(中核核電運行管理有限公司維修一處，浙江 海鹽 314300)

反應(yīng)堆功率調(diào)節(jié)就是使反應(yīng)堆堆芯產(chǎn)生的熱功率適應(yīng)于在蒸汽發(fā)生器中所吸收的功率，并使這兩種功率能夠達到動態(tài)平衡，使反應(yīng)堆處于某一功率水平，進而使二回路電功率與一回路核功率達到匹配，實現(xiàn)“堆跟機”功率控制。秦山一期30萬kW機組通過采用折中的兼顧一、二回路的介于次高選平均溫度恒定和汽機壓力恒定的控制方案。通過次高選平均溫度與參考平均溫度(汽機沖動室第一級壓力轉(zhuǎn)換而來)的偏差，按照既定的邏輯功能發(fā)出升降棒及棒速大小的信號，使棒控系統(tǒng)參與反應(yīng)堆的控制；通過軸向功率偏差報警系統(tǒng)發(fā)出硼化與稀釋的指令來補償慢反應(yīng)性的變化[1]。因此，反應(yīng)堆功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)性能的優(yōu)劣直接影響功率控制品質(zhì)。秦山一期118大修反應(yīng)堆功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)改造，在現(xiàn)場調(diào)試過程中，遇到各種各樣的問題，本文從現(xiàn)場調(diào)試過程中所遇到的典型問題為視角，從軸向功率偏差ΔI超目標(biāo)帶累計時間長報警功能實現(xiàn)、DCS控制系統(tǒng)與舊設(shè)備接口量程匹配問題、計數(shù)器精度補償問題、人機界面工藝流程圖的開發(fā)、組態(tài)功能圖優(yōu)化等幾方面出發(fā)對功調(diào)系統(tǒng)進行性能優(yōu)化研究。

1 軸向功率偏差報警系統(tǒng)功能簡介

軸向功率偏差報警的目的是監(jiān)測堆芯軸向功率分布，防止局部功率過高，影響堆芯安全。主檢測參數(shù)是軸向功率偏移AO，當(dāng)實測的AO偏離預(yù)定的目標(biāo)帶時，裝置發(fā)出報警信號，由主控操作員手動調(diào)硼，通過改變磞濃度，達到改變堆芯反應(yīng)性，從而使調(diào)節(jié)棒自動改變其位置，故而改變堆芯軸向功率分布，使軸向偏移返回到目標(biāo)帶之內(nèi)。功率分布限制如圖1所示。

圖1 功率分布限制運行圖

1)當(dāng)運行熱功率在90%以上時，軸向功率偏差達到±5%時，必須在15 min內(nèi)完成以相應(yīng)動作。

2)當(dāng)運行功率在50%～90%，如果滿足相應(yīng)條件，則可繼續(xù)運行。

3)在某一核功率水平P′下，對應(yīng)的軸向功率偏差ΔI′(%)，軸向功率偏為ΔI′+3%或ΔI′-3%時，軸向功率偏差報警系統(tǒng)會發(fā)出稀釋或硼化的信號，操縱員根據(jù)不同的指令進行調(diào)硼；當(dāng)軸向功率偏差達到ΔI′±5%時，在觸發(fā)硼化或稀釋信號的同時，還會將超目標(biāo)帶外累積時間送往主控盤臺計數(shù)器，如果在任意24 h之內(nèi)，計數(shù)器累積時間達到1 h，將會發(fā)出ΔI在目標(biāo)帶外累計時間長報警，要求降功率運行。

2 現(xiàn)狀分析及存在的問題

秦山一期30萬kW機組在118大修之前，反應(yīng)堆功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)一直使用的福克斯波羅的SPEC200模擬卡件，眾所周知，模擬卡件體積大、參數(shù)調(diào)節(jié)可執(zhí)行性差、精度低、能耗高、發(fā)熱量大等等。118大修中，將原有的模擬卡件改造為基于IA平臺的DCS分散控制系統(tǒng)，但是DCS控制系統(tǒng)與原有的其他接口系統(tǒng)之間存在很多其他的問題，在反應(yīng)堆功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)改造的過程中，主要存在以下問題：

