王 超

(三門核電有限公司，浙江 臺(tái)州 317112)

事故工況下，RCS過冷度是判斷堆芯是否得到充分冷卻最直觀的參數(shù)，也是判斷充足熱阱存在的依據(jù)。堆芯出口熱電偶作為反應(yīng)堆燃料頂部冷卻劑溫度測(cè)量?jī)x表，測(cè)量結(jié)果為核級(jí)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)冷卻劑過冷度計(jì)算輸入之一。其測(cè)量回路中，從冷端補(bǔ)償鉑電阻準(zhǔn)確性至補(bǔ)償算法的實(shí)現(xiàn)均對(duì)最終QDPS堆芯冷卻關(guān)鍵狀態(tài)樹的路徑選擇有重要的意義。

本文通過對(duì)比分析堆芯熱電偶冷端補(bǔ)償方案，以及現(xiàn)場(chǎng)PMS補(bǔ)充測(cè)試中發(fā)現(xiàn)的問題與解決，并為今后堆芯熱電偶的維護(hù)工作提出了合理的建議。

1 三門核電堆芯熱電偶冷端補(bǔ)償情況

熱電偶的熱電勢(shì)是兩個(gè)接點(diǎn)溫度的函數(shù)差，只有當(dāng)冷端溫度不變時(shí)，熱電勢(shì)才是熱端溫度的單值函數(shù)。因此必須對(duì)熱電偶冷端溫度變化的影響采取補(bǔ)償措施。目前在數(shù)字式控制系統(tǒng)中，通常采用I/O卡件內(nèi)置溫度傳感器，實(shí)時(shí)檢測(cè)冷端溫度變化進(jìn)行修正。

三門核電堆芯熱電偶為取得準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果，未采用卡件內(nèi)置溫度傳感器，而是在冷端接線端子處，設(shè)置了冷端補(bǔ)償熱電阻準(zhǔn)確測(cè)量冷端溫度，再通過高階擬合多項(xiàng)式完成最終冷端補(bǔ)償算法。堆芯熱電偶冷端補(bǔ)償電阻設(shè)置情況如表1所示。

表1 堆芯熱電偶冷段補(bǔ)償電阻布置情況

QDP機(jī)柜中AI687卡件擁有內(nèi)置溫度傳感器，可執(zhí)行冷端補(bǔ)償功能，但實(shí)際應(yīng)用中，QDPS設(shè)置AI687模塊參考溫度為0 ℃，如此輸入的熱電偶信號(hào)并未進(jìn)行補(bǔ)償。堆芯熱電偶冷端溫度通過外置冷端補(bǔ)償鉑電阻進(jìn)行測(cè)量，通過補(bǔ)償算法對(duì)信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償，以獲得更準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。熱電偶的電勢(shì)與溫度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系并非完全線性，通常使用最小二乘多項(xiàng)式對(duì)其進(jìn)行高階擬合。

整個(gè)冷端補(bǔ)償算法中，主要涉及溫度轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)電勢(shì)和電勢(shì)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)溫度兩個(gè)計(jì)算。冷端補(bǔ)償鉑電阻所測(cè)得的溫度，通過對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換關(guān)系轉(zhuǎn)換為電勢(shì)信號(hào)與實(shí)際測(cè)得的電勢(shì)信號(hào)相加得到電勢(shì)和。根據(jù)熱電偶中間定律，電勢(shì)和所對(duì)應(yīng)的分度表上溫度則為真實(shí)測(cè)量溫度。堆芯熱電偶冷端補(bǔ)償算法根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)IEC 60584-1第一部分EMF規(guī)范和公差附件A.7和B.7的溫度電勢(shì)正反轉(zhuǎn)換公式實(shí)現(xiàn)。

2 三門核電堆芯熱電偶冷端補(bǔ)償情況

2.1 冷端補(bǔ)償鉑電阻偏差分析

堆芯熱電偶測(cè)量過程中，不僅涉及偶絲部分的測(cè)量結(jié)果，也和實(shí)際冷端補(bǔ)償溫度測(cè)量息息相關(guān)。冷端補(bǔ)償電阻溫度的測(cè)量準(zhǔn)確性將會(huì)直接影響到由電勢(shì)和所計(jì)算得到的堆芯熱偶溫度。但是目前預(yù)防性維修大綱和調(diào)試維護(hù)、補(bǔ)充測(cè)試程序未涉及冷端補(bǔ)償電阻的維護(hù)問題，而熱電阻偏差后會(huì)導(dǎo)致測(cè)量偏差。

