高温气冷堆环境模拟装置热电偶信号波动问题研究

任 成，李聪新，杨星团

（清华大学 核能与新能源技术研究院 先进反应堆工程与安全教育部重点实验室，北京 100084）

模块式高温气冷堆技术由于其效率高、固有安全、用途广等诸多优势被认为是最有可能满足第四代核能系统要求的堆型之一［1-2］。2006年初，“大型先进压水堆及高温气冷核电站”被列为16个重大专项之一，计划开展高温堆关键技术研究并建立与之相应的工业体系，为高温气冷堆的商业化运行打好基础，保持我国在高温气冷堆领域的领先优势［3-4］。发展高温气冷堆技术是一项重大的国家战略，对于带动相关产业的发展具有重要意义。

目前，与高温气冷堆技术配套的工业体系方面，我国在设备制造国产化上已有所突破，但在材料配套工业方面尚有不足，诸多材料依赖进口，价格昂贵［5-6］。其实，目前国内工业界在高温材料研发、制造方面已取得了长足的进步，新材料、新工艺层出不穷。主要制约因素是国内针对高温气冷堆环境中的材料测试、考验等研究不足，很多材料能否在高温气冷堆环境氛围下应用尚不清楚。

为此，清华大学核能与新能源技术研究院研制了模拟高温气冷堆堆内温度、环境氛围的材料试验装置［7-8］。研究证明，高温气冷堆在极限事故工况下，堆芯最高温度也不会超过1 600 ℃。因此，该环境模拟装置设计为可进行1 600 ℃及以下高温碳还原环境下的实验，展开相关材料的研究工作。对材料测试装置而言，测试区内温度的稳定准确测量是实验成功进行的关键保障。实验中发现装置中心大电流加热带来的强电磁场对测试区内的热电偶信号施加了很大的干扰。本文针对该方面的问题，进行信号干扰的分析实验，明确干扰源及干扰途径，提出切实可行的解决措施，较好地解决高温堆环境模拟装置中的热电偶信号波动问题。

1 实验装置与现象

1.1 高温堆环境模拟装置内部结构

高温气冷堆环境模拟装置如图1所示，其主要目的是模拟反应堆堆芯内除放射性外的温度、气氛等环境，开展高温气冷堆相关材料的试验工作。

图1 高温气冷堆环境模拟装置Fig.1 Environment simulation facility of high temperature gas-cooled reactor

该装置的内部结构如图2所示。其总体结构设计成真空石墨电阻炉形式，中心采用1个圆柱形管状石墨电极作发热体，铜电极和石墨连接电极穿过下保温层连接到发热体，提供电能。石墨发热体外侧罩有1个石墨均温套筒，既起隔离作用，又能将周向温度均匀化。四周保温层采用碳毡材料，上下两端较厚，四周保温层较薄，使热量尽量沿径向传递。石墨均温套筒与保温层之间是宽度为100mm 的环形测试区，可放入各种待考验的材料。保温层外侧为双层水冷壁，同时也是炉内真空的密封边界。

在这种结构下，环形测试区内的温度可提升到设计要求的1 600 ℃，该温度覆盖了高温气冷堆在正常运行和极限事故下的全部温度范围。同时由于装置所有部件的材料均为碳素材料，因此营造了与高温气冷堆堆内相似的强碳还原气氛，可用于考验材料的抗渗碳能力。环境模拟装置中不同区域内均布置有测温热电偶，用于监测装置内温度场信息。其中保温层内热偶为K 型热电偶，环形测试区内布置的是以锻打钼管作保护套管的钨铼热电偶。实验数据采集选用的是英国施伦伯杰仪器公司生产的输力强分布式稳态数据采集器IMP。IMP 数据采集模块是为稳态数据采集设计的，单个通道的最高采集速率为8s-1，具有系统组成简单、高精度、抗干扰性能强、现场分散安装和适应恶劣环境等特点，适用工业环境下多路稳态信号采集监测。