1)軸向功率偏差報警在以前的SPEC200的卡件中無法實現(xiàn)在任意24 h之內(nèi)累積計數(shù)。計數(shù)器的顯示不是任意24 h的累積時間，而是從上一次清零后開始的24 h之內(nèi)的累積時間計數(shù)，這與原始設(shè)計不相符；原始設(shè)計的要求應(yīng)該解讀為：從任意時刻起，往前24 h以內(nèi)的累積時間計數(shù)，將超出24 h的累積時間自動清除，這樣就能保證任意時刻之前的24 h的累積時間，即為24 h長度的隊列操作。按照原有的計數(shù)狀況會使得ΔI超目標(biāo)帶外累積時間長報警失去了原有的意義，給主控操作員造成了困擾。

2)電核功率大表及ΔI超目標(biāo)帶計時器與DCS控制系統(tǒng)接口匹配問題。

3)在聯(lián)合調(diào)試的過程中，無法觀察到一些過程參量的具體數(shù)值變化，這使得邏輯輸出與判斷變得困難。

4)在每次大修完之后，根據(jù)PM大修項目要求，需要修改軸向功率偏差系統(tǒng)的目標(biāo)帶，按照現(xiàn)有設(shè)計，由于每次修改都要在組態(tài)軟件中進行，這樣做，提高了風(fēng)險，一旦失誤將其他組態(tài)修改，可能會造成很嚴(yán)重的后果。

綜上所述，反應(yīng)堆功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)跟軸向功率偏差報警系統(tǒng)在一定程度上，或多或少存在一些急需優(yōu)化或者改進的問題，有些問題影響系統(tǒng)功能、有些對設(shè)備正常使用造成困擾、有些反復(fù)性工作可能帶來嚴(yán)重的后果，為此，性能優(yōu)化工作迫在眉睫。

3 反應(yīng)堆功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)性能優(yōu)化研究

反應(yīng)堆功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)對于核電站而言至關(guān)重要，其調(diào)節(jié)性能及檢測報警系統(tǒng)的優(yōu)化品質(zhì)決定了投入使用時性能的優(yōu)劣。針對以上問題，做出了如下具體的性能優(yōu)化方案。

3.1 ΔI超目標(biāo)帶累計時間長報警功能具體實現(xiàn)方法

軸向功率偏差報警系統(tǒng)要實現(xiàn)任意24 h以內(nèi)的累計時間計數(shù)，先進來的累計時間先出、后進的時間后出，滿足隊列的基本定義。在IA平臺的DCS控制系統(tǒng)中沒有一個具體的功能模塊可以實現(xiàn)，為此，根據(jù)DCS控制系統(tǒng)中現(xiàn)有的模塊，搭建其邏輯功能圖，如圖2所示。

圖2 計數(shù)時間塊原理圖

此原理圖說明如下：

圖2原理圖為計數(shù)器時間塊中的一個，總共有1 440個這樣的時間計數(shù)塊，這是因為計數(shù)器顯示量程是0～1 440 min，而一個計數(shù)塊的掃描周期t=5 s，在時間t之內(nèi)需要將1 440個計數(shù)塊全部掃描一遍，在掃描的同時，n1～n12位寄存器存儲的數(shù)據(jù)也會向前進行移位操作，總共有n=12×1 440=17 280個位寄存器，具體操作如下，當(dāng)前位寄存器存儲狀態(tài)如圖3、圖4所示。

經(jīng)過t時間后，位寄存器向前移動一位，其狀態(tài)如圖4所示。

由圖4可知，一個時間塊中12個寄存器數(shù)據(jù)全部進入下一塊時間塊所需的時間如圖2所示的塊圖需要時間：

Δt=12·t=60 s

(1)

即為1 min，走完1 440個這樣的塊圖總時間為1 440 min=24 h，因此24 h以外的數(shù)據(jù)以隊列的形式出隊。第一個時間塊記錄前一分鐘的數(shù)據(jù)、第二個記錄前兩分鐘的數(shù)據(jù)…以此類推，第1 440個記錄最先進來的前1 440 min進來的數(shù)據(jù)，這樣的動作邏輯滿足設(shè)計要求，具體可設(shè)當(dāng)前時間狀態(tài)下，寄存器狀態(tài)為圖3所示，在經(jīng)過一個掃描周期t之后，入隊數(shù)據(jù)為k0，其他數(shù)據(jù)向前移位，而24+t時刻的數(shù)據(jù)k17 280出隊，位寄存器數(shù)據(jù)記錄原則是當(dāng)ΔI超目標(biāo)帶累計時間信號長時間存在時，n1～n1 440中對應(yīng)的數(shù)據(jù)記錄為“1”，無超目標(biāo)帶累計時間信號時為0，由以上結(jié)果可以得出，24 h中超目標(biāo)帶累計總時間，其計算公式如下：

