TRICON系统实现堆芯冷却监测功能的可行性分析

杨鹏，王中敬，姚彤

（中核核电运行管理有限公司，浙江 海盐 314300）

核电厂的堆芯冷却监测系统在正常、事故时、事故后不间断地监测堆芯温度分布、过冷裕量与压力容器水位等参数，这些参数属于事故后1级，因此系统可靠运行对机组的安全稳定有着重要的影响。为满足该系统的高可靠性需求，本文提出利用TRICON实现堆芯冷却监测功能，并分析其可行性。

1 系统要求

1.1 系统功能

堆芯冷却监测系统分为完全冗余独立的A、B两列，每列采集如下信号：（1）15个K型热电偶。（2）12个1～5V模拟量信号：2个冷却剂压力、3个稳压器压力、2个环路热管段温度、2个环路冷管段温度、1个窄量程差压、1个宽量程差压、1个参考量程差压。（3）3个开关量信号：1个P10信号、两台主泵运转状态。

对上述信号进行处理，可以实现连续温度测量，监测堆芯温度、饱和温度和过冷余裕度，在主泵都不工作时监测压力容器水位精确数值，在至少一台主泵工作时指示监测压力容器水位趋势。产生的主要监测信号有：（1）4个模拟量：窄量程水位、宽量程水位、堆芯饱和温度、堆芯最低过冷裕度。（2）4个开关量：过冷裕度低报警、水位低报警、水位低低报警、系统失效报警。

1.2 系统指标

系统运行需要满足如下指标：（1）系统工作电源：电压 187～242V，频率 47～53Hz，并且掉电 10ms不会产生故障或者电源重启的报警信号。（2）运行环境：温度10～30℃；湿度≤80%。（3）通道精度要满足：模拟量输入通道误差不超过±0.2%满量程；模拟量输出通道误差不超过±0.2%满量程；热电偶输入通道误差不超过±0.25%满量程。（4）响应时间：包括信号的采集、处理和输出过程，总时间应小于5s。（5）自检功能：系统具备自检功能，当执行自检时，系统功能不受影响，可定位出发生故障的部件，并具有就地指示功能。（6）采用独立的输入、输出端子模件。（7）可靠的、插入式的和防误安装的模件化设计。（8）模件支持热插拔。（9）模件实现物理隔离。

2 硬件选择

选择TRICON系统主要是基于其拥有强大的容错性能，且具有可编程和过程控制功能。TRICON系统通过三重模块冗余（TMR）（如图1）实现其容错能力。系统机架及模件都包含三条完全相同、相互独立的分路，并具备双路供电功能。

图1 TRICONEX控制器的三重模块冗余

分路之间相隔离，任何分路中的任何单点故障都不会影响到另外两条分路。如果其中一条分路出现问题，另外两条会对其进行补偿。

TRICON系统拥有多种模件可供选择，都配置机械键锁，防止在装备过程中出现失误。各输入输出模件都可采取“一用一备”的方式，任何维护活动，都可以在不影响系统在线运行的状态下完成。

TRICON系统能够监测瞬时和稳态故障，发现故障时，故障模件会通过指示灯来提醒。依据诊断信息，可以修正控制程序、实施维修操作。

TRICON系统还可承受温度为0～60℃、相对湿度为5%～95%工作环境条件。

目前TRICON系统已在国内方家山核电、福清核电、海南核电多台机组的RPR系统中进行应用，其安全性和可靠性得到了充分验证。

根据堆芯冷却监测系统指标要求、现场信号数量及类型，TRICON系统采用如下配置。

2.1 机架

采用一套机架8110N，提供槽位安装电源模件、主处理器模件、输入输出模件以及通讯模件。槽位决定了模件的逻辑地址，拥有L、R两个位置，分别安装工作模件和热备用模件。

机架上拥有三条总线系统，TriBus总线、I/O总线和通讯总线，都是三重冗余的，并提供双路冗余电路，通过两条互相隔离的电源轨道给每个模件配电。背板上安装有双重冗余电池组，在外部供电丧失的情况下，可保存主处理器模块中静态随机存取存储器的数据和程序达6个月以上。

