量作為測(cè)量環(huán)境，即保守的時(shí)間測(cè)量值源自測(cè)試變量/場(chǎng)景的精心選擇，而不是必然的結(jié)果。

2.2 測(cè)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(cè)試變量設(shè)定值見(jiàn)表1。

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

表1中，“*”代表目標(biāo)測(cè)試變量，其他數(shù)值為測(cè)試時(shí)其他相關(guān)信號(hào)的設(shè)定值。在實(shí)際測(cè)試中，還應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)數(shù)值作必要的調(diào)整。如在進(jìn)行熱段RTD信號(hào)的響應(yīng)時(shí)間測(cè)試時(shí)，*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(hào)，另一方面不能產(chǎn)生超溫ΔT保護(hù)信號(hào)，因此要比*0值小些。由于RCS壓力信號(hào)響應(yīng)時(shí)間及ΔI信號(hào)響應(yīng)時(shí)間的測(cè)量值遠(yuǎn)小于RTD響應(yīng)時(shí)間測(cè)量值，因此沒(méi)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(cè)試參數(shù)的設(shè)置應(yīng)能產(chǎn)生保守的測(cè)量值，并沒(méi)有要求能產(chǎn)生“最保守”的測(cè)量值，因此表1的數(shù)值只是一組可行的值。

3 動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)挠绊懛治?/h2>

無(wú)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(dòng)態(tài)補(bǔ)償技術(shù)，來(lái)補(bǔ)償堆芯冷卻劑到傳感器探測(cè)點(diǎn)的介質(zhì)流動(dòng)時(shí)間差、傳感器的熱滯后以及傳感器的信號(hào)響應(yīng)時(shí)間，并和安全分析報(bào)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(dòng)態(tài)補(bǔ)償比較靈活，可以對(duì)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(duì)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(cè)量，而不是二代核電廠常用的旁路測(cè)量方式。由于直接測(cè)量的RTD傳感器響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，文獻(xiàn)[3]對(duì)保護(hù)的動(dòng)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(duì)平均溫度及ΔT進(jìn)行補(bǔ)償。針對(duì)RTD測(cè)點(diǎn)位置對(duì)堆芯目標(biāo)點(diǎn)溫度的影響是相反的，即冷段信號(hào)超前而熱段信號(hào)滯后的特點(diǎn)，AP1000保護(hù)算法分別對(duì)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(jiǎn)化了溫度的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。AP1000保護(hù)信號(hào)時(shí)間流程示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 AP1000超溫/超功率ΔT保護(hù)時(shí)間相關(guān)信號(hào)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(dòng)時(shí)間（延遲）、直插式傳感器熱滯后、RTD本身的響應(yīng)時(shí)間，Hf、Hll分別為熱段信號(hào)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(dòng)時(shí)間（超前）、直插式傳感器熱滯后、RTD本身的響應(yīng)時(shí)間，Cf、Cll分別為冷段信號(hào)的滯后及超前滯后補(bǔ)償。虛線左邊部分的介質(zhì)流動(dòng)時(shí)間、傳感器熱滯后、RTD本身的響應(yīng)時(shí)間之和為總現(xiàn)場(chǎng)工藝時(shí)間常數(shù)。在進(jìn)行停堆響應(yīng)時(shí)間測(cè)試時(shí)通常采用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生模擬的已知信號(hào)，替代現(xiàn)場(chǎng)輸入信號(hào)至保護(hù)系統(tǒng)機(jī)柜，同時(shí)將該信號(hào)連接至信號(hào)分析儀。信號(hào)分析儀對(duì)保護(hù)系統(tǒng)機(jī)柜的輸出信號(hào)及信號(hào)發(fā)生器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行記錄和分析，得出響應(yīng)時(shí)間結(jié)果，即文獻(xiàn)[8]規(guī)定的那部分響應(yīng)時(shí)間。測(cè)試系統(tǒng)原理見(jiàn)圖3。

圖3 測(cè)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(shí)間測(cè)量時(shí)，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(shí)間動(dòng)態(tài)補(bǔ)償對(duì)測(cè)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(shí)間測(cè)試所涉及的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償為圖2的虛線右半部分。本文就所涉及的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償特性和對(duì)其影響進(jìn)行分析。

3.1 滯后補(bǔ)償動(dòng)態(tài)響應(yīng)

滯后補(bǔ)償常用于對(duì)信號(hào)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(shí)間常數(shù)的函數(shù)在單位階躍及脈沖激勵(lì)下響應(yīng)見(jiàn)圖4。

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

由圖4，小時(shí)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(lì)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(dòng)態(tài)響應(yīng)

圖5 相同時(shí)間常數(shù)比(a)和不同時(shí)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(shí)間滯后，也用于Cp、Cw、Cs以及Cf的時(shí)間滯后。其傳遞函數(shù)形為：(1+τ2s)/(1+τ3s)，不同時(shí)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(lì)下響應(yīng)見(jiàn)圖5(a)。圖5(b)為不同時(shí)間常數(shù)比的超前滯后補(bǔ)償在單位階躍及脈沖激勵(lì)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(lì)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(hào)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(shí)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(shí)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(shì)更類似于滯后環(huán)節(jié)。

3.3 AP1000超溫/超功率ΔT保護(hù)動(dòng)態(tài)響應(yīng)

根據(jù)文獻(xiàn)[1]、[6]及圖2，除了多變量及動(dòng)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(shí)間參數(shù)在事件分析沒(méi)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(guò)安全分析給其分配較長(zhǎng)的時(shí)間，保證了可用滯后補(bǔ)償進(jìn)行信號(hào)的有效濾波。以下就表1的測(cè)試工況進(jìn)行響應(yīng)時(shí)間分析。

