提高多基地堆芯饱和裕度测量稳定性方法的研究与实施

姜磊+张泽勇

【摘 要】堆芯最小饱和裕度是反应堆监视的重要状态参数之一，但核电厂由于采集板件设计不合理，导致在大修中容易引发最小饱和裕度不可用，从而使机组产生非计划性第一组I0。因此，需要研究一种可靠、稳定的测量方法，来避免堆芯最小饱和裕度的异常波动。

【Abstract】The minimum saturation margin of the core is one of the important state parameters for the monitoring of the reactor. However， due to the unreasonable design of the acquisition panel， it is easy to cause the minimum saturation margin to be unavailable in the overhaul， resulting in the generation of unplanned first group I0. Therefore， we need a reliable and stable measurement method to avoid the abnormal fluctuation of the minimum saturation margin of the core.

【关键词】CCMS；最小饱和裕度；调理模块

【Keywords】 CCMS； minimum saturation margin； conditioning module

【中圖分类号】TM623 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2018）02-0186-03

1 引言

百万千瓦级压水堆核电站堆芯温度和压力容器水位监测系统（简称为CCMS）是反应堆核心的监视系统之一，堆芯温度测量利用堆芯热电偶信号和反应堆冷却剂压力，计算出饱和温度及最低堆芯温度饱和裕度等数据；压力容器水位测量主要通过堆芯水位差压变送器信号、温度信号和压力信号，计算出堆芯水位，为操作员提供一回路的状态信息。

核电站运行技术规范要求：对于在RP、NS/SG、NS/RRA、一回路未充分开口的MCS模式下，堆芯饱和裕度测量必须可用。如果部分或全部失去堆芯饱和裕度测量，则机组记第一组I0，并须在规定期限内完成检修，否则机组向相应状态进行后撤。

多基地核电站CCMS系统受调理模块设计缺陷的影响，在热电偶绝缘及连续性测量的过程中，当前端热电偶信号断线或恢复时，调理模块输出会出现向量程上限阶跃跳变的现象，且系统无法对数据进行无效剔除，从而对堆芯饱和裕度计算产生干扰，导致最小饱和裕度测量值发生波动，引起机组产生非计划性第一组I0。

2 研究背景及意义

CCMS系统提供的堆芯最小饱和裕度是反应堆监视的重要状态参数之一，供操作员掌握一回路水位的相关信息，与核安全息息相关。但由于板件设计的固有缺陷，导致在大修中进行热电偶绝缘及连续性测量时容易引发最小饱和裕度不可用，从而使机组产生第一组I0，并占用大修关键路径时间。

因此，急需研究一种可靠、稳定的测量方法，避免最小饱和裕度异常波动问题的产生，从而有效节约关键路径、缩短大修工期、降低大修成本。

3 研究方法及可行性验证

3.1 概述

多基地CCMS系统，在堆芯热电偶断线及断线恢复时，由于其热电偶调理模块断线检测的特性，导致了堆芯最高温度（TMAX）增加，堆芯饱和温度裕度（ΔTSAT）减小。如果此时电站功率<10%FP，且ΔTSAT<报警限值（20℃），则触发堆芯饱和温度裕度低报警。

论文分析了堆芯热电偶断线及断线恢复时的瞬态过程，以及该过程对堆芯饱和温度裕度的影响机理，描述了在热停、冷停堆期间避免产生堆芯最小饱和裕度波动的方法。

3.2 热电偶断线及断线恢复分析

3.2.1 饱和温度裕度计算原理

①计算一回路饱和温度TSAT

计算公式为：TSAT=179.895+99.86X+24.38X2+5.67X3+0.935X4

X=log10PABS

一回路饱和温度的可用性：

A_TSAT=A_PABS；当A_TSAT=0时，TSAT保持上一周期的计算值，即TSAT=TSAT（n-1）。其变量名称和变量描述如表1。

②计算堆芯饱和裕度

计算公式为：

△TSAT=TSAT-TRIC-MAX

饱和裕度的可用性：

A_△TSAT=A_TSAT*A_TRIC-MAX，当A_TSAT=0时，TSAT保持上一周期的计算值，即△TSAT=△TSAT（n-1），其变量名称和变量描述如表2。

3.2.2 mv调理模块特性

热偶断线后，mv调理模块SAMK32A在不超过250ms的时间内，输出递增到最大电流（对应于1200℃）。断线恢复时，在不超过250ms的时间内，输出从最大电流递减至正常值。AI模块的采样周期为5ms，CPU的运算周期为25ms，因此，在热偶断线及恢复过程中，CPU将采集到多个周期的、虚假的、增大了的温度值。