图2 环境模拟装置内部结构Fig.2 Inside structure of environment simulation facility

1.2 实验现象

图3为1次钨铼热电偶在石墨球床中稳定性考验实验的温度记录数据。如图2所示，环境模拟装置的环形测试区中填满了石墨球，钨铼热电偶插入其中，外保护套管与石墨直接接触，考验热电偶保护套管的抗渗碳能力。该实验经历了升温、1 100℃左右保温、再升温到1 600℃左右保温的一个过程。可看到，环形测试区内温度升到了1 600℃，达到了设计要求。

图3 环形测试区内温度历史Fig.3 Temperature history in annular test zone

但是，在实验过程中发现，尽管实验的基本目标已经达到，环形测试区内石墨球床中钨铼热电偶的温度示值却并不稳定，波动很大。图4为测试区内钨铼热电偶在1 630 ℃保温阶段时的瞬时采集信号，采用的是输力强系统，每秒采集8个温度信号。可看到，虽然整体平均温度达到了设定值，但温度示值有着无规律的±25 ℃的高频波动。在本装置中，温度应是一种缓变量，这种频率的大幅波动不应是真实工况的反映，而应是受外在干扰所致的示值波动。这种示值波动对高精度的温度控制及测量无疑是影响很大的。

图4 加电阶段热电偶信号波动Fig.4 Fluctuation of thermocouple signal during power on

而在试验结束后，断电降温阶段，钨铼热电偶的信号波动现象消失，如图5所示，温度示值在平均温度附近仅有±0.5 ℃的示值波动。据此，可推测出测试区内的钨铼热电偶的示值波动应与中心石墨加热电极通电加热有关。

此外，在低温区也进行了对比试验，如图6所示，在100 ℃附近，一旦加热功率系统启动，测温热电偶的温度示值波动随之出现，仍有50 ℃的幅度。低温区的实验排除了热电偶受高温渗碳效应的影响因素。

图5 断电阶段热电偶信号波动Fig.5 Fluctuation of thermocouple signal during power off

图6 低温阶段热电偶信号波动Fig.6 Fluctuation of thermocouple signal during low temperature stage

2 功率系统分析与实验验证

高温气冷堆环境模拟装置采用的是低电压大电流直流供电方式。额定功率容量为72kW，额定输出电流1 800A，额定电压40V。功率调节系统采用可控硅移相触发方式实现输出电压无级调节，从而实现功率控制的目的。输出电压的调节范围为0～98%满量程。

2.1 功率系统结构

功率调节采用可控硅相控整流原理。每一相线上有两只反向并联的可控硅，通过控制信号实现电流双向流通。它是通过在每个周期内调节可控硅导通的时间（导通角）来控制输出功率的。在A、B、C 3点设置了3个触发同步信号，实现对导通角的精确控制。另外，采用电流反馈的方式，设置了D、E、F 3个电流取样点，当电流取样值和电流设定值不一致时，把偏差信号加到导通角控制端，增大或减小导通角，实现电流的负反馈，最终稳定到电流的设定值，即功率稳定到了设定值。功率调节电路示于图7。

功率控制系统与外部三相380V 动力电相连，再通过变压器、整流电路将交流电变成直流，提供给石墨电加热器使用。

2.2 实验验证

为了研究中心加热系统功率调节方式影响热电偶温度示值的干扰途径，采用NI高速同步数据采集板卡PXIe-6356，设计了装置加热电压、加热电流和热电偶信号的高速同步数据采集软件，对环境模拟装置在加热过程中的电压、电流和热电偶信号进行1 M／s速率的高速同步采集。取其中1个周期（0.02s）时间间隔内的20 000组测量数据进行分析。

高速采集的加热电压信号如图8所示。由图8可知，环境模拟装置的直流加热，电压并不恒定，而是类似全波整流的波形，由可控硅控制每个半波的导通宽度，进而调节平均电压。可观察到，在可控硅导通的瞬间，引起了加热电压的1个阶跃跳变。

高速采集的加热电流信号如图9所示。由图9可知，加热电流也并不恒定，而是类似三角波波形。可观察到，在可控硅导通的瞬间，由于电压的跳变，引起电流的瞬变，电流的平均值为400A 左右，但在突变的瞬间，电流存在大小在-1 000～3 000A 范围内变化的尖峰。