3.3.1 熱段RTD信號(hào)觸發(fā)保護(hù)響應(yīng)時(shí)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(hào)觸發(fā)保護(hù)響應(yīng)時(shí)間測(cè)試時(shí)，當(dāng)冷段RTD溫度、壓力、軸向偏移值等預(yù)先給定時(shí)，實(shí)際上AP1000的超溫ΔT整定值亦為定值。式(3)表明，對(duì)于熱段RTD信號(hào)，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(hào)導(dǎo)致堆芯功率的計(jì)算值變大，有利于停堆信號(hào)產(chǎn)生，同時(shí)較小的冷段RTD信號(hào)值有利于產(chǎn)生保守的停堆信號(hào)。

根據(jù)文獻(xiàn)[2]，在進(jìn)行保護(hù)響應(yīng)時(shí)間測(cè)試時(shí)，應(yīng)將這些動(dòng)態(tài)補(bǔ)償單元屏蔽，即設(shè)為“1”。這樣的測(cè)試結(jié)果是否保守、可信，就完全取決于這些動(dòng)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(hào)觸發(fā)保護(hù)響應(yīng)時(shí)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(hào)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(hào)。而較大的冷段RTD信號(hào)對(duì)應(yīng)較小的堆芯功率整定值，這有利于與產(chǎn)生停堆信號(hào)。因此總的效應(yīng)難以直接判斷。反之亦然。同時(shí)較大的熱段RTD信號(hào)，可產(chǎn)生較大的、偏保守的計(jì)算功率信號(hào)。

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(hào)可較早觸發(fā)停堆信號(hào)。根據(jù)表1，本保護(hù)的驅(qū)動(dòng)源自于冷段RTD信號(hào)的“從小到大”，也印證該結(jié)論。與§3.3.1對(duì)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償單元的分析類似，測(cè)試結(jié)果是否保守、可信，取決于該信號(hào)達(dá)到觸發(fā)值的時(shí)刻，即這些動(dòng)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(shí)間分析

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

3.4 動(dòng)態(tài)補(bǔ)償對(duì)測(cè)量結(jié)果的響應(yīng)

無(wú)論是滯后、微分滯后還是超前滯后，都會(huì)影響輸入信號(hào)的值。這些值本身對(duì)于基于CPU技術(shù)的保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間沒(méi)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(gè)CPU的掃描周期。反之亦然。由于在做響應(yīng)時(shí)間分析時(shí)，已經(jīng)保守地考慮“剛好錯(cuò)過(guò)一次掃描周期”的情況，因此一般來(lái)說(shuō)是否屏蔽這些動(dòng)態(tài)補(bǔ)償環(huán)節(jié)，對(duì)分析結(jié)果影響較小。對(duì)較快響應(yīng)的保護(hù)信號(hào)來(lái)說(shuō)，實(shí)際的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償很小，因此這些動(dòng)態(tài)補(bǔ)償存在與否對(duì)于響應(yīng)時(shí)間測(cè)試結(jié)果的影響較小，甚至可以忽略。文獻(xiàn)[11]的實(shí)測(cè)結(jié)果也說(shuō)明了這點(diǎn)。

但對(duì)于像超溫/超功率ΔT保護(hù)這樣包含有較大動(dòng)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(shí)，存在從0增至單位1的瞬態(tài)過(guò)程。正是由于存在著額外的滯后補(bǔ)償，在進(jìn)行響應(yīng)時(shí)間測(cè)試時(shí)，如果保留原先的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償環(huán)節(jié)，只有輸入的模擬信號(hào)超過(guò)觸發(fā)值一段時(shí)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(cuò)過(guò)一次掃描周期”的概率。由于正常運(yùn)行工況時(shí)，這些補(bǔ)償環(huán)節(jié)均在線，因此在進(jìn)行響應(yīng)時(shí)間測(cè)量時(shí)，不應(yīng)該屏蔽這些動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，才能得到合理、可信、偏保守的測(cè)量值。

值得注意的是，由于兩級(jí)動(dòng)態(tài)滯后補(bǔ)償時(shí)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(chǎng)工藝時(shí)間常數(shù)，因此即使在響應(yīng)時(shí)間測(cè)量時(shí)屏蔽了所有的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，當(dāng)測(cè)量結(jié)果加上圖2中虛線左半部分響應(yīng)時(shí)間的給定值時(shí)，總的響應(yīng)時(shí)間仍是可信的。

4 結(jié)語(yǔ)

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(shí)間測(cè)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(shí)間測(cè)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(shí)間測(cè)試的推薦參數(shù)。通過(guò)保護(hù)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償對(duì)響應(yīng)時(shí)間測(cè)試影響的分析，發(fā)現(xiàn)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償對(duì)于快響應(yīng)、小補(bǔ)償保護(hù)的響應(yīng)時(shí)間測(cè)量影響較小，而對(duì)超溫/超功率ΔT保護(hù)這樣存在較大補(bǔ)償系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果會(huì)有一定影響。同時(shí)，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(shí)間測(cè)量時(shí)，不應(yīng)按常規(guī)要求屏蔽動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，這樣才能得到合理、可信、偏保守測(cè)量值。由于世界上首臺(tái)AP1000核電站尚未建成，未見(jiàn)最終的響應(yīng)時(shí)間測(cè)試方案，實(shí)際的補(bǔ)償參數(shù)無(wú)法得出。設(shè)計(jì)控制文件所要求的屏蔽動(dòng)態(tài)補(bǔ)償是否合理有待現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)。根據(jù)本文研究，保留動(dòng)態(tài)補(bǔ)償環(huán)節(jié)在線，再進(jìn)行測(cè)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(jí)工程師，現(xiàn)從事核電儀控設(shè)計(jì)

2014-11-19，

2015-01-14