提高一回路冷卻劑溫度測(cè)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(jì)算,參與反應(yīng)堆功率控制超溫超功率△T保護(hù)等,是核電機(jī)組安全運(yùn)行的關(guān)鍵參數(shù)。因此,保證其測(cè)量精度和響應(yīng)時(shí)間具有重要意義,。直接溫度測(cè)量不滿足技術(shù)規(guī)范精度要求,需進(jìn)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(jìn)行修正,。但多次修改插值函數(shù)存在人因風(fēng)險(xiǎn)。首次利用最小二乘法通過(guò)MATLAB計(jì)算出增益和偏置參數(shù)提前設(shè)置,并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行修正,大幅縮短了溫度修正和交叉比對(duì)時(shí)間,并降低了人因風(fēng)險(xiǎn),。在國(guó)內(nèi)核電首次采用回路階躍電流響應(yīng)法(LCSR)對(duì)熱電阻響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行了測(cè)量,及時(shí)發(fā)現(xiàn)了探頭制造和現(xiàn)場(chǎng)安裝的偏差,為后續(xù)機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行奠定基礎(chǔ),也可為其他機(jī)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(jī)組--回路的主回路,在主泵的推動(dòng)下強(qiáng)迫冷卻劑循環(huán)流動(dòng),將堆芯中核裂變產(chǎn)生的熱量過(guò)蒸汽發(fā)生器傳輸給二回路的給水，同時(shí)冷卻堆芯,，防止燃料元件超溫而燒毀或損壞,。目前,國(guó)內(nèi)大部分核電機(jī)組采用“堆跟機(jī)”的運(yùn)行方式即機(jī)組實(shí)時(shí)跟蹤電網(wǎng)負(fù)荷。汽機(jī)的進(jìn)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(jìn)行核功率修正后,驅(qū)動(dòng)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(jì)算輸人,，是反應(yīng)堆功率控制和反應(yīng)堆保護(hù)的關(guān)鍵參數(shù),。
1熱電阻,
       熱電阻溫度計(jì)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(guò)探測(cè)阻值的變溫來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度的測(cè)量?？紤]核電機(jī)組對(duì)測(cè)量精度,、穩(wěn)定性和響應(yīng)時(shí)間等方面的要求,鉑熱電阻被廣泛用作一回路測(cè)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(dá)式為:
Rt=R0(1+At+Bt²)(1)
       式中:Rt為t℃時(shí)鉑電阻值;R0為0℃時(shí)鉑電阻值。根據(jù)國(guó)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(shí)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(cè)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(cè)量要求,需在分布式控制系統(tǒng)(distributedcontrolsystem,DCS)軟件中進(jìn)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(jī)組一個(gè)環(huán)路中,，在熱段設(shè)置了6個(gè)窄量程和1個(gè)寬量程熱電阻、冷段設(shè)置了4個(gè)窄量程和2個(gè)雙量程熱電阻,用于測(cè)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(hào)(S)生成邏輯計(jì)算。一回路熱段溫度參與堆芯補(bǔ)水箱驅(qū)動(dòng)邏輯運(yùn)算,。冷熱段溫度除直接參與邏輯運(yùn)算及反應(yīng)堆保護(hù)外,還用于一回.路平均溫度(Tavg)及冷熱段溫差(OT)的計(jì)算,。Tavg及△T邏輯簡(jiǎn)圖如圖2所示。

