仪控系统阈值判决及核电站应用

刘华 黄奇 陈柯 刘朝晖 刘杰

(南华大学电气工程学院1,湖南 衡阳 421001;中国核动力研究设计院2,四川 成都 610041;南华大学计算机科学技术学院3,湖南 衡阳 421001)

仪控系统阈值判决及核电站应用

刘华1黄奇2陈柯2刘朝晖3刘杰3

(南华大学电气工程学院1,湖南 衡阳 421001;中国核动力研究设计院2,四川 成都 610041;南华大学计算机科学技术学院3,湖南 衡阳 421001)

基于物理参数的仪控系统阈值判决是核电站仪控系统的重要功能,但其存在阈值判决固定单一,缺乏与时间、工况的相关性等不足。对已有阈值判决进行改进和优化,通过分析研究,在安全前提下,从多种数据处理算法对比、阈值多级浮动、与具体工况相关联等方面作出改进。改进后的阈值判决有助于提升仪控系统的容错、故障诊断能力,减少不必要的停堆次数,提高了电厂的经济效益。

DCS 阈值判决 监测 鲁棒性 数据处理

0 引言

数字化仪控系统已在国民经济多个领域成熟运用,例如冶金[1]、化工、机械制造、常规发电[2]等行业。核电站数字化仪控(DCS I&C)系统是数字化技术在核电领域的集中应用[3],它是核电行业的必然选择和发展趋势。DCS I&C系统的重要功能包括监测、控制、保护等。这些功能都以核电站具体物理状态参数的阈值判决为前提。数字化系统与模拟系统的不同之处在于软件的大量应用。例如软件代码的编译执行、控制硬件实体及物理过程的软件指令,以及可以提高控制精度、实现复杂的控制逻辑。DCS I&C软件与硬件、网络共同构成DCS I&C系统,三者密不可分。DCS I&C系统对反应堆物理参数的阈值监测和判决是否准确、及时,直接影响DCS I&C软件对监控对象的正确控制、核电站生产控制系统运行的经济高效、反应堆保护系统的快速响应[4]、核反应堆故障早期检测[5],甚至整个核电站安全体系等。

1 物理阈值的安全意义

阈值是系统状态的反映,可以作为物理模型的安全上限或安全下限,是对实际物理过程、物理原理的精确计算或近似计算之后的数据结果。阈值是反应堆停堆系统、专设安全设施以及报警等是否启动的基准参考。核电站重要设计任务和理念之一即保护三道核安全屏障(燃料包壳、一回路压力边界和安全壳)的完整性。当反应堆运行参数达到危及三道屏障完整性的阈值时,反应堆保护系统启动相应动作[6]。例如核电站一回路的主泵转速监测[7]、压水堆核电站一回路硼浓度的阈值监测[8]等。

2 基于软件的阈值判决

2.1 阈值判决基本要求

DCS I&C软件阈值监测基本原理如图1所示。监测数据源是一个数据集合,由不同的传感器采集的各类丰富的物理数据构成。实际反应堆物理过程中的物理状态、参数经过数据采集、处理后,传送给DCS I&C软件的数据接口,为判决函数或判决模块提供控制判决的依据。阈值判决规则或者算法是以软件、硬件或混合方式存在于系统中,同时具有方便维护、快速更新的特点。阈值优化算法作为一个反馈环节,将传统的开环式固定阈值判决模式转变为稳定的闭环式阈值判决模式。

图1 仪控软件阈值判决框图Fig.1 Block diagram of threshold judgment in I&C software

软件阈值判决优化算法必须基于核电站反应堆的物理过程、反应堆结构、热工水力以及安全分析等。

本文不讨论反应堆物理模型的优化,不涉及阈值监测对象的选取,而是在这些已有模型、已知监测对象、已有监测变量的基础上,对这些对象的监测数据进行数据处理及优化,充分发挥仪控系统数学及信号处理能力强的优点。基于反应堆工程原理,结合热工水力,工程实际中选择哪些物理参数、阈值选取的多少,还应遵循核电站工艺要求,体现安全性和经济效益的双重考虑。

DCS I&C系统的阈值判决应满足准确性、完备性、实时性、鲁棒性。准确性指阈值参数准确体现反应堆稳定性控制要求。完备性指参数设置足够充分。实时性指阈值判决延迟不超过硬件及物理模型的控制范围,同时符合仪控系统的时间要求。鲁棒性指能够承受系统一定程度的各种扰动、变化。