(2)

式中：當(dāng)有計數(shù)信號時，ki=1；反之，ki=0，t=5 s，T單位為秒(s)。此數(shù)值T經(jīng)過量程轉(zhuǎn)換處理為標(biāo)準(zhǔn)的4～20 mA的信號輸出到CB-522盤臺的超目標(biāo)帶計數(shù)器上；當(dāng)復(fù)位信號出現(xiàn)時，所有的寄存器數(shù)據(jù)置“0”，這樣時間T=0，實現(xiàn)復(fù)位功能。2018年6月5日下午14:32在冷態(tài)調(diào)試的過程中，在工程師站中讓目標(biāo)帶累計計數(shù)信號強制輸出，讓計數(shù)器記錄74 min的時間長度，并且于第二天2018年6月6日下午去觀察，當(dāng)時觀察時間為14:38，超過24 h 6 min，其顯示結(jié)果為“68”，因此此設(shè)計方案滿足要求，在下午14：46開始觀察，經(jīng)過1 min左右，CB-522盤臺光字牌上的“ΔI超目標(biāo)帶累計時間長”報警出現(xiàn)，按CB-522盤臺上的“計數(shù)器復(fù)位按鈕”，報警消失，并且計數(shù)器清零。

圖3 當(dāng)前時間位寄存器狀態(tài)

圖4 位寄存器當(dāng)前時間與t時間之后狀態(tài)對比圖

3.2 基于DCS控制系統(tǒng)的零點漂移及量程調(diào)整解決方案

電核功率大表作為核電站發(fā)電指示的一雙眼睛，對操縱員而言，其作用不言而喻，正確的數(shù)值指示是必要的前提，系統(tǒng)改造之后，其顯示不是按照既定的指示變化，而數(shù)字化的系統(tǒng)的好處是就是數(shù)字運算處理能力更加強大，可以按照一定的要求與舊設(shè)備進行匹配，以電核功率大表為例具體操作方法如下。

為了得出電核功率大表的線性關(guān)系，調(diào)試人員在其相應(yīng)的端子加上不同的標(biāo)準(zhǔn)信號源電壓，對大表進行校驗，記錄如表1所示。

表1 電功率大表校驗記錄

(3)

當(dāng)Pe=467 MWt時有：

(4)

所對應(yīng)的電壓由于電功率大表其卡件轉(zhuǎn)換關(guān)系為輸入4～20 mA—轉(zhuǎn)換為0～156%—輸出為0～10 V，0～10 V的信號經(jīng)過電功率大表信號數(shù)據(jù)采集處理，顯示為電功率大小，此時DCS組態(tài)中相應(yīng)參數(shù)為：

(5)

(6)

式中,LSCO1為量程下限、HSCO1為量程上限，LOLIM為低限幅值、HOLIM為高限幅值，按此限幅范圍內(nèi)的百分比，將FOXVIEW對應(yīng)模塊的“A/M”按鈕切換至“M”，強制送出標(biāo)準(zhǔn)百分比信號，其輸入輸出如表2所示。

表2 電功率表第一次工程師站強制信號輸出記錄表

由于輸出為電壓信號，所以由線損導(dǎo)致指示偏低的因素需要考慮。因此，為了輸出同樣的百分比變化時，讓DCS輸出卡件電壓增大，在輸出電壓量程0～10 V不變的前提下，必須縮小量程，具體校表修正過程如下：

最大相對誤差大小為:

(7)

式中,Δ為絕對誤差大小為2，L為真值，其大小為468，帶入計算可得：

洋蔥屬于百合科蔥屬類植物，又被成為圓蔥。其糖類、蛋白質(zhì)維生素以及礦物質(zhì)含量都非常豐富，在我國的南北方都有廣泛的種植。隨著我國人民生活水平的提高，對于農(nóng)作物的品質(zhì)要求也隨著上升。為了更好的達到提升洋蔥品質(zhì)到無公害標(biāo)準(zhǔn)的目標(biāo)，對洋蔥的無公害種植以及病蟲害防治技術(shù)進行研究是非常有必要的。

δ=0.427 350 427 35%

(8)