在堆芯平均温度为300℃且稳定，堆芯最大温度为300℃，堆芯热偶有效数量超过15只，PABS=15.5MPa的情况下，实测断线时的△TSAT在100ms内降低1.2℃并恢复；如果断线时间超过3min，则断线恢复之后的第60s，△TSAT瞬时降低19℃，在此后逐渐恢复正常值。

3.2.3 堆芯热电偶断线

假设热偶断线前为300℃，该热偶温度为堆芯最高有效温度（TMAX），堆芯绝对压力不变（PABS）。断线后，mv调理模块在不超过250ms的时间内，输出递增到最大电流（1200℃），AI模块的采样周期为5ms，CPU的运算周期为25ms，因此，在温度达到1200℃之前，CPU将采集到多个周期的、增大了的、虚假的温度值。该温度值经过15s的滤波之后，温度将增大。滤波公式如下：endprint

经过10个CPU运算周期，该TC被置为无效，此时滤波后温度为305℃，即TMAX值将增加5℃，△TSAT下降5℃。

3.2.4 堆芯热电偶断线恢复

假设热偶断线时间足够长，堆芯平均温度300℃且稳定，正常温度300℃，堆芯最大温度300℃，堆芯热偶有效数量超过15只。

热偶接通后，mv调理模块输出下降，软件滤波后温度值经过60秒后，从最大温度（1200℃）递减到319℃，这段时间内堆芯平均温度变化超过了1℃/2分钟，因此不进行有效性校验，该热偶一直保持在无效状态。

第61秒，该热偶被置为有效，此时温度为318℃，TMAX从300℃变为318℃，第120s下降到300℃。而△TSAT则从下降18℃，到下降为0℃。

图3为热偶断线及恢复对△TSAT的影响。

3.3 热电偶绝缘及连续性测量方法的改进

综上所述，通过对调理模块输出特性的分析，如果采用传统的测量方法，将会对饱和裕度的计算带来影响，那么该如何对测量方法进行改进和优化呢？通过对带冷端补偿热电偶型模拟量输入卡件的研究，进一步发现：冷端补偿与热电偶的断线顺序也会对调理模块的输出产生影响，测试结果如下。

当测量端与补偿电阻均断线时，显示定值-325.0（-25%）；当测量端正常，补偿电阻断线时显示定值-325.0（-25%）；当测量端断线，补偿电阻正常时，显示定值1338.97（102.998%）。

从理论分析上来看，在进行热电偶绝缘及连续性测量时，先断冷端补偿，再断热电偶；断线恢复时，先恢复热电偶再恢复冷端补偿，这样将会使调理板卡的输出为量程下限，从而不会对最大温度和饱和裕度的计算产生干扰。但在现场的实际验证过程中，发现部分調理模块的输出特性并不稳定：在恢复冷端补偿时，输出值向量程上限发生了短时跳变，又一次对饱和裕度的计算产生了干扰。

那么，是否可以从算法逻辑上对调理模块的该特性缺陷进行屏蔽？下面对热电偶采集信号的算法逻辑进行了分析。

热电偶温度mV信号，经模拟量输入板卡，送CPU单元，逻辑处理分三路：

1路：送KIC/BUP显示，变量N*RIC***KM，该变量带状态位，无效时曲线用虚线显示；

2路：经一个15s的延时滤波环节，送入计算环节，其中包括温度裕度计算；

3路：取热电偶无效置量位，包括模拟量状态位置1、高低超限（0～1200℃），都将无效置量位置1，KIC显示变量为N*RIC***KS。

在现场工程师站进行了模拟试验，如果将第3路代表热电偶温度信号的质量位状态置于无效，那么就可以将该热电偶剔除，从而不会参与最大温度、平均温度和饱和裕度的计算。

至此，在进行热电偶绝缘及连续性测量时，堆芯最小饱和裕度异常波动的根本原因已查明，为调理模块本身设计缺陷所导致。为了从根本上避免该缺陷引起的饱和裕度不可用以及占用大修关键路径时间，对以往的测量方法从软件及硬件两方面进行了改进和优化，新的测试方法逻辑顺序为：

①将*AK的数值强制为OFF；

②断开冷端补偿电阻；

③温度显示无效，实时值置下限；

④断开热电偶；

⑤完成热电偶绝缘及连续性检查；

⑥放电；

⑦恢复热电偶；

⑧恢复冷端补偿；

⑨温度显示有效，KIC中确认实时值恢复到当前正常值；

⑩取消*AK强制。

4 结论

新的测试方法不仅从根本上避免了在进行热电偶绝缘及连续性测量工作中产生的堆芯最小饱和裕度不可用的现象，同时也杜绝了由此项工作产生第一组I0而占用大修关键路径的情况发生。随着这一方法在多基地机组大修中的成功应用，显现出了良好的经济效益和社会效益。endprint