图7 功率调节电路Fig.7 Power regulation circuit

图8 加热电压信号Fig.8 Heating voltage signal

图9 加热电流信号Fig.9 Heating current signal

高速采集的热电偶温度信号如图10 所示。电流的瞬时剧烈变化引起了电磁干扰，在电流跃变点，热电偶的测温信号受到强烈干扰。由于热电偶信号为微小的mV 电势，电磁干扰引起的瞬态干扰量级达到了V 级，对应热电偶温度信号变化幅度可达数千℃。但可观察到，热电偶信号所受干扰并非在整个通电期间持续存在，而只是在可控硅导通瞬间存在瞬时尖峰干扰。

图10 热电偶信号Fig.10 Thermocouple signal

三者同步信号如图11所示，其中，为了幅值匹配便于展示，电压信号在作图时放大了100倍。可看到，加热电压、电流、热电偶信号的波动是同步的，且时间间隔固定。装置的供电由50Hz工业电经三相整流得到，所以干扰点出现的频率是300Hz，即热电偶信号在每秒内存在300个干扰点。高温气冷堆环境模拟装置所采用的IMP 数据采集器为稳态数据采集器，是一种低速数据采集。其硬件采用的是积分型A／D 结构，每秒采集8次数据，每次采集相当于测量了一段时间内的平均值。尽管其有一定的平均抗干扰作用，但由于干扰引起的温度跳变幅度达上千度，因此当AD 转换的积分过程中存在多个强烈干扰点时，测量结果必然受到干扰，表现出的则是无规则的幅度在50℃的波动。

图11 加热过程中电压、电流、热电偶信号同步变化Fig.11 Synchronization of voltage，current and thermocouple signal during power on

3 解决方案

针对上述由于功率系统可控硅调节导致的电磁干扰，最根本的办法是对电磁干扰进行屏蔽，但往往较为复杂也难以彻底消除。为此，采用了较为简单且实用的软件解决方案。考虑到干扰仅在有限点处存在且具有固定频率，如果数据采集系统以300 Hz的倍数或约数周期采集，如每 秒 采 集300、100、30、1 次 等，只 要 第1次采集没有与干扰点重合，则之后采集点处都能与干扰点错开，整个采集过程中都不会受到干扰。

对此进行了实验验证，通过NI数据采集系统在5Hz采样速率下对热电偶信号进行采集。实验证实，如图12所示，无论加热系统是否通电运行，温度测量原始数据波动均控制在1 ℃以内，能保障相关材料试验的顺利进行。

图12 NI系统5Hz采集数据Fig.12 Thermocouple signal based on NI 5Hz acquisition

在避开干扰点采集的基础上，利用NI的高速采集技术，对采集的数据进行平均化处理，采样频率仍为5 Hz，在每个采样点处高速采集500 个数据进行平均处理，得到的温度信号如图13所示，可进一步使采集的温度信号波动在0.1 ℃以内，可进行更高精度的温度控制实验。

图13 NI系统高速采集平均化效果Fig.13 Average effect of thermocouple signal based on NI high-speed acquisition

4 总结

为进行高温气冷堆相关材料的测试、考验工作，清华大学核能与新能源技术研究院研制了对高温气冷堆堆内环境进行模拟的实验装置，可模拟1 600 ℃及以下温度的高温碳还原环境。实验中发现装置的中心大电流加热产生的强电磁场对环形测试区内的热电偶施加了很大的干扰，使输出的温度信号附加了幅度达几十℃的高频无规则波动。基于NI高速同步采集技术，同步采集加热电压、电流、热电偶信号，进行了信号干扰的分析实验，明确了干扰信号来自功率系统的可控硅调节，发现了干扰信号仅存在于可控硅导通的有限点处且存在固定频率的规律。针对干扰信号的自身规律，提出了数据采集系统采样频率与干扰频率保持同步的软件抗干扰措施，较好地解决了高温堆环境模拟装置中的热电偶信号波动问题，保障了相关材料试验的顺利进行。

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