何飛軍

（三門核電有限公司，浙江 三門 317100）

三門核電一回路包含60 個PT100 熱電阻用于冷卻劑溫度測量，所有的熱電阻為雙支熱電阻，量程為10℃～371.1℃。這些熱電阻信號送往保護(hù)系統(tǒng)4 個序列，作為保護(hù)系統(tǒng)的重要關(guān)鍵參數(shù)，用于超溫/超功率停堆、生成允許信號和參與專設(shè)保護(hù)功能。

1 交叉校準(zhǔn)適應(yīng)性和必要性

在壓水反應(yīng)堆電站通常會定期對熱電阻進(jìn)行校準(zhǔn)以修正儀表的漂移和精度偏差。交叉校準(zhǔn)作為一種在線監(jiān)測技術(shù)，可在機組正常停堆或啟動過程中，對冷卻劑回路熱電阻進(jìn)行在線校準(zhǔn)，及時糾正因熱電阻各種原因帶來的測量偏差問題。同時，三門核電交叉校準(zhǔn)的使用可以避免因熱電阻拆裝帶來的響應(yīng)時間測試問題。

1.1 熱電阻測量精度偏差因素

核級熱電阻本身具有較好的穩(wěn)定性，出廠設(shè)計精度偏差控制在±0.11℃之內(nèi)，整個20 年服役壽期精度偏差控制在不大于±0.28℃，但在實際使用過程中，受修正模型、安裝和現(xiàn)場環(huán)境等因素的影響，熱電阻測量結(jié)果上會出現(xiàn)一定的偏差。而交叉校驗的使用，可以很好地修正這類偏差。

1.1.1 熱電阻修正模型

根據(jù)IEC60751《工業(yè)鉑電阻溫度計和鉑溫度傳感器》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定[1]，熱電阻校準(zhǔn)模塊的修正模型通常使用二次曲線模型，一般使用3 個或者5 個標(biāo)定點，存在非標(biāo)定點的測量精度的偏差。

1.1.2 現(xiàn)場工作環(huán)境

三門核電冷卻劑回路熱電阻所處的工作環(huán)境相比其他回路中的熱電阻要復(fù)雜許多，高溫、高壓、高輻射及振動都會加速熱電阻的老化，導(dǎo)致熱電阻測量精度隨著工作時間的推移而改變，產(chǎn)生所謂的儀表漂移現(xiàn)象。根據(jù)TR-1003099 報告顯示，反應(yīng)堆冷卻劑回路對熱電阻的影響是隨機的，漂移結(jié)果有正向的，也有反向的[2]。這種隨機的漂移，對保護(hù)系統(tǒng)安全功能的執(zhí)行是一種風(fēng)險挑戰(zhàn)。

1.1.3 熱電阻安裝方式

三門核電反應(yīng)堆冷卻劑熱電阻全部采用四線制連接方式，相比于二線制和三線制，在測量精度上已有很大提高。但考慮到熱電阻在整個信號傳遞過程中，受線路電阻的影響，電壓信號可能會在信號線上存在微小的分壓情況。此外，在保護(hù)系統(tǒng)內(nèi)也會因板卡精度等問題引入一定的偏差量，使得整個熱電阻最終測量結(jié)果存在一定的隨機性偏差，即使整個過程引入的偏差量很小。

1.2 熱電阻響應(yīng)時間測試要求

根據(jù)三門FSAR 的要求，反應(yīng)堆停堆和專設(shè)功能相關(guān)的儀表需每24 個月執(zhí)行一次響應(yīng)時間測試，包括反應(yīng)堆冷卻劑溫度測量元件熱電阻。根據(jù)該技術(shù)規(guī)范要求，除了定期執(zhí)行熱電阻響應(yīng)時間測試之外，對于新更換的熱電阻或者重新安裝的熱電阻均需要重新進(jìn)行響應(yīng)時間測試，避免因熱電阻重新安裝帶來的響應(yīng)時間不合格問題。而交叉校驗的使用，在參數(shù)可修改的情況下，可避免熱電阻響應(yīng)時間測試。

