三门核电堆芯热电偶冷端补偿分析及维护

2020-06-23王超

中国核电 2020年2期

王超

(三门核电有限公司，浙江台州 317112)

事故工况下，RCS过冷度是判断堆芯是否得到充分冷却最直观的参数，也是判断充足热阱存在的依据。堆芯出口热电偶作为反应堆燃料顶部冷却剂温度测量仪表，测量结果为核级数据处理系统冷却剂过冷度计算输入之一。其测量回路中，从冷端补偿铂电阻准确性至补偿算法的实现均对最终QDPS堆芯冷却关键状态树的路径选择有重要的意义。

本文通过对比分析堆芯热电偶冷端补偿方案，以及现场PMS补充测试中发现的问题与解决，并为今后堆芯热电偶的维护工作提出了合理的建议。

1 三门核电堆芯热电偶冷端补偿情况

热电偶的热电势是两个接点温度的函数差，只有当冷端温度不变时，热电势才是热端温度的单值函数。因此必须对热电偶冷端温度变化的影响采取补偿措施。目前在数字式控制系统中，通常采用I/O卡件内置温度传感器，实时检测冷端温度变化进行修正。

三门核电堆芯热电偶为取得准确的测量结果，未采用卡件内置温度传感器，而是在冷端接线端子处，设置了冷端补偿热电阻准确测量冷端温度，再通过高阶拟合多项式完成最终冷端补偿算法。堆芯热电偶冷端补偿电阻设置情况如表1所示。

表1 堆芯热电偶冷段补偿电阻布置情况

QDP机柜中AI687卡件拥有内置温度传感器，可执行冷端补偿功能，但实际应用中，QDPS设置AI687模块参考温度为0 ℃，如此输入的热电偶信号并未进行补偿。堆芯热电偶冷端温度通过外置冷端补偿铂电阻进行测量，通过补偿算法对信号进行补偿，以获得更准确的测量结果。热电偶的电势与温度之间的对应关系并非完全线性，通常使用最小二乘多项式对其进行高阶拟合。

整个冷端补偿算法中，主要涉及温度转换为对应电势和电势转换为对应温度两个计算。冷端补偿铂电阻所测得的温度，通过对应的转换关系转换为电势信号与实际测得的电势信号相加得到电势和。根据热电偶中间定律，电势和所对应的分度表上温度则为真实测量温度。堆芯热电偶冷端补偿算法根据标准IEC 60584-1第一部分EMF规范和公差附件A.7和B.7的温度电势正反转换公式实现。

2 三门核电堆芯热电偶冷端补偿情况

2.1 冷端补偿铂电阻偏差分析

堆芯热电偶测量过程中，不仅涉及偶丝部分的测量结果，也和实际冷端补偿温度测量息息相关。冷端补偿电阻温度的测量准确性将会直接影响到由电势和所计算得到的堆芯热偶温度。但是目前预防性维修大纲和调试维护、补充测试程序未涉及冷端补偿电阻的维护问题，而热电阻偏差后会导致测量偏差。

2.1.1 假定冷端补偿电阻偏差的理论计算

根据技术规范书要求，PMS机柜间温度需保持在19.4～25 ℃，机柜内由于电子元件发热，实际柜内温度稍高于环境温度在30 ℃左右。借用PMS补充测试中堆芯热电偶通道测试数据表的选点，100 ℃、395 ℃、690 ℃、985 ℃、1 280 ℃，对冷端补偿电阻偏差进行了如下理论计算。

假设一：冷端补偿电阻端接处，实际温度为30 ℃；

假设二：冷端补偿电阻测量分别产生了±1～±5 ℃的偏差。

根据标准IEC 60584-1温度电势正反转换公式，有：

(1)

式中：t90——温度，℃；

E——热电偶电势，μV。

式中的相关系数值如表2所述。

表2 c系数值

冷端温度电势转换公式

E(tRJ，0)=

(2)

式中:tRJ——冷端接线处温度，其他参数如下：

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。

冷端补偿铂电阻出现偏差时，由于其与堆芯热电偶测量回路并无物理关联，因此实际卡件接受到的热电偶测量信号仍为准确的相对于冷端30 ℃的电势信号。最终测量结果的偏差，是由于冷端补偿算法使用了错误的冷端温度导致。根据式(1)、式(2)以及热电偶中间温度定律利用2节中的冷端补偿原理算法，分别计算5个选点温度下，冷端补偿电阻发生温度漂移后的导致的实际测量结果偏差，其计算结果如表3所示。

表3 计算结果

2.1.2 理论计算结果分析

由理论计算结果可知，冷端补偿电阻偏差在±5 ℃范围内，其偏差1 ℃，引入的测量误差大概也在1 ℃左右。冷端补偿电阻温度漂移在3 ℃和-3 ℃，5个选点温度的测量误差最大的为1 280 ℃，误差为3.4 ℃和-3.5 ℃，已经达到了±3.5 ℃允许误差的最大值。而随着偏差增大，引入的测量误差的变化趋势也具有发散性。