2.2 已有阈值判决存在的问题

已有阈值判决存在以下几个问题。

①作为阈值判决的参考值,整定值固定单一,不能反映高度非线性、时变的反应堆系统。

②阈值判决,绝大部分是基于物理参数瞬时值与阈值的比较,不能体现数据间的时间相关性。

③阈值判决缺失与运行工况或运行瞬态的映射关系。

④阈值判决没有从系统、整体的角度出发,融合多个参数综合考虑。反应堆系统是复杂的非线性系统。单一参数的整定值缺失了反应堆复杂模型多个变量间的相互关联、相互制约。

⑤阈值判决不能完全体现反应堆,特别是反应堆本身的稳定性和自调节功能。

鉴于DCS I&C系统阈值判决存在的问题。对阈值判决进行改进和优化的方法有:改变单一固定的整定值,用适当浮动的整定值来替代;阈值监测必须体现时间相关性,考虑时间点以前一段时间的数据变化,并作出时间点以后一段时间的数据变化预测;建立阈值监测与运行工况或瞬态的映射关系,将映射关系转变成判决算法;透彻分析反应堆模型,适度合理地减少模型中由于保守原则而设置的过多安全裕量,充分体现反应堆本身的稳定性和自调节功能。

2.3 软件阈值判决优化

软件阈值判决优化包括有效滤波和浮动设置两大部分。有效滤波是指监测值转换为软数据后的数学处理,尽量去除干扰。浮动设置是指参数阈值本身按照一定比例的上下浮动。真实数据、测量数据、DCS I&C系统的接收数据、经过阈值优化算法优化后的软数据,从下往上依次构成了阈值判决的数据层次。阈值判决的数据层次如图2所示。

图2 阈值判决的数据层次Fig.2 The data hierarchies of threshold judgment

2.3.1 监测值数学处理

数学处理是针对不同的判决规则,通过归一化方式将不同的阈值判决统一转换成一类判决类型。对阈值判决,一般分为三种类型:①判决参数＞阈值;②判决参数＜阈值;③阈值1＜判决参数＜阈值2。利用数学处理,将后两种情况统一转换为第一种情况。

仪控系统中的函数计算模块可以嵌入多种算法。灵敏程度、实时性、保守性、处理误差等若干因素的算法比较如表1所示。

表1 数据处理的算法比较Tab.1 Comparison of the data processing algorithms

假设一个阈值判决周期里,某个参数对应的采样点数为M个,即at-M+1,…,at。令data={at-M+1,…, at}。单一值Tone=T,这里T即为基本阈值。通常,在给定堆型的某个具体核电站,在工况、DCS系统条件不变的情况下,T为一个固定的常数。

得到上述的Trms、Tcav、Tx、Tavg、Tmax、Tmin-Tsub-max、Tsub-min后,统一使用阈值判决三种类型中的第一种,即判决参数是否大于基本阈值T的模式来比较。

2.3.2 单阈值的两级浮动

如前所述,Tone是一个常数。将固定阈值Tone变为浮动的参数范围。有些文献设立两个级别的浮动范围[9-10]。一级浮动指标T(1±P1%),二级浮动指标T(1±P2%),不失一般性,0＜P1＜P2,可取P1=0.05, P2=0.1。多级浮动比一级浮动范围更大,增加了判决的灵活性,赋予仪控系统阈值判决更多的空间,用来适应和驱动更多类型的保护动作、安全专设等。

2.3.3 多参数阈值处理算法

针对不同堆型、不同反应阶段、不同燃料周期和不同的安全性判决要求,参数S1,…,SN具有不同的大小和量纲,那么Ci取值包含量纲和大小等因素。多参数处理的优势在于经过转换,一个多阈值判决转化为一个单阈值T*判决,多阈值的浮动算法也转化为单阈值的浮动算法。例如,式(1)中,参数S1,…,SN,对应的阈值为T1,…,TN,阈值系数为C1,…,CN,T*是一个集成的单一阈值。

3 阈值判决优化的特点

阈值优化判决的特点及意义如下。

①体现系统思想,全方位对多个参数进行组合式监测,能及时甚至提前发现可能的故障及失效,获得宝贵的时间裕量。

②核电站在确保安全的前提下,一定程度上提高了运行经济效益。

③有助于减少过多的误操作、误判决的次数,降低了对设备的损害,延长核电站服役年限。

④嵌入DCS I&C系统软件中的判决优化算法,减少甚至不需要人工干预,在事故工况时,仪控系统能在较长时间范围内自动运行。这也符合核电站非能动设计理念。

⑤利用数字化系统的软硬件技术,将阈值判决算法嵌入其中,提高系统软硬件的利用率,为未来智能化的核电站仪控系统奠定基础。

4 判决优化的工程应用

阈值浮动、不同工况下的同一参数对应不同阈值判决的两类情况,下文分析在建或在运行核电站中的具体实例。

4.1 参数阈值浮动范围

单一阈值的多级浮动,无论是三种阈值判决类型的哪一种,不同级别的浮动阈值之间有包含或重叠关系,更有浮动范围之间的实际差值。这种差值,在工程上对应着物理参数达到阈值的时间先后、概率大小、事件或事故严重程度的差异。