因此,為了讓其滿足性能要求，保持低位量程限電壓限值及顯示，將量程低位也進行縮放，高位也進行縮放，將量程大小整體縮小δ=0.427 350 427 35%求解過程如下：

圖5 曲線校正示意圖

由圖5可得：

(9)

由上式可求得：

(10)

在DCS組態(tài)圖中，修改其量程大?。?/p>

(11)

經(jīng)過修改后第二次校驗數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 電功率表第二次工程師站強制信號輸出記錄表

經(jīng)過第二次校正之后，電功率大表線性度非常好，滿足設(shè)計要求。

對于核功率大表而言，用同樣的方法，對大表進行校驗，在CP5083機柜中相應(yīng)的端子上加標(biāo)準(zhǔn)的直流電壓，以此來求解其線性度，由秦山一期原始設(shè)計規(guī)格可知，100%電功率對應(yīng)的核功率應(yīng)該為966 MW，因此，具體數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 核功率大表校驗記錄表

經(jīng)過擬合可得曲線PN = 122.46U-11.728可得，當(dāng)PN =0時核功率百分比為0,U=0.095 V≈0.1 V。此點滿足實際校驗零點U=0.1 V。

(12)

當(dāng)PN=1 159，即核功率為120%時，U=9.56V：

(13)

式中,PN為核功率大小，單位為兆瓦(MW)；U為對應(yīng)卡件應(yīng)該輸出的電壓值，單位為伏特(V)P相對核功率，單位為%，由式(1-5)(1-6)可得，當(dāng)U=0時，可得P=-1.268 5%；當(dāng)U=10時，P=-125.581%在DCS組態(tài)中相應(yīng)參數(shù)為：

(14)

(15)

式中,LSCO1為量程下限、HSCO1為核功率表的量程上限，LOLIM為低限幅值、HOLIM為高限幅值，按此限幅范圍內(nèi)的百分比，將FOXVIEW對應(yīng)模塊的“A/M”按鈕切換至“M”，強制送出標(biāo)準(zhǔn)百分比信號，其輸入輸出如表5所示。

表5 核功率表第一次工程師站強制信號輸出記錄表

由表5可以看出核功率大表在低位時線性度很好，在高位時，絕對誤差最大為1 MW，如果要滿足現(xiàn)有的要求，就需要在相同百分比條件下其電壓值增大，核功率大表才能滿足要求，由此可以計算出其相對誤差大小為:

=0.086 281 276 96%

(16)

式中,Δ為絕對誤差大小為1，L為真值，其大小為1 159，帶入計算可得:

δ=0.086 281 276 96%

(17)

因此,為了讓其滿足性能要求，保持低位量程限值不變，將高位量程縮小δ=0.086 281 276 96%后，可得:

(18)

再次按照上述方法對核功率大表進行校驗時，輸出記錄如表6所示。

表6 核功率表第二次工程師站強制信號輸出數(shù)據(jù)

由表6可知，其線性度滿足要求。

電功率大表由于零點附近跟滿量程附近都存在偏差，因此，通過量程上下限都調(diào)整且零點不變的方式進行調(diào)節(jié)；而核功率大表只在滿量程附近存在很小的偏差，因此，不調(diào)節(jié)其量程下限來達到調(diào)節(jié)核功率大表線性度的要求。

用同樣的方法對電功率大表跟ΔI超目標(biāo)帶計時器同樣適用，經(jīng)過對設(shè)備的調(diào)零、調(diào)滿，根據(jù)自身需求對輸入到設(shè)備的信號卡件進行量程的遷移與調(diào)整，使設(shè)備工作在要求的范圍內(nèi)。

3.3 功調(diào)系統(tǒng)過程參數(shù)工藝流程圖開發(fā)與應(yīng)用

秦山一期核電站反應(yīng)堆功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)可以根據(jù)冷卻劑平均溫度通道、參考平均溫度通道、功率失配通道三個通道的綜合偏差大小，按照既定的邏輯發(fā)出報警、硼化、稀釋、動棒指令，以此來達調(diào)節(jié)反應(yīng)堆功率與汽機功率匹配的目的，三通道的過程參數(shù)對于運行人員、維修調(diào)試人員都有很大的作用，為此，開發(fā)了基于FOXDRAW的反應(yīng)堆功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)的過程參數(shù)工藝流程，在DCS控制系統(tǒng)中，經(jīng)過組態(tài)圖的優(yōu)化，使得這一項工作只需要在FOXVIEW的畫面中特定的輸入框圖中輸入物理組給定的軸偏數(shù)值大小，系統(tǒng)就可以按照一定的邏輯運算完成對目標(biāo)帶的調(diào)節(jié)工作，這在極大程度上降低了其他組態(tài)參數(shù)修改的可能性，同時提高了維修工作效率，避免了因人因失誤而造成的風(fēng)險。具體如圖6所示。