2 交叉校準(zhǔn)的應(yīng)用

交叉驗證作為一種在線監(jiān)測技術(shù)，用于驗證一組或者一系列測量同一參數(shù)/物理量的冗余傳感器性能，通過對一定數(shù)量的冗余傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到接近現(xiàn)場真實物理量的計算值，之后將單個傳感器數(shù)據(jù)與計算值進(jìn)行比較，最后通過最小二乘法數(shù)據(jù)擬合手段得到最終輸出[3]。

三門核電保護(hù)系統(tǒng)對于熱電阻溫度轉(zhuǎn)化，在二次曲線模型的基礎(chǔ)上，增加了五點溫度的線性修正，修正函數(shù)為Tc= Tm + offset+ gain*Tm ，其中Tc 為補償后的溫度，Tm 為實際測量溫度。該線性修正函數(shù)與交叉校準(zhǔn)最小二乘法的修正可以做到匹配，簡化了熱電阻的修正。

2.1 交叉校驗技術(shù)數(shù)據(jù)源

交叉校驗數(shù)據(jù)采集一般在上層儀控系統(tǒng)進(jìn)行，在常規(guī)模擬量電站，可通過傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集裝備（例如數(shù)據(jù)采集儀），在儀控機柜I/O 卡上進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并進(jìn)行必要的電壓/電阻到溫度的轉(zhuǎn)化；對于數(shù)字化儀控平臺，數(shù)據(jù)采集可通過專用儀控數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)（例如電站控制系統(tǒng)），直接保存和導(dǎo)出歷史數(shù)據(jù)即可，也無需進(jìn)行數(shù)據(jù)類型的轉(zhuǎn)化。兩種方式都可以實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的采集工作，但從實際操作來看，數(shù)字化儀控系統(tǒng)在這方面更具有優(yōu)勢。

在數(shù)據(jù)采集過程中，對于等溫平臺（一般溫度變化在±0.15℃～±0.3℃）和非等溫平臺的情況，兩者的數(shù)據(jù)采集要求有些差異，采集數(shù)據(jù)要求也會不同。等溫平臺可以一次性實時采集全部數(shù)據(jù)，一般在5 個溫度平臺完成數(shù)據(jù)采集，采樣頻率為1s，每個溫度平臺持續(xù)采樣10min；非等溫平臺（溫度以一定的速率改變）可采用斜波數(shù)據(jù)采集方式（數(shù)據(jù)采集從1 到N，再從N 到1，反復(fù)交替），數(shù)據(jù)樣本與等溫平臺要求基本一致[4]。

2.2 交叉校驗數(shù)據(jù)修正

除了考慮到儀表漂移問題，現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集過程中還可能存在一回路冷卻劑溫度波動的情況和溫度不一致性的問題。對于溫度波動導(dǎo)致的數(shù)據(jù)問題，可采用標(biāo)準(zhǔn)方差計算方式進(jìn)行數(shù)據(jù)判定和剔除，具體計算方式如下[5]：

1）計算每個溫度平臺下，每個熱電阻的標(biāo)準(zhǔn)方差STD。

2）計算每個溫度平臺下每個STD 的均值A(chǔ)VE 和標(biāo)準(zhǔn)差σAVE。

3）計算每個溫度平臺下每個STD 和AVE 的差值Δ。

4）數(shù)據(jù)有效性的判定|Δ|≤σAVE，保留數(shù)據(jù)，否則剔除數(shù)據(jù)。

對于漂移和溫度不一致性問題，可以通過多次測量求平均值的方法來消除，而且參與的熱電阻數(shù)量越多，平均值越接近于真實值。但實際應(yīng)用中，只有無堆芯衰變熱的情況，所有冷、熱段熱電阻才參與均值計算。對于存在堆芯衰變熱的情況，4 個冷段和2 個熱段將分別進(jìn)行計算，因受參與均值計算熱電阻數(shù)量的影響，可能會使得真實溫度確認(rèn)存在一定的偏差。

2.3 交叉校驗計算

在完成數(shù)據(jù)源的采集和處理后，可對數(shù)據(jù)進(jìn)行交叉校驗計算，如圖1 所示。交叉校驗過程中，應(yīng)按照以下步驟執(zhí)行[6]：