先进非能动型压水堆核电站AP1000中一回路稳压器压力阈值上限取16.69 MPa,下限取12.48 MPa。依据单阈值的两级浮动,若采用一级浮动阈值,上限阈值报警区间从单一固定值变为[16.69-16.69×0.05,16.69+ 16.69×0.05],即[15.86,17.52],单位MPa。相应地,下限阈值报警区间从单一固定值变为[12.48-12.48× 0.05,12.48+12.48×0.05],即[11.86,13.10],单位MPa。二级浮动阈值类似。

M310堆型中,蒸汽发生器水位范围为量程的30%～80%。若采用一级浮动阈值,上限阈值区间从80%变为[80%-80%×0.05,80%+80%×0.05],即[76%,84%]。相应地,下限阈值区间从30%变为[30%-30%×0.05,30%+30%×0.05],即[28.5%, 31.5%]。诸多安全判决中,涉及蒸汽发生器水位量程的还有低-低、高-高,甚至高-3等阈值量,都体现了多级阈值的思想。

4.2 同一参数的不同阈值判决

在反应堆设计中,为了保证反应堆的安全,在设计中总是要求核燃料元件表面的最大热流密度小于临界热流密度,即冷却剂带走的热量比核燃料释放的热量大,以防止堆芯过热融化。为了定量地表达这个安全要求,引入了偏离泡核沸腾比(departure from nuclear boiling ratio,DNBR)。DNBR是随着冷却剂通道轴向位置z而变化的,其最小值称为minDNBR,如果临界热流量的计算公式没有误差,则当minDNBR=1时,表示燃料元件发生熔化损毁。对于稳态工况和预计的事故工况,都要分别确定出minDNBR的值。压水堆稳态额定工况时一般可取minDNBR=1.8～2.2,而对预计的常见事故工况,则要求minDNBR＞1.3。

江苏田湾核电站是压水冷却慢化反应堆(waterwater energetic reactor,WWER)堆型。在线监测系统对燃料棒线功率密度、DNBR作出阈值判决[10],并考虑二类(pp-2)、一类(pp-1)、紧急的反应堆保护(EP)三类工况,设置对应的阈值比例关系EP∶pp-1∶pp-2= 1.05∶1∶0.98。

5 结束语

阈值是反应堆乃至整个核电站DCS I&C系统中重要物理参数的数值表达,这些重要物理参数涉及安全性、状态判决。物理参数集合对应的阈值集合,构成阈值判决的基础。通过分析已有阈值判决的缺点,从数据处理、阈值浮动、与工况相关联等方面作出改进,提出适合工程实际、可嵌入仪控系统函数计算模块的判决算法,并将单一参数阈值扩展到多参数阈值。在保证安全前提的条件下,改进后的阈值有时减少误操作、误停堆,有助于提高核电站运行的经济效益。

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[8] 赵毅强,姚秋果,常岩.基于FPGA的主泵转速监测系统的研发[J].核电子学与探测技术,2007,27(2):40-44.

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[10] 姚进国,杨晓强,李载鹏,等.线功率密度和DNBR保护在田湾核电站的应用[J].核动力工程,2012,33(z1):26-30.

Threshold Judgment of Instrument&Control System and Its Application in Nuclear Power Plant

The threshold judgment method based on physical parameters for instrument and control system is an important function of I&C in nuclear power plant,but some deficiencies,e.g.,single and fixed threshold judgment,and lack of correlation with time and working conditions.The existing method is improved and optimized,through analyzing and researching,the improving strategies are proposed,i.e., under the premise of safety,comparing a variety of data processing algorithms,threshold multi-level floating,and associating with specific working conditions.The improvement helps to upgrade the fault tolerance and fault diagnosis capabilities of the instrument and control system, and reduce the times of unnecessary shutdown,thus enhance the economical effects of the nuclear power plant.

Distributed control system(DCS) Threshold judgment Monitoring Robustness Data processing

TP273

A

修改稿收到日期:2013-11-25。

刘华(1979-),男,2007年毕业于中南大学控制理论与控制工程专业,获硕士学位,讲师;主要从事控制理论、核电站安全方面的研究。