2.1.1 假定冷端補(bǔ)償電阻偏差的理論計(jì)算

根據(jù)技術(shù)規(guī)范書要求，PMS機(jī)柜間溫度需保持在19.4～25 ℃，機(jī)柜內(nèi)由于電子元件發(fā)熱，實(shí)際柜內(nèi)溫度稍高于環(huán)境溫度在30 ℃左右。借用PMS補(bǔ)充測(cè)試中堆芯熱電偶通道測(cè)試數(shù)據(jù)表的選點(diǎn)，100 ℃、395 ℃、690 ℃、985 ℃、1 280 ℃，對(duì)冷端補(bǔ)償電阻偏差進(jìn)行了如下理論計(jì)算。

假設(shè)一：冷端補(bǔ)償電阻端接處，實(shí)際溫度為30 ℃；

假設(shè)二：冷端補(bǔ)償電阻測(cè)量分別產(chǎn)生了±1～±5 ℃的偏差。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)IEC 60584-1溫度電勢(shì)正反轉(zhuǎn)換公式，有：

(1)

式中：t90——溫度，℃；

E——熱電偶電勢(shì)，μV。

式中的相關(guān)系數(shù)值如表2所述。

表2 c系數(shù)值

冷端溫度電勢(shì)轉(zhuǎn)換公式

E(tRJ，0)=

(2)

式中:tRJ——冷端接線處溫度，其他參數(shù)如下：

b0=-1.760 041 368 6×101；

b1=3.892 120 497 5×101；

b2=1.855 877 003 2×10-2；

b3=-9.945 759 287 4×10-5；

b4=3.184 094 571 9×10-7；

b5=-5.607 284 488 9×10-10；

b6=5.607 505 905 9×10-13；

b7=-3.202 072 000 3×10-16；

b8=9.715 114 715 2×10-20；

b9=-1.210 472 127 5×10-23；

c0=1.185 976×102；

c1=-1.183 432×10-4。

冷端補(bǔ)償鉑電阻出現(xiàn)偏差時(shí)，由于其與堆芯熱電偶測(cè)量回路并無(wú)物理關(guān)聯(lián)，因此實(shí)際卡件接受到的熱電偶測(cè)量信號(hào)仍為準(zhǔn)確的相對(duì)于冷端30 ℃的電勢(shì)信號(hào)。最終測(cè)量結(jié)果的偏差，是由于冷端補(bǔ)償算法使用了錯(cuò)誤的冷端溫度導(dǎo)致。根據(jù)式(1)、式(2)以及熱電偶中間溫度定律利用2節(jié)中的冷端補(bǔ)償原理算法，分別計(jì)算5個(gè)選點(diǎn)溫度下，冷端補(bǔ)償電阻發(fā)生溫度漂移后的導(dǎo)致的實(shí)際測(cè)量結(jié)果偏差，其計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 計(jì)算結(jié)果

2.1.2 理論計(jì)算結(jié)果分析

由理論計(jì)算結(jié)果可知，冷端補(bǔ)償電阻偏差在±5 ℃范圍內(nèi)，其偏差1 ℃，引入的測(cè)量誤差大概也在1 ℃左右。冷端補(bǔ)償電阻溫度漂移在3 ℃和-3 ℃，5個(gè)選點(diǎn)溫度的測(cè)量誤差最大的為1 280 ℃，誤差為3.4 ℃和-3.5 ℃，已經(jīng)達(dá)到了±3.5 ℃允許誤差的最大值。而隨著偏差增大，引入的測(cè)量誤差的變化趨勢(shì)也具有發(fā)散性。

2.2 錯(cuò)用冷端補(bǔ)償算法對(duì)測(cè)量的影響

PMS系統(tǒng)進(jìn)行堆芯熱電偶通道檢驗(yàn)時(shí)，采用測(cè)試小車(SIOS)作為信號(hào)輸出源，使用普通連接線與PMS端接單元TU連接，冷端補(bǔ)償溫度為卡件補(bǔ)償算法中的冷端補(bǔ)償電阻溫度。為避免環(huán)境溫度波動(dòng)對(duì)通道回路測(cè)試的影響，在MTP中強(qiáng)制冷端溫度為固定值。而在首次測(cè)試中，補(bǔ)充測(cè)試程序?qū)犭娕佳a(bǔ)償算法的理解有偏差，導(dǎo)致該項(xiàng)測(cè)試在回歸測(cè)試中需重新執(zhí)行。

