提高一回路冷卻劑溫度測量精度和可靠性

摘要:一回路冷卻劑溫度用于平均溫度和溫差計算,參與反應(yīng)堆功率控制超溫超功率△T保護等,是核電機組安全運行的關(guān)鍵參數(shù)。因此,保證其測量精度和響應(yīng)時間具有重要意義。直接溫度測量不滿足技術(shù)規(guī)范精度要求,需進行系數(shù)修正。以往,通常采用修改插值函數(shù)和調(diào)節(jié)加法器系數(shù)進行修正。但多次修改插值函數(shù)存在人因風(fēng)險。首次利用最小二乘法通過MATLAB計算出增益和偏置參數(shù)提前設(shè)置,并根據(jù)試驗結(jié)果進行修正,大幅縮短了溫度修正和交叉比對時間,并降低了人因風(fēng)險。在國內(nèi)核電首次采用回路階躍電流響應(yīng)法(LCSR)對熱電阻響應(yīng)時間進行了測量,及時發(fā)現(xiàn)了探頭制造和現(xiàn)場安裝的偏差,為后續(xù)機組的安全穩(wěn)定運行奠定基礎(chǔ),也可為其他機組提供參考。
0引言
       反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)為壓水堆核電機組--回路的主回路,在主泵的推動下強迫冷卻劑循環(huán)流動,將堆芯中核裂變產(chǎn)生的熱量過蒸汽發(fā)生器傳輸給二回路的給水，同時冷卻堆芯，防止燃料元件超溫而燒毀或損壞。目前,國內(nèi)大部分核電機組采用“堆跟機”的運行方式即機組實時跟蹤電網(wǎng)負荷。汽機的進汽壓力轉(zhuǎn)換為回路平均溫度設(shè)定值。設(shè)定值與一回路平均溫度的偏差進行核功率修正后,驅(qū)動控制棒使反應(yīng)堆功率迅速跟蹤二回路功率。一-回路冷卻劑冷、熱段溫度作為一回路平均溫度(Tavg)和冷熱段溫差(△T)的計算輸人，是反應(yīng)堆功率控制和反應(yīng)堆保護的關(guān)鍵參數(shù)。
1熱電阻,
       熱電阻溫度計利用金屬或半導(dǎo)體的電阻與溫度呈一定的函數(shù)關(guān)系,通過探測阻值的變溫來實現(xiàn)溫度的測量。考慮核電機組對測量精度、穩(wěn)定性和響應(yīng)時間等方面的要求,鉑熱電阻被廣泛用作一回路測溫元件。在0~650℃溫度范圍內(nèi)，鉑電阻Rt(Ω)與溫度(t)的關(guān)系表達式為:
Rt=R0(1+At+Bt²)(1)
       式中:Rt為t℃時鉑電阻值;R0為0℃時鉑電阻值。根據(jù)國際溫度標(biāo)準(zhǔn)ITS-90,A=3.9083x10^-3、B=5.7751x10^-7[3]。但根據(jù)制造工藝和水平不同,實際熱電阻產(chǎn)品的A/B值與理論值略有差別。數(shù)字化控制系統(tǒng)中的溫度測量卡件通常是按IEC60751制造的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品(4]”。為滿足精度高的測量要求,需在分布式控制系統(tǒng)(distributedcontrolsystem,DCS)軟件中進行額外的系數(shù)修正。
2核電應(yīng)用
2.1一回路冷、熱溫度
       一回路按冷卻劑溫度的高低分為冷段和熱段。某核電機組一個環(huán)路中，在熱段設(shè)置了6個窄量程和1個寬量程熱電阻、冷段設(shè)置了4個窄量程和2個雙量程熱電阻,用于測量一回路冷卻劑的冷熱段溫度。一回路溫度布置如圖1所示。

       一回路冷段溫度用于功率量程修正、超溫△T設(shè)定值生成,并參與安全信號(S)生成邏輯計算。一回路熱段溫度參與堆芯補水箱驅(qū)動邏輯運算。冷熱段溫度除直接參與邏輯運算及反應(yīng)堆保護外,還用于一回.路平均溫度(Tavg)及冷熱段溫差(OT)的計算。Tavg及△T邏輯簡圖如圖2所示。