通過此流程圖，可以很便捷地觀看系統(tǒng)運行中的參數(shù)變化情況，并且對其中的過程參數(shù)值尤其是功率適配通道的參數(shù)評估更準(zhǔn)確，使功調(diào)系統(tǒng)使用性能完善，用戶體驗更加友好。

圖6 功調(diào)系統(tǒng)過程參數(shù)工藝流程圖

3.4 ΔI目標(biāo)值組態(tài)功能圖優(yōu)化

DCS組態(tài)軟件中存在一個叫AIN的功能塊圖，其數(shù)值大小可以與FOXVIEW中的畫面對其直接進行賦值操作，這使得ΔI目標(biāo)值直接不通過組態(tài)軟件下裝成為了可能性，通過CHARC模塊進行數(shù)據(jù)處理，CHARC模塊是通過構(gòu)建最多20個段的“分段”線性特征曲線來表征模擬信號的變化，在操作應(yīng)用中，該塊根據(jù)輸入值和用戶指定的特征曲線生成輸出值大小[2]。具體如圖7所示。

圖7 軸偏目標(biāo)帶組態(tài)優(yōu)化功能圖

其原理說明如下：

由物理組提供滿功率情況下的ΔI給定值，則ΔI上、ΔI下可由以下公式確定：

(19)

由次高選核功率與軸向功率偏差關(guān)系可以計算出ΔI目標(biāo)值：

ΔI目標(biāo)值=-ΔI給定·PN_SEL

(20)

式中，PN_SEL—次高選核功率百分比。

ΔI目標(biāo)值送至加法模塊與ΔI實測值計算偏差，根據(jù)偏差及報警限值，發(fā)出相應(yīng)的指令。

4.結(jié)論

反應(yīng)堆功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)無論是在冷態(tài)調(diào)試、聯(lián)合仿真、熱態(tài)功率平臺試驗中都經(jīng)受住了考驗，其性能的優(yōu)化是非常成功的。

1) 電核功率大表在整個熱態(tài)升功率的過程中一直指示精確，誤差在符合設(shè)計要求。

2) ΔI超目標(biāo)帶累計時間長的功能在冷態(tài)調(diào)試及75%功率平臺功率分布試驗中得到了充分驗證，證明其準(zhǔn)確、有效。

3) ΔI組態(tài)圖優(yōu)化在75%功率平臺功率分布試驗完成后，由物理組提供滿功率對應(yīng)的ΔI值，通過在FOXVIEW中進行修改，目標(biāo)帶隨之被更改，操作簡單可靠、無風(fēng)險。

4) 功調(diào)系統(tǒng)過程參數(shù)工藝流程圖在整個熱態(tài)試驗中，如30%平臺試驗、50%平臺試驗、RUNBACK試驗、甩負(fù)荷試驗、75%功率平臺試驗中、100%功率平臺試驗中為儀控人員實時監(jiān)控功調(diào)系統(tǒng)的過程參數(shù)提供了很大的便利，通過過程參數(shù)的大小與變化趨勢就可以方便的判斷反應(yīng)堆功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)是否有異常。

通過冷態(tài)到熱態(tài)再到功率運行狀態(tài)的一系列試驗，充分驗證了經(jīng)過優(yōu)化后的反應(yīng)堆功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)性能良好、符合設(shè)計要求。說明對應(yīng)反應(yīng)堆功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)性能優(yōu)化的研究是非常可行的也是很必要的。

5 總結(jié)與展望

DCS控制系統(tǒng)在電廠被廣泛使用，而控制系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化問題在新建電廠調(diào)試或者現(xiàn)有電廠改造的過程中是調(diào)試人員經(jīng)常需要面對的難題。本文以秦山一期30萬kW機組反應(yīng)堆功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)為視角，將數(shù)字化改造過程中碰到的問題及解決方案做出歸納總結(jié)，希望本文可以為同行業(yè)的從業(yè)人員在調(diào)試或改造時提供解決此類問題的解決思路與方法。