2.2.1 CET通道精度測(cè)試失敗項(xiàng)

使用CPP-PMS-T1D-018 REV.5程序進(jìn)行堆芯熱電偶通道精度測(cè)試時(shí)，測(cè)試數(shù)據(jù)表要求強(qiáng)制冷端補(bǔ)償鉑電阻TB01、TB02/TC01、TC02為10 ℃，測(cè)試小車依次施加90 ℃、385 ℃、680 ℃、975 ℃和1 270 ℃對(duì)應(yīng)的電勢(shì)。而預(yù)期相應(yīng)溫度顯示為100 ℃、395 ℃、690 ℃、985 ℃、1 280 ℃。所有的測(cè)試結(jié)果顯示誤差均在±3.5 ℃以內(nèi)，滿足通道精度要求。

分析此測(cè)試結(jié)果時(shí)，發(fā)現(xiàn)此種做法并不嚴(yán)謹(jǐn)。因?yàn)闊犭娕嫉臒犭妱?shì)與溫度之間的關(guān)系并非為線性關(guān)系，不可簡(jiǎn)單認(rèn)為測(cè)點(diǎn)溫度是實(shí)際測(cè)得電勢(shì)對(duì)應(yīng)分度表溫度與冷端補(bǔ)償溫度的和。而應(yīng)根據(jù)中間溫度定律，獲得冷端溫度對(duì)應(yīng)的電勢(shì)與實(shí)際偶絲測(cè)得的電勢(shì)和后，再轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的溫度。即熱電勢(shì)可以相加減，溫度需轉(zhuǎn)換為電勢(shì)才能加減。

2.2.2 測(cè)試結(jié)果滿足精度要求的原因

按照測(cè)試程序的要求，對(duì)真實(shí)進(jìn)入冷端補(bǔ)償算法的熱電偶信號(hào)進(jìn)行了理論計(jì)算，編制成表格如表4所示。

表4 測(cè)試方法的理論計(jì)算結(jié)果

按照程序中的測(cè)試步驟，實(shí)際輸入最終電勢(shì)-溫度轉(zhuǎn)換公式的電勢(shì)信號(hào)為99.55 ℃、394.41 ℃、689.42 ℃、985.12 ℃和1 281.2 ℃所對(duì)應(yīng)的電勢(shì)，并非期望選擇的溫度測(cè)試點(diǎn)。該項(xiàng)測(cè)試結(jié)果滿足通道精度要求的原因?yàn)檎`差要求±3.5 ℃對(duì)應(yīng)的范圍較大，而實(shí)際錯(cuò)誤的做法所引入的誤差最大為1.2 ℃(模擬1 280 ℃時(shí))，尚未超出整個(gè)通道的精度要求，但卻不能以此證明通道精度滿足要求。

2.3 堆芯熱電偶溫度偏差對(duì)電站控制的影響

堆芯熱電偶信號(hào)用于為PMS系統(tǒng)和DAS系統(tǒng)提供堆芯出口溫度信息。正常工況下，測(cè)量并顯示堆芯溫度，而且作為過冷度函數(shù)計(jì)算塊的其中一個(gè)輸入，計(jì)算一回路過冷裕度，協(xié)助操縱員評(píng)估實(shí)際電站所處的狀態(tài)。此外，其最主要的功能為在事故工況下，監(jiān)控堆芯溫度數(shù)據(jù)，確認(rèn)安全系統(tǒng)執(zhí)行了預(yù)期功能，堆芯燃料得到了有效的冷卻，并為操縱員執(zhí)行后續(xù)操作提供判斷依據(jù)。

冷端補(bǔ)償鉑電阻出現(xiàn)偏差，將會(huì)影響所有使用其冷端溫度數(shù)據(jù)的堆芯熱電偶測(cè)量結(jié)果。若B或者C序列QDPC機(jī)柜中，某個(gè)冷端補(bǔ)償鉑電阻發(fā)生溫度漂移，將會(huì)影響所對(duì)應(yīng)的10支或9支熱電偶的最終測(cè)量結(jié)果。對(duì)后續(xù)邏輯運(yùn)算的影響主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面，一個(gè)為影響第五高堆芯熱電偶溫度數(shù)值(5th hottest core exit thermocouple temperature)；另一個(gè)則是影響該鉑電阻所在半列溫度均值(average bisector thermocouple temperature)，進(jìn)而影響序列中兩個(gè)半列溫度均值的取大值計(jì)算。而這兩個(gè)參數(shù)均為堆芯冷卻CSF計(jì)算中的路徑?jīng)Q定的直接因素。冷端補(bǔ)償鉑電阻出現(xiàn)的測(cè)量不準(zhǔn)確，可能會(huì)導(dǎo)致堆芯冷卻關(guān)鍵功能狀態(tài)數(shù)路徑選擇出現(xiàn)偏差，誤導(dǎo)操縱員執(zhí)行錯(cuò)誤的操作。