2.2一回路平均溫度(T)
       T是機組高功率模式下的反應(yīng)堆功率控制的關(guān)鍵參數(shù),參與機組穩(wěn)壓器液位控制和旁路系統(tǒng)在溫度模式下的蒸汽排放閥控制。Tavg參與反應(yīng)堆保護運算，如:在反應(yīng)堆停堆信號觸發(fā)且Tavg小于低2定值時,自動隔離主給水系統(tǒng);在Tavg小于低2定值時,閉鎖主蒸汽旁路排放閥開啟。Tavg參與中子通量倍增閉鎖及啟動給水系統(tǒng)啟動邏輯計算,主給水/化學(xué)和容積控制系.統(tǒng)隔離和汽機跳閘閉鎖邏輯計算,以及蒸汽發(fā)生器液位低時非能動預(yù)熱排出熱交換器驅(qū)動閉鎖邏輯計算。
2.3冷熱段溫差(△T)
       △T表征了反應(yīng)堆的熱功率水平。為防止反應(yīng)堆超功率,其參與超功率△T保護和超溫△T保護的計算。當(dāng)△T低于某一限值時,產(chǎn)生裕量低保護信號,在閉鎖控制棒提升同時觸發(fā)機組快速降負荷。△T參與機組快速降功率邏輯運算,在條件滿足時釋放選定的停堆棒組、終止控制棒交換操作并觸發(fā)汽輪發(fā)電機組以設(shè)定的速率快速降負荷。△T還參與反應(yīng)堆冷卻劑流量的補償計算及軸向功率偏差控制帶的計算,生成棒位插入限值(設(shè)定值)信號的計算，并在觸發(fā)棒位低低信號時閉鎖軸向功率偏差控制棒組的提升。
2.4反應(yīng)堆功率控制
       反應(yīng)堆功率控制系統(tǒng)是核電機組控制的核心系統(tǒng)。在高功率控制模式下,系統(tǒng)利用核功率與汽機功率的偏差,對--回路平均溫度與設(shè)定值的偏差進行修正,得到功率設(shè)定值。控制棒組能響應(yīng)反應(yīng)堆功率控制系統(tǒng)的速度和方向信號。系統(tǒng)通過改變控制棒的位置來調(diào)節(jié)反應(yīng)堆功率,實現(xiàn)一、二回路的功率平衡。目前,國內(nèi)核電機組普遍采用“堆跟機”的運行模式，即當(dāng)機組降功率時,通過汽輪機進汽壓力函數(shù)產(chǎn)生的一回路平均溫度設(shè)定值降低,將控制棒插人堆芯來降低.Tavg。當(dāng)機組升功率時,函數(shù)產(chǎn)生的一-回路平均溫度設(shè)定值升高,控制棒組將提升,以增加Tavg。反應(yīng)堆功率控制需求邏輯簡圖如圖3所示。

