王學杰,朱世雷 ,黃 文,代君龍,謝 俊,唐鳳平

(中國工程物理研究院核物理與化學研究所,四川 綿陽 621900)

反應堆功率控制系統(tǒng)實時監(jiān)測堆芯中子注量率,將堆功率信號提供給反應堆運行人員和功率控制系統(tǒng)。反應堆保護系統(tǒng)連續(xù)監(jiān)督反應堆的狀態(tài),監(jiān)測所確定的保護變量,當監(jiān)測變量達到或超過保護整定值時,自動給出保護觸發(fā)信號。

反應堆控制保護系統(tǒng)測量參數(shù)的準確性,系統(tǒng)工作的可靠性、穩(wěn)定性都關系到反應堆的運行安全,特別是反應堆保護變量的測量精度,各個通道測量的一致性和保護觸發(fā)的準確性是否符合運行限值的要求等,是調試的主要內(nèi)容,也是反應堆運行期間關注的重點。

1 反應堆控制保護系統(tǒng)

反應堆控制保護系統(tǒng)包括：核測系統(tǒng)、保護系統(tǒng)、ATWS(Anticipated Transients without Scram)事故緩解裝置、功率控制系統(tǒng)、報警系統(tǒng)、反應堆DCS(Decentralized Control System)和控制棒驅動機構。其功能是監(jiān)測反應堆堆芯中子注量率、反應堆熱工參數(shù)等,使反應堆按所需功率運行并維持相關參數(shù)在安全限度內(nèi)。當被監(jiān)測參數(shù)超過報警閾值時,發(fā)出聲光報警信號,提醒操作人員采取糾正措施;當被監(jiān)測參數(shù)達到或超過保護整定值時,向保護系統(tǒng)發(fā)出保護觸發(fā)信號,實現(xiàn)安全停堆。

過程測量系統(tǒng)送保護系統(tǒng)的溫度、流量、壓力和液位等信號采用標準4～20 m A電流信號[1];核測系統(tǒng)的周期測量保護裝置,送保護系統(tǒng)的堆功率增長周期信號,采用4～20 mA電流信號表示-5～∞～5 s,兩者關系見圖1;核測系統(tǒng)的功率測量保護裝置,用4～20 mA電流信號表示堆功率有效值0.0～5.0,再配3位二進制數(shù)表示的功率檔位信息,000～111表示1W～10 MW,8個數(shù)量級[2],功率測量保護裝置輸入與輸出信號的關系見表1;電氣系統(tǒng)、輻射防護系統(tǒng)送保護系統(tǒng)采用開關量形式。保護系統(tǒng)需要校準的是模擬量輸入信號。

圖1 周期測量保護裝置輸出4～20m A電流信號與周期的關系Fig.1 Relation betw een 4～20 mA current w ith reactor period output from period measuring protection equipment

2 過程測量系統(tǒng)校準

過程測量系統(tǒng)采用傳感器、變送器和二次儀表分別校準的方法,再合成每個測量通道的測量誤差。調試期間,過程測量系統(tǒng)的流量、溫度、壓力和液位變送器可以在計量站檢定。流量儀表的傳感器——孔板,用超聲波流量計現(xiàn)場比對標定。堆芯出口溫度和堆芯出入口溫差,在反應堆工藝系統(tǒng)非核調試階段72 h連續(xù)運行期間,隨著堆池水溫的升高(只運行一回路,不啟動二回路冷卻系統(tǒng))同時進行了校準。

3 核測系統(tǒng)與保護系統(tǒng)接口

圖2是核測系統(tǒng)一個通道與保護系統(tǒng)接口連接圖。核測系統(tǒng)的小電流放大器將電離室傳來的電流信號轉換成0～5 V電壓信號和二進制檔位信息,分別送核測功率測量保護裝置(以下簡稱功保)和周期測量保護裝置(以下簡稱周保)。

功保將 0～5 V電壓信號轉換成4～20 mA的電流信號,包括檔位信息經(jīng)隔離后一起送保護系統(tǒng)和報警系統(tǒng)。

周保內(nèi)的 MCU(M icrop rogrammed Control Unit)根據(jù)0～5 V電壓信號和擋位信息,用軟件計算的方法得到反應堆功率增長周期,并輸出經(jīng)隔離的4～20 m A表示周期的電流信號到保護系統(tǒng)。周保的MCU還將計算得到的周期信號經(jīng)隔離后以11位二進制數(shù)的形式送報警邏輯柜。

反應堆保護系統(tǒng)接收功保和周保的輸出信號,與保護設定值比較,若超過限制則觸發(fā)停堆。保護系統(tǒng)監(jiān)測參數(shù)除用于本機柜顯示外,還以隔離的串行通訊方式轉發(fā)給反應堆DCS系統(tǒng)。

由于報警邏輯柜是反應堆DCS的一個過程控制站,所以DCS系統(tǒng)也可以通過報警邏輯柜得到核測參數(shù)。這樣在反應堆DCS系統(tǒng)中就有2組核測數(shù)據(jù),一組是經(jīng)保護系統(tǒng)轉發(fā)來的數(shù)據(jù);另一組直接測量的數(shù)據(jù),形成功率超定值105%和周期小于 20 s的預報警“黃燈”信號。