2.2 电源模件

配置两块电源模件8312N，把220VAC电源转换成6.5VDC电源，每个电源模件都能单独给全部模件提供足够电力，一路电源模件或母线失效不会对系统功能带来干扰。

电源模件输出保持通常能保持80ms，在外部电源瞬时失去并恢复的情况下，既不会误发报警，也不会导致系统关闭。

2.3 主处理器模件

配置三块主处理器模件3006N，分别安装在机架插槽MPA/B/C。

主处理器模件的运算结果之间进行容错比较，如果其中一块主处理器模件的运算结果与其它两块的不一致，优先使用两个相同的信号，并校正不一致的信号。

主处理器模件拥有容量为2M静态随机存储器，保存控制程序与数据，接受电源或电池组供电。

2.4 热电偶信号输入模件

配置两块16路的热电偶输入模件3708EN，安装在卡槽2L/R，模件内部集成冷端，补偿范围为0～60℃。

模件各分路分别采集所有热电偶信号，进行线性化处理，完成冷端温度补偿，转换成温度，所产生的误差低于满量程的0.25%，并采取了选择中间值的方式来保证正确性。

2.5 模拟量信号输入模件

配置两块模拟量信号输入模件3700AN，安装在卡槽3L/R，最多能够收集处理32路0～5V标准信号，每间隔55ms扫描一次，提供6%的超量程测量能力。

模件的三条分路同时从接受来自现场的电压信号，误差不超过满量程的0.15%，采取选择中间值的方式保证正确性。

2.6 模拟量信号输出模件

配置两块模拟量信号输出模件3805EN，安装在卡槽4L/R，最多能够提供8路类型为4～20mA的标准电信号。

模件提供6%超量程保护，输出误差小于满量程的0.2%。三条分路生成的数据都会通过表决后，选择其中一个有效通道来输出，从而确保结果的正确性。

2.7 开关量信号输入模件

配置两块开关量信号输入模件3503EN，安装在卡槽5L/R，最多可以接受8路开关量信号，输入电压为24V，承受的最大输入电压为42.5V。

模件三条分路，各自对接收到的全部信号进行处理，再将其传递至主处理器。在主处理器处理之前，输入数据首先要进行表决，尽可能地确保统一性和可靠性。

2.8 开关量信号输出模件

配置两块开关量信号输出模件3604EN，安装在卡槽6L/R，最多可以输出16个开关量信号，输出电压为24V。

模件每一条分路都从对应的主处理器上接收数据，生成输出信号，应用“四方输出表决器”电路表决。

2.9 通讯模件

配置一块通讯模件4119AN，安装在机箱COM位置，模件共有4个串口通讯接口，1个并联通讯接口，实现与上位机通讯和程序下装功能。

此外，每块输入输出模件都连接着对应的终端面板和连接电缆，实现信号传输。

综上所述，所采用的TRICON系统硬件完全满足系统的工作指标、信号数量等需求。

3 程序开发

堆芯冷却监测的数据处理程序基于Tristation 1131开发，选择函数方块图（FBD）图形化语言，实现有效性判断、信号转换、压力筛选、温度计算、水位计算等功能。

以压力容器窄量程水位计算为例，计算公式如下：

公式参数含义及获取方式如下：

ΔPm：窄宽量程差压，直接测量；

βN：窄量程静压影响，固定参数；

P：压力校核后的有效压力，运算获得；

ΔPref：参考量程差压，直接测量；

c：安装校准系数，固定参数；

H0：20℃时压力容器水位，固定参数；

α：热膨胀系数，固定参数；

T DENS：压力容器水密度计算温度，运算获得；

ρV：蒸汽密度，运算获得；

ρL：水密度，运算获得；

g：重力加速度，固定参数。

在获取上述参数后，就可完成在主泵都不运行时的窄量程水位计算。程序实现如图2所示。

图2 窄量程水位计算

从图2中可以看出，函数方块图所采用的图形化形式，使各个功能模块通过连线形成网络，不但能实现运算功能，并且具备直观易懂的特点。

4 人机界面

人机界面需要实现以下功能。

（1）查看到重要数据、状态和报警，便于日常监视。

（2）显示各个输入信号的电信号和物理数值的界面。

（3）提供各个信号实时和历史趋势监测的功能，便于故障处理、事故后监测。

（4）提供报警信息的显示与查询功能。

人机界面设计采用Intouch组态软件，该软件经过长期测试和应用验证，具有强大的兼容性和开放性，并能提供数据库功能。

针对不同的需求可开发多个界面，可方便地完成界面切换，实现所有信号和报警的显示与记录功能。主界面如图3所示。

主界面中可以显示堆芯热电偶温度、反应堆压力容器水位、堆芯最高温度、堆芯饱和温度、堆芯最低过冷裕量等重要参数，还可以指示过冷裕量低、水位低/低低、堆芯冷却监测失效等堆芯状态报警。

在界面下部，分布多个按钮，可以点击选择各个参数不同显示方式，如数据列表显示、实时显示、历史显示等界面。人机界面能实现所有监测功能，且人机互动友好，查阅方便。

图3 主界面设计

5 测试验证

为验证TRICON系统所实现的功能、精度和可靠性，选用机组不同的工况进行测试。经过长时间的运行测试，该系统性能稳定。对于测试过程中模拟的多个工况，都表现出了可靠的精度。

以无主泵运行的其中一种工况为列，此时计算的是窄量程显示的水位精确高度，单位为m。在该工况下，主要参数的测试结果见表1。

表1 测试结果

从表1中可以看出，该系统计算结果误差都比较小。同时该系统能正常产生报警，验证了报警功能。在其他工况下，同样保持了良好的一致性。由测试结果可以看出，TRICON系统能够实现信号采集、处理、监测和报警，并且精度能够满足要求。

6 结语

通过上述分析和验证，TRICON系统基于三重模块冗余结构的高容错能力，可以有效保证堆芯冷却监测系统的可靠性和稳定性，并能完整实现运算和监测功能，具有实际应用的价值。

[1]李文平，张帆，吕渝川等.秦山核电二期工程堆芯测量系统设计[J].核动力工程，2003，224-226.

[2]焦欢欢，马晓晨.Tricon系统在方福项目反应堆保护中的应用[J].工业控制计算机，2012，（25）：59-62.