       一回路冷、熱溫度直接和間接參與了機組高功率模式下的反應(yīng)堆功率控制、溫度模式下的旁路旁放控制、超溫/超功率保護等機組安全運行所必須的多項重要功能。因此,有必要采取措施,提高其測量精度和響應(yīng)時間。
3技術(shù)要求
       一回路冷、熱段溫度為核安全相關(guān)設(shè)備,電氣等級為C級、抗震I級,采用雙支溫度元件、四線制接線,在安全停堆地震(safeshutdownsarthquake,SSE)期間和之后能正常運行并維持特定的功能。為滿足安全殼廠房壓力、溫度、輻射和振動等環(huán)境條件,護套材料采用304或316不銹鋼,絕緣材料為高純度的氧化鎂[5]。當(dāng)熱電阻浸人329.4℃溫度槽時，任何一-對引線之間測量的熱電動勢電壓不得超過50μV。
3.1精度要求
       工業(yè)鉑電阻常用的有A、B兩個級別。A級測量范圍為-200~+650℃C,B級測量范圍為-200~+850℃。A級的允許誤差為±(0.15+0.002×|t|),B級的允許誤差為±(0.30+0.005x|t|)。式中:t為實際測量溫度。綜合考慮測量精度和采購成本等因素,核電站選用的是B級工業(yè)鉑電阻溫度計。核電機組在考慮測量精度和重復(fù)性誤差的情況下，提出了新的精度要求:在0~329.4℃范圍內(nèi),測量誤差不超過±0.11C,遲滯誤差不超過0.56℃和0.0022×(329.4-t)℃的較小值。為保證溫度測量的穩(wěn)定性,特別要求熱電阻每年的漂移不超過±0.11℃,并在整個鑒定壽命周期內(nèi)不超過±0.28℃。
3.2響應(yīng)時間
       響應(yīng)時間是溫度傳感器反應(yīng)溫度變化的能力,根據(jù)傳感器本體儲熱能力及被測介質(zhì)傳遞到傳感器的熱量的不同而不同。在一回路冷、熱段溫度發(fā)生變化時,熱電阻的響應(yīng)時間是--個很重要的參數(shù),會直接影響機組功率控制和超溫/超功率AT保護等反應(yīng)堆保護功能的響應(yīng)速度和精度。根據(jù)ASTME644工業(yè)電阻溫度計的標(biāo)準(zhǔn)測試方法,一回路冷、熱端溫度熱電阻在1m/s的流體中插人試驗套管進行溫度階躍響應(yīng)試驗[],測量溫度從初始值變化到階躍響應(yīng)試驗?zāi)繕?biāo)值63.2%的時間。針對套管安裝的熱電阻,要求響應(yīng)時間不超過4s,捆綁安裝的熱電阻響應(yīng)時間不超過20s。
4保障措施
4.1安裝檢查
       參與機組調(diào)節(jié)及保護的熱電阻均采用四線制接線方式,電流回路和電壓測量回路獨立分開。四線制接線完全消除引線電阻帶來的誤差,提高了測量精度。在安裝前,對每個熱電阻以正常極性和反向極性測量絕緣電阻,并記錄兩個極性的較低絕緣電阻讀數(shù)。在環(huán)境溫度時,利用兆歐表施加100VDC,在10s內(nèi)測量RTD的絕緣電阻應(yīng)大于100MΩ,在329.4℃利用兆歐表施加100VDC,在10s內(nèi)測量RTD的絕緣電阻應(yīng)大于20MΩ。熱電阻和套管不匹配、安裝氣隙不滿足要求是響應(yīng)時間失效的主要模式。熱電阻和套管之間的最小氣隙可顯著增加熱電阻的響應(yīng)時間。安裝前,需嚴格核對熱電阻和套管的匹配性,進行套管清潔,并嚴格按照導(dǎo)則要求安裝熱電阻['8]。
4.2計算修正
       熱電阻在制造完成后需完成質(zhì)量檢驗,確保符合B級工業(yè)熱電阻的質(zhì)量要求。每支熱電阻在完成產(chǎn)品制造后，其電阻-溫度特性曲線已經(jīng)確定,通過產(chǎn)品檢驗報告即可獲取。每支熱電阻的實際電阻-溫度轉(zhuǎn)換參數(shù)與理論值略有差異。如某支熱電阻的校驗報告顯示,在329.4℃時,電阻實測值為222.304Ω,而IEC60751的標(biāo)準(zhǔn)值為222.489Ω,偏差為0.185Ω。該結(jié)果滿足B工業(yè)熱電阻允許偏差±0.285Ω。但該結(jié)果超出了一回路溫度測量要求的±0.11℃。DCS溫度測量卡件通常是按IEC60751制造的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，有必要通過軟件計算對熱電阻測量進行修正。在熱電阻應(yīng)用到現(xiàn)場前,需獨立核算溫度轉(zhuǎn)換系數(shù)和A/B值的正確率,為后續(xù)修正提供基礎(chǔ)。根據(jù)溫度轉(zhuǎn)換系數(shù)，計算公式為:

       式中:R₀、R₁₀₀、R₂₆₀均可以通過校驗報告獲取。
       代人熱電阻實際校驗數(shù)據(jù),可計算出溫度轉(zhuǎn)換系數(shù)α=0.003847δ=1.51265。根據(jù)式(4)、式(5),可計算A、B數(shù)值:

       分別計算出A=3.9055×10^-3、B=-5.81967×10-7根據(jù)計算結(jié)果,可以對供應(yīng)商的熱電阻校驗報告進行獨立驗證。為提高溫度測量精度,需對測量溫度進行修正計算:
 

       式中:T。為修正后溫度;Tm為修正前測量溫度。
考慮精度要求并結(jié)合數(shù)字化控制系統(tǒng)的特點,本
方案采用最小二乘法,通過Matlab軟件對溫度進行一
階修正。具體程序如下:

程序中:x為測量溫度,y為測量溫度與標(biāo)準(zhǔn)溫度的偏差。
       通過最小二乘法,計算出Gain=0.001445、0fset=0.079623。利用求得的系數(shù)對溫度進行修正，修正后的最大溫度偏差為-0.019℃,遠小于技術(shù)規(guī)格書中±0.11℃的偏差要求。計算參數(shù)與供應(yīng)商提供的參數(shù)基本-致,為后續(xù)自主開展熱電阻更換和定期試驗奠定了基礎(chǔ)。
       熱電阻校驗及修正數(shù)據(jù)對比如表1所示。

4.3性能測試
       綜合考慮一回路冷卻劑溫度及流速、熱電阻與套管安裝氣隙等因素[9],需確保熱電阻安裝后在機組熱停堆平臺測試熱電阻的實際響應(yīng)時間T63.2不超過4s[10]。為使試驗結(jié)果更正確反映現(xiàn)場實際情況,采用了回路電流躍所響應(yīng)(loopcurtentsteprespouse,LCSR)試驗法。該方法于20世紀80年代初由NRC批準(zhǔn),用于測量核電廠熱電阻的響應(yīng)時間。LCSR法利用惠斯頓電橋產(chǎn)生一個階躍電流,作用于被測熱電阻中產(chǎn)生焦耳熱,導(dǎo)致熱電阻產(chǎn)生溫度瞬變;溫度瞬變逐漸增加熱電阻阻值,并在電橋輸出處產(chǎn)生電壓瞬變;利用計算機軟件對瞬態(tài)數(shù)據(jù)進行采樣和分析,并計算出響應(yīng)時間“。作為LCSR的補充,還開展了自熱試驗,通過對熱電阻施加小電流測量熱電阻的穩(wěn)態(tài)阻值,自熱曲線的斜率(阻值/功率)通常與響應(yīng)時間成正比。試驗數(shù)據(jù)可為后續(xù)熱電阻老化評估提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù),為設(shè)備預(yù)防性維修提供依據(jù)。
       在此之前,國內(nèi)核電均采用出廠校驗數(shù)據(jù)的響應(yīng)時間,未考慮現(xiàn)場安裝因素和實際流體情況對響應(yīng)時間的影響。試驗方案對其他核電機組有--定借鑒意義。LCSR試驗回路簡圖如圖4所示。

5結(jié)論
       通過對熱電阻進行絕緣電阻測試、響應(yīng)時間測量、對熱電阻供應(yīng)商校驗報告進行獨立驗證等手段,保障了熱電阻制造及安裝的質(zhì)量。通過軟件對熱電阻特性系數(shù)進行線性修正,進一步降低了溫度測量誤差,提高了核電機組一回路溫度的測量精度,滿足了技術(shù)規(guī)范對一回路溫度測量精度和響應(yīng)時間的要求。正確的溫度測量為核電機組反應(yīng)堆功率控制和反應(yīng)堆保護的可靠運行奠定了基礎(chǔ)，為機組安全穩(wěn)定運行提供了保障。增益和偏置參數(shù)修正法較M310機組常用的插值修正法，大大降低了工作時間和對機組運行狀態(tài)窗口的要.求[2,并有效降低了人因失誤的風(fēng)險。該研究可為后續(xù)現(xiàn)場更換熱電阻后對增益和偏置參數(shù)進行自主修正提供參考,為華龍及國和一-號等核電機組開展熱電阻交叉比對和響應(yīng)時間測量方法提供借鑒。