2.2 错用冷端补偿算法对测量的影响

PMS系统进行堆芯热电偶通道检验时，采用测试小车(SIOS)作为信号输出源，使用普通连接线与PMS端接单元TU连接，冷端补偿温度为卡件补偿算法中的冷端补偿电阻温度。为避免环境温度波动对通道回路测试的影响，在MTP中强制冷端温度为固定值。而在首次测试中，补充测试程序对热电偶补偿算法的理解有偏差，导致该项测试在回归测试中需重新执行。

2.2.1 CET通道精度测试失败项

使用CPP-PMS-T1D-018 REV.5程序进行堆芯热电偶通道精度测试时，测试数据表要求强制冷端补偿铂电阻TB01、TB02/TC01、TC02为10 ℃，测试小车依次施加90 ℃、385 ℃、680 ℃、975 ℃和1 270 ℃对应的电势。而预期相应温度显示为100 ℃、395 ℃、690 ℃、985 ℃、1 280 ℃。所有的测试结果显示误差均在±3.5 ℃以内，满足通道精度要求。

分析此测试结果时，发现此种做法并不严谨。因为热电偶的热电势与温度之间的关系并非为线性关系，不可简单认为测点温度是实际测得电势对应分度表温度与冷端补偿温度的和。而应根据中间温度定律，获得冷端温度对应的电势与实际偶丝测得的电势和后，再转换为对应的温度。即热电势可以相加减，温度需转换为电势才能加减。

2.2.2 测试结果满足精度要求的原因

按照测试程序的要求，对真实进入冷端补偿算法的热电偶信号进行了理论计算，编制成表格如表4所示。

表4 测试方法的理论计算结果

按照程序中的测试步骤，实际输入最终电势-温度转换公式的电势信号为99.55 ℃、394.41 ℃、689.42 ℃、985.12 ℃和1 281.2 ℃所对应的电势，并非期望选择的温度测试点。该项测试结果满足通道精度要求的原因为误差要求±3.5 ℃对应的范围较大，而实际错误的做法所引入的误差最大为1.2 ℃(模拟1 280 ℃时)，尚未超出整个通道的精度要求，但却不能以此证明通道精度满足要求。

2.3 堆芯热电偶温度偏差对电站控制的影响

堆芯热电偶信号用于为PMS系统和DAS系统提供堆芯出口温度信息。正常工况下，测量并显示堆芯温度，而且作为过冷度函数计算块的其中一个输入，计算一回路过冷裕度，协助操纵员评估实际电站所处的状态。此外，其最主要的功能为在事故工况下，监控堆芯温度数据，确认安全系统执行了预期功能，堆芯燃料得到了有效的冷却，并为操纵员执行后续操作提供判断依据。

冷端补偿铂电阻出现偏差，将会影响所有使用其冷端温度数据的堆芯热电偶测量结果。若B或者C序列QDPC机柜中，某个冷端补偿铂电阻发生温度漂移，将会影响所对应的10支或9支热电偶的最终测量结果。对后续逻辑运算的影响主要体现在两个方面，一个为影响第五高堆芯热电偶温度数值(5th hottest core exit thermocouple temperature)；另一个则是影响该铂电阻所在半列温度均值(average bisector thermocouple temperature)，进而影响序列中两个半列温度均值的取大值计算。而这两个参数均为堆芯冷却CSF计算中的路径决定的直接因素。冷端补偿铂电阻出现的测量不准确，可能会导致堆芯冷却关键功能状态数路径选择出现偏差，误导操纵员执行错误的操作。

2.4 改进及建议

2.4.1 增加冷端补偿铂电阻预防性维护项目

根据上述章节分析，冷端补偿铂电阻的重要性应得到充分的重视。有必要将温度补偿电阻纳入预防性维修项目定期维护，以确保因补偿电阻偏差导致的测量误差不会导致堆芯热电偶测量回路的精度较大影响。可对其进行同类设备对比检查。可使用点温枪等测温设备定期测量温度补偿电阻的温度，与MTP或主控室中显示的温度参数进行对比。

2.4.2 冷端补偿温度选择的建议

在现场仪表调试及维护过程中，通常需要对仪表信号通道进行校验。应注意到在堆芯热电偶信号模拟与其他热电偶测点信号模拟时冷端补偿温度选择的区别。

调试维护中在就地仪表接线处注入模拟信号，验证整个信号回路的精度时，应设置信号发生器冷端补偿温度为环境温度而非机柜卡件处温度。就地热电偶至机柜卡件的信号线为补偿导线，挂接信号发生器后，补偿导线会在信号发生器处产生一个新的热电势。应设置信号发生器冷端补偿温度为环境温度补偿此新的热电势。对于机柜卡件接线处热电偶冷端产生的热电势，则由软件冷端补偿算法进行补偿。

对于堆芯热电偶，在调试和测试过程中，模拟信号的注入点在卡件接线端子处。连接信号发生器与卡件接线端子的若为普通导线，则此时整个通道回路并不会形成热电势，因此信号发生器的输出电势直接作用于卡件之上，此时应设置信号发生器的冷端补偿温度为补偿算法中的冷端补偿电阻温度，即MTP中显示或者强制的冷端补偿电阻温度。连接信号发生器与卡件接线端子的若为补偿导线，则与就地模拟热电偶信号类似，应设置信号发生器冷端补偿温度为环境温度。