2.2一回路平均溫度(T)
       T是機(jī)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(jī)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(hù)運(yùn)算,，如:在反應(yīng)堆停堆信號(hào)觸發(fā)且Tavg小于低2定值時(shí),自動(dòng)隔離主給水系統(tǒng);在Tavg小于低2定值時(shí),閉鎖主蒸汽旁路排放閥開(kāi)啟。Tavg參與中子通量倍增閉鎖及啟動(dòng)給水系統(tǒng)啟動(dòng)邏輯計(jì)算,主給水/化學(xué)和容積控制系.統(tǒng)隔離和汽機(jī)跳閘閉鎖邏輯計(jì)算,以及蒸汽發(fā)生器液位低時(shí)非能動(dòng)預(yù)熱排出熱交換器驅(qū)動(dòng)閉鎖邏輯計(jì)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(hù)和超溫△T保護(hù)的計(jì)算。當(dāng)△T低于某一限值時(shí),產(chǎn)生裕量低保護(hù)信號(hào),在閉鎖控制棒提升同時(shí)觸發(fā)機(jī)組快速降負(fù)荷,?！鱐參與機(jī)組快速降功率邏輯運(yùn)算,在條件滿足時(shí)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(jī)組以設(shè)定的速率快速降負(fù)荷,?！鱐還參與反應(yīng)堆冷卻劑流量的補(bǔ)償計(jì)算及軸向功率偏差控制帶的計(jì)算,生成棒位插入限值(設(shè)定值)信號(hào)的計(jì)算，并在觸發(fā)棒位低低信號(hào)時(shí)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(jī)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(jī)功率的偏差,對(duì)--回路平均溫度與設(shè)定值的偏差進(jìn)行修正,得到功率設(shè)定值?？刂瓢艚M能響應(yīng)反應(yīng)堆功率控制系統(tǒng)的速度和方向信號(hào),。系統(tǒng)通過(guò)改變控制棒的位置來(lái)調(diào)節(jié)反應(yīng)堆功率,實(shí)現(xiàn)一、二回路的功率平衡,。目前,國(guó)內(nèi)核電機(jī)組普遍采用“堆跟機(jī)”的運(yùn)行模式,，即當(dāng)機(jī)組降功率時(shí),通過(guò)汽輪機(jī)進(jìn)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(lái)降低.Tavg。當(dāng)機(jī)組升功率時(shí),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(jiǎn)圖如圖3所示,。

       一回路冷、熱溫度直接和間接參與了機(jī)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(hù)等機(jī)組安全運(yùn)行所必須的多項(xiàng)重要功能。因此,有必要采取措施,提高其測(cè)量精度和響應(yīng)時(shí)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(jí)為C級(jí)、抗震I級(jí),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(yùn)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(dòng)等環(huán)境條件,護(hù)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(shí),，任何一-對(duì)引線之間測(cè)量的熱電動(dòng)勢(shì)電壓不得超過(guò)50μV。
3.1精度要求
       工業(yè)鉑電阻常用的有A,、B兩個(gè)級(jí)別,。A級(jí)測(cè)量范圍為-200~+650℃C,B級(jí)測(cè)量范圍為-200~+850℃。A級(jí)的允許誤差為±(0.15+0.002×|t|),B級(jí)的允許誤差為±(0.30+0.005x|t|),。式中:t為實(shí)際測(cè)量溫度,。綜合考慮測(cè)量精度和采購(gòu)成本等因素,核電站選用的是B級(jí)工業(yè)鉑電阻溫度計(jì)。核電機(jī)組在考慮測(cè)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(cè)量誤差不超過(guò)±0.11C,遲滯誤差不超過(guò)0.56℃和0.0022×(329.4-t)℃的較小值,。為保證溫度測(cè)量的穩(wěn)定性,特別要求熱電阻每年的漂移不超過(guò)±0.11℃,并在整個(gè)鑒定壽命周期內(nèi)不超過(guò)±0.28℃。
3.2響應(yīng)時(shí)間
       響應(yīng)時(shí)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(chǔ)熱能力及被測(cè)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(shí),熱電阻的響應(yīng)時(shí)間是--個(gè)很重要的參數(shù),會(huì)直接影響機(jī)組功率控制和超溫/超功率AT保護(hù)等反應(yīng)堆保護(hù)功能的響應(yīng)速度和精度。根據(jù)ASTME644工業(yè)電阻溫度計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)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(yàn)套管進(jìn)行溫度階躍響應(yīng)試驗(yàn)[],測(cè)量溫度從初始值變化到階躍響應(yīng)試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)值63.2%的時(shí)間,。針對(duì)套管安裝的熱電阻,要求響應(yīng)時(shí)間不超過(guò)4s,捆綁安裝的熱電阻響應(yīng)時(shí)間不超過(guò)20s。
4保障措施
4.1安裝檢查
       參與機(jī)組調(diào)節(jié)及保護(hù)的熱電阻均采用四線制接線方式,電流回路和電壓測(cè)量回路獨(dú)立分開(kāi),。四線制接線完全消除引線電阻帶來(lái)的誤差,提高了測(cè)量精度,。在安裝前,對(duì)每個(gè)熱電阻以正常極性和反向極性測(cè)量絕緣電阻,并記錄兩個(gè)極性的較低絕緣電阻讀數(shù)。在環(huán)境溫度時(shí),利用兆歐表施加100VDC,在10s內(nèi)測(cè)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(cè)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(shí)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(shí)間,。安裝前,需嚴(yán)格核對(duì)熱電阻和套管的匹配性,進(jìn)行套管清潔,并嚴(yán)格按照導(dǎo)則要求安裝熱電阻['8],。
4.2計(jì)算修正
       熱電阻在制造完成后需完成質(zhì)量檢驗(yàn),確保符合B級(jí)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(guò)產(chǎn)品檢驗(yàn)報(bào)告即可獲取,。每支熱電阻的實(shí)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(yàn)報(bào)告顯示,在329.4℃時(shí),電阻實(shí)測(cè)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(cè)量要求的±0.11℃。DCS溫度測(cè)量卡件通常是按IEC60751制造的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品,，有必要通過(guò)軟件計(jì)算對(duì)熱電阻測(cè)量進(jìn)行修正。在熱電阻應(yīng)用到現(xiàn)場(chǎng)前,需獨(dú)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(jì)算公式為:

       式中:R₀、R₁₀₀,、R₂₆₀均可以通過(guò)校驗(yàn)報(bào)告獲取,。
       代人熱電阻實(shí)際校驗(yàn)數(shù)據(jù),可計(jì)算出溫度轉(zhuǎn)換系數(shù)α=0.003847δ=1.51265,。根據(jù)式(4)、式(5),可計(jì)算A,、B數(shù)值:

       分別計(jì)算出A=3.9055×10^-3,、B=-5.81967×10-7根據(jù)計(jì)算結(jié)果,可以對(duì)供應(yīng)商的熱電阻校驗(yàn)報(bào)告進(jìn)行獨(dú)立驗(yàn)證。為提高溫度測(cè)量精度,需對(duì)測(cè)量溫度進(jìn)行修正計(jì)算:
 

       式中:T,。為修正后溫度;Tm為修正前測(cè)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(diǎn),本
方案采用最小二乘法,通過(guò)Matlab軟件對(duì)溫度進(jìn)行一
階修正。具體程序如下:

程序中:x為測(cè)量溫度,y為測(cè)量溫度與標(biāo)準(zhǔn)溫度的偏差,。
       通過(guò)最小二乘法,計(jì)算出Gain=0.001445,、0fset=0.079623。利用求得的系數(shù)對(duì)溫度進(jìn)行修正,，修正后的最大溫度偏差為-0.019℃,遠(yuǎn)小于技術(shù)規(guī)格書(shū)中±0.11℃的偏差要求,。計(jì)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(kāi)展熱電阻更換和定期試驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)。
       熱電阻校驗(yàn)及修正數(shù)據(jù)對(duì)比如表1所示,。

4.3性能測(cè)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(jī)組熱停堆平臺(tái)測(cè)試熱電阻的實(shí)際響應(yīng)時(shí)間T63.2不超過(guò)4s[10]。為使試驗(yàn)結(jié)果更正確反映現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況,采用了回路電流躍所響應(yīng)(loopcurtentsteprespouse,LCSR)試驗(yàn)法,。該方法于20世紀(jì)80年代初由NRC批準(zhǔn),用于測(cè)量核電廠熱電阻的響應(yīng)時(shí)間,。LCSR法利用惠斯頓電橋產(chǎn)生一個(gè)階躍電流,作用于被測(cè)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(jì)算機(jī)軟件對(duì)瞬態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣和分析,并計(jì)算出響應(yīng)時(shí)間“。作為L(zhǎng)CSR的補(bǔ)充,還開(kāi)展了自熱試驗(yàn),通過(guò)對(duì)熱電阻施加小電流測(cè)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(shí)間成正比,。試驗(yàn)數(shù)據(jù)可為后續(xù)熱電阻老化評(píng)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(guó)內(nèi)核電均采用出廠校驗(yàn)數(shù)據(jù)的響應(yīng)時(shí)間,未考慮現(xiàn)場(chǎng)安裝因素和實(shí)際流體情況對(duì)響應(yīng)時(shí)間的影響。試驗(yàn)方案對(duì)其他核電機(jī)組有--定借鑒意義,。LCSR試驗(yàn)回路簡(jiǎn)圖如圖4所示,。

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