2.4 改進(jìn)及建議

2.4.1 增加冷端補(bǔ)償鉑電阻預(yù)防性維護(hù)項(xiàng)目

根據(jù)上述章節(jié)分析，冷端補(bǔ)償鉑電阻的重要性應(yīng)得到充分的重視。有必要將溫度補(bǔ)償電阻納入預(yù)防性維修項(xiàng)目定期維護(hù)，以確保因補(bǔ)償電阻偏差導(dǎo)致的測(cè)量誤差不會(huì)導(dǎo)致堆芯熱電偶測(cè)量回路的精度較大影響?？蓪?duì)其進(jìn)行同類設(shè)備對(duì)比檢查?？墒褂命c(diǎn)溫槍等測(cè)溫設(shè)備定期測(cè)量溫度補(bǔ)償電阻的溫度，與MTP或主控室中顯示的溫度參數(shù)進(jìn)行對(duì)比。

2.4.2 冷端補(bǔ)償溫度選擇的建議

在現(xiàn)場(chǎng)儀表調(diào)試及維護(hù)過程中，通常需要對(duì)儀表信號(hào)通道進(jìn)行校驗(yàn)。應(yīng)注意到在堆芯熱電偶信號(hào)模擬與其他熱電偶測(cè)點(diǎn)信號(hào)模擬時(shí)冷端補(bǔ)償溫度選擇的區(qū)別。

調(diào)試維護(hù)中在就地儀表接線處注入模擬信號(hào)，驗(yàn)證整個(gè)信號(hào)回路的精度時(shí)，應(yīng)設(shè)置信號(hào)發(fā)生器冷端補(bǔ)償溫度為環(huán)境溫度而非機(jī)柜卡件處溫度。就地?zé)犭娕贾翙C(jī)柜卡件的信號(hào)線為補(bǔ)償導(dǎo)線，掛接信號(hào)發(fā)生器后，補(bǔ)償導(dǎo)線會(huì)在信號(hào)發(fā)生器處產(chǎn)生一個(gè)新的熱電勢(shì)。應(yīng)設(shè)置信號(hào)發(fā)生器冷端補(bǔ)償溫度為環(huán)境溫度補(bǔ)償此新的熱電勢(shì)。對(duì)于機(jī)柜卡件接線處熱電偶冷端產(chǎn)生的熱電勢(shì)，則由軟件冷端補(bǔ)償算法進(jìn)行補(bǔ)償。

對(duì)于堆芯熱電偶，在調(diào)試和測(cè)試過程中，模擬信號(hào)的注入點(diǎn)在卡件接線端子處。連接信號(hào)發(fā)生器與卡件接線端子的若為普通導(dǎo)線，則此時(shí)整個(gè)通道回路并不會(huì)形成熱電勢(shì)，因此信號(hào)發(fā)生器的輸出電勢(shì)直接作用于卡件之上，此時(shí)應(yīng)設(shè)置信號(hào)發(fā)生器的冷端補(bǔ)償溫度為補(bǔ)償算法中的冷端補(bǔ)償電阻溫度，即MTP中顯示或者強(qiáng)制的冷端補(bǔ)償電阻溫度。連接信號(hào)發(fā)生器與卡件接線端子的若為補(bǔ)償導(dǎo)線，則與就地模擬熱電偶信號(hào)類似，應(yīng)設(shè)置信號(hào)發(fā)生器冷端補(bǔ)償溫度為環(huán)境溫度。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了三門核電堆芯出口熱電偶的儀表布置及信號(hào)處理流程，分析了熱電偶冷端補(bǔ)償方案，通過假定冷端補(bǔ)償電阻出現(xiàn)偏差而進(jìn)行的誤差理論計(jì)算，驗(yàn)證了對(duì)補(bǔ)償電阻進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)的重要性。同時(shí)針對(duì)PMS補(bǔ)充測(cè)試中，堆芯熱電偶通道測(cè)試出現(xiàn)的失敗項(xiàng)進(jìn)行了分析，并對(duì)信號(hào)發(fā)生器冷端補(bǔ)償溫度的選擇給出了合理建議。