1）計算每個熱電阻在每個溫度平臺的均值。

2）計算每個溫度平臺所有選擇熱電阻的均值（或者中值）。

3）超差數(shù)據(jù)判定和有效性計算。

4）如有超差數(shù)據(jù)存在，重新計算每個溫度平臺所有選擇熱電阻的均值（或者中值），反復(fù)執(zhí)行，直到所有數(shù)據(jù)滿足驗收準(zhǔn)則。如無超差數(shù)據(jù)，結(jié)束交叉校驗。

圖1 熱電阻交叉校驗計算流程圖Fig.1 Flow chart of calculation of thermal resistance cross-check

圖2 偏差修正效果圖Fig.2 Effect of deviation correction

5）超過數(shù)據(jù)判定，更換熱電阻或者對熱電阻參數(shù)進(jìn)行修正。更換熱電阻，重新開始數(shù)據(jù)采集，并從步驟1 重新計算。

6）獲取當(dāng)前系統(tǒng)配置的熱電阻參數(shù)，進(jìn)行測量溫度的計算。

7）采用最小二乘法對測量溫度進(jìn)行重新線性擬合，重新確認(rèn)熱電阻修正參數(shù)。

8）系統(tǒng)內(nèi)輸入新的熱電阻參數(shù)，結(jié)束交叉校驗。

2.4 交叉校驗結(jié)果處理

熱電阻交叉校驗后會給出兩種結(jié)論：是否調(diào)整gain 和offset 或者更換熱電阻。從當(dāng)前三門核電試驗結(jié)果分析，一般在熱電阻安裝后的首次交叉校準(zhǔn)過程中，不會涉及熱電阻更換，一方面新的熱電阻不會在這么短的周期內(nèi)發(fā)生大的性能漂移，另一方面三門核電執(zhí)行的熱電阻響應(yīng)時間測試可以驗證熱電阻性能良好，測量數(shù)據(jù)的偏差一般是由于安裝和接口系統(tǒng)帶入，通過參數(shù)修正的方式可以消除偏差。圖2 是基于三門2 號機組交叉校驗的結(jié)果，明顯可以看出數(shù)據(jù)的偏差得到了有效的糾正，確保了后續(xù)機組運行過程中測量的一致性。然而，對于多個運行周期后的交叉校驗結(jié)果，選擇參數(shù)調(diào)整或者熱電阻更換，一是需要結(jié)合早前的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行性能趨勢分析，二是需要參考同一品牌熱電阻的歷史運行數(shù)據(jù)。

3 交叉校準(zhǔn)技術(shù)的局限性

交叉校準(zhǔn)作為一種在線監(jiān)測技術(shù)，可以給熱電阻校準(zhǔn)帶來很大的便利，可以及時發(fā)現(xiàn)熱電阻的偏差問題和性能下降趨勢，并采用一定的方法加以修正。但交叉校驗也存在一定的局限性：

1）交叉校準(zhǔn)數(shù)據(jù)需要足夠量的樣本數(shù)據(jù)。三門核電首次啟動過程中，所有熱電阻參與計算。但在換料階段，冷、熱段回路分開計算，外加衰變熱引起熱段溫場不均，大大減少了樣本數(shù)量，影響最接近溫度的判定，會給后續(xù)偏差修正帶來一定難度。

2）對于同向漂移無法進(jìn)行確認(rèn)和評估。熱電阻的漂移是隨機的，如果同一回路發(fā)生多個熱電阻同向漂移時，會使得計算結(jié)果偏向漂移方向，增加系統(tǒng)計算誤差。

3）熱電阻老化會使得熱電阻參數(shù)修正失效。由于熱電阻老化時間的不確定性，在熱電阻交叉校準(zhǔn)后，可能會因熱電阻進(jìn)入老化期，導(dǎo)致校準(zhǔn)后數(shù)據(jù)再次發(fā)生較大偏差。

4 結(jié)論

交叉校準(zhǔn)雖然在實際應(yīng)用過程中可能有一定的局限性，但作為一種在線監(jiān)測方式，可以在線對熱電阻進(jìn)行性能監(jiān)測和分析，及時發(fā)現(xiàn)熱電阻偏差和性能下降，并根據(jù)測試結(jié)果做出正確的響應(yīng)，以提高信號的可靠性和準(zhǔn)確性，提高保護(hù)系統(tǒng)的實效性和安全性，對于核電廠安全運行和經(jīng)濟運行有著積極的作用。