4 功保的校準

根據(jù)1E級設備與非核級設備之間的隔離要求,功保輸出信號采用了隔離措施。2個模擬量隔離模塊將I/V轉換結果0～5 V電壓信號,再V/I變換成4～20 mA電流信號,輸出到保護系統(tǒng)和報警系統(tǒng)。由于2路V/I轉換器件產(chǎn)生的轉換誤差,2路4～20m A電流就不一致,再加上功保輸出信號的接收端——保護系統(tǒng)與報警系統(tǒng)采集端口的測量精度也有區(qū)別,這樣導致一臺功保輸出信號在保護系統(tǒng)與DCS顯示值不一致。單獨測試功保、保護系統(tǒng)與DCS的測量精度都滿足技術要求,但連接在一起,誤差疊加,整個測量通道的測量誤差就不能接受了。表2列出功保3個測量通道的測量數(shù)據(jù)在保護系統(tǒng)與DCS的顯示值。

表1 功率測量保護裝置輸入信號與輸出信號關系對照表Table 1 Relation between input and outputsignals from reactor power measuring protection equipment

由于反應堆核功率保護定值是操縱員根據(jù)實際運行功率設定,堆運行功率為P,保護系統(tǒng)功率保護設定值為1.1P。保護系統(tǒng)監(jiān)測的是功率的相對變化量,只要功保測量通道能保持線性關系就可以保證事故觸發(fā)信號的準確。從保護系統(tǒng)3個測量通道的顯示值可以看到,功保同一通道同一檔位的線性度滿足保護觸發(fā)精度的要求。

反應堆預報警的功率定值是將保護系統(tǒng)的功率定值除以1.1再乘1.05得到的。

保護系統(tǒng)測量值與報警系統(tǒng)測量值過大的偏差,使得預報警信號不能與事故信號保持1.05∶1.1的比例關系,甚至預報警信號在事故信號之后觸發(fā)。

圖2 核測系統(tǒng)與控制保護系統(tǒng)接口連接圖Fig.2 Interface between neutron fluxmeasurement instrumentation and reac tor control protection system

功保的校準采用軟件修正的方法。通過修改報警邏輯柜內(nèi)DCS過程站通道采集軟件,使報警系統(tǒng)的測量值與保護系統(tǒng)的測量值一致,這樣可以保證預報警信號與事故信號1.05∶1.1的關系,同時主控室計算機CRT上2個顯示畫面(經(jīng)保護系統(tǒng)轉發(fā)來的數(shù)據(jù),DCS直接采集的數(shù)據(jù))的功保數(shù)據(jù)也能保持基本一致。

表2 核測功保的測量數(shù)據(jù)在保護系統(tǒng)與DCS系統(tǒng)的顯示值Table2 Power signals disp lay on the p rotection system and DCS

5 核測周保的校準

周保利用功保的I/V轉換后的電壓信號與擋位信息,通過軟件計算得到反應堆功率增長周期,周期采用刻度。周保輸出2路周期信號：一路是送報警系統(tǒng)的11位二進制數(shù)表示-5～∞～5 s(二進制數(shù)最高位是符號位,11111111111表示 -5 s,01111111111表示5 s,00000000000表示∞,二進制數(shù)與周期信號的關系見圖3),二進制數(shù)由核測周保內(nèi)的微處理器(MCU)直接驅動;另一路是送保護系統(tǒng)的4～20 mA電流信號,表示-5～∞～5 s。4～20 mA電流信號是周保內(nèi)MCU將周期信號通過D/A轉換變成0～5 V的周期信號,再 將0～5 V電壓信號進行V/I變換后得到的。

圖3 周保輸出11位二進制數(shù)與周期信號的關系Fig.3 Relationships betw een 11 binary number w ith reac tor period output from period measuring protection equipment

表3是周保3個測量通道的測試結果。由于周保送保護系統(tǒng)的信號經(jīng)過數(shù)字量到模擬量,模擬量再還原數(shù)字量的多次轉換,轉換過程引入了較大誤差,甚至在周保輸入端加10 s周期信號,保護系統(tǒng)都未能給出短周期事故信號。而采用二進制數(shù)傳送的周期信號,沒有數(shù)據(jù)轉換過程引入的誤差,信號接收端——DCS的顯示值,與信號發(fā)送端——周保的測量值完全一致。周期信號的校準采用修改保護系統(tǒng)軟件的方法校準。采用線性修正方法修正非線性信號(刻度),只能針對事故信號觸發(fā)點進行修正,

表3 周保輸出周期信號在保護系統(tǒng)和DCS系統(tǒng)的顯示值Table 3 Period signal disp lay on the p rotection system and DCS

保證反應堆功率增長周期在10 s時,保護系統(tǒng)能觸發(fā)事故信號。這樣修正使得功率增長周期除了10 s這個測量點外,主控制室計算機CRT上,來自保護系統(tǒng)和來自報警系統(tǒng)的同一個測量參數(shù)——周期信號有2個不同的顯示值。

核測周保輸出電流從15.81～16.21mA,都代表10 s周期,保護系統(tǒng)用4～20 mA輸入信號作為事故觸發(fā)判斷較線性刻度更精確,但作為運行時功率增長周期顯示則不穩(wěn)定。因為反應堆提升功率的倍增周期通常控制在60 s左右,12.68mA對應59 s,12.67m A對應60 s,0.01mA的變化對應1 s,不考慮周保信號的波動,測量系統(tǒng)引入的干擾就會使保護系統(tǒng)的周期顯示數(shù)據(jù)跳動,影響運行人員正確讀取數(shù)據(jù)。

6 結束語

通過開展控制保護系統(tǒng)監(jiān)測參數(shù)的校準工作,提高了控制保護系統(tǒng)測量參數(shù)的可信度。準確觸發(fā)預報警和事故信號是反應堆運行在安全限值之內(nèi)的保證。

[1] 石銘德.反應堆保護系統(tǒng)設計說明書[R].清華大學核能與新能源技術研究院,2002.

[2] 李保祥.反應堆核測系統(tǒng)設計說明書[R].清華大學核能與新能源技術研究院,2002.