反应堆控制保护系统监测参数校准

王学杰,朱世雷 ,黄 文,代君龙,谢 俊,唐凤平

(中国工程物理研究院核物理与化学研究所,四川 绵阳 621900)

反应堆功率控制系统实时监测堆芯中子注量率,将堆功率信号提供给反应堆运行人员和功率控制系统。反应堆保护系统连续监督反应堆的状态,监测所确定的保护变量,当监测变量达到或超过保护整定值时,自动给出保护触发信号。

反应堆控制保护系统测量参数的准确性,系统工作的可靠性、稳定性都关系到反应堆的运行安全,特别是反应堆保护变量的测量精度,各个通道测量的一致性和保护触发的准确性是否符合运行限值的要求等,是调试的主要内容,也是反应堆运行期间关注的重点。

1 反应堆控制保护系统

反应堆控制保护系统包括：核测系统、保护系统、ATWS(Anticipated Transients without Scram)事故缓解装置、功率控制系统、报警系统、反应堆DCS(Decentralized Control System)和控制棒驱动机构。其功能是监测反应堆堆芯中子注量率、反应堆热工参数等,使反应堆按所需功率运行并维持相关参数在安全限度内。当被监测参数超过报警阈值时,发出声光报警信号,提醒操作人员采取纠正措施;当被监测参数达到或超过保护整定值时,向保护系统发出保护触发信号,实现安全停堆。

过程测量系统送保护系统的温度、流量、压力和液位等信号采用标准4～20 m A电流信号[1];核测系统的周期测量保护装置,送保护系统的堆功率增长周期信号,采用4～20 mA电流信号表示-5～∞～5 s,两者关系见图1;核测系统的功率测量保护装置,用4～20 mA电流信号表示堆功率有效值0.0～5.0,再配3位二进制数表示的功率档位信息,000～111表示1W～10 MW,8个数量级[2],功率测量保护装置输入与输出信号的关系见表1;电气系统、辐射防护系统送保护系统采用开关量形式。保护系统需要校准的是模拟量输入信号。

图1 周期测量保护装置输出4～20m A电流信号与周期的关系Fig.1 Relation betw een 4～20 mA current w ith reactor period output from period measuring protection equipment

2 过程测量系统校准

过程测量系统采用传感器、变送器和二次仪表分别校准的方法,再合成每个测量通道的测量误差。调试期间,过程测量系统的流量、温度、压力和液位变送器可以在计量站检定。流量仪表的传感器——孔板,用超声波流量计现场比对标定。堆芯出口温度和堆芯出入口温差,在反应堆工艺系统非核调试阶段72 h连续运行期间,随着堆池水温的升高(只运行一回路,不启动二回路冷却系统)同时进行了校准。

3 核测系统与保护系统接口

图2是核测系统一个通道与保护系统接口连接图。核测系统的小电流放大器将电离室传来的电流信号转换成0～5 V电压信号和二进制档位信息,分别送核测功率测量保护装置(以下简称功保)和周期测量保护装置(以下简称周保)。

功保将 0～5 V电压信号转换成4～20 mA的电流信号,包括档位信息经隔离后一起送保护系统和报警系统。

周保内的 MCU(M icrop rogrammed Control Unit)根据0～5 V电压信号和挡位信息,用软件计算的方法得到反应堆功率增长周期,并输出经隔离的4～20 m A表示周期的电流信号到保护系统。周保的MCU还将计算得到的周期信号经隔离后以11位二进制数的形式送报警逻辑柜。

反应堆保护系统接收功保和周保的输出信号,与保护设定值比较,若超过限制则触发停堆。保护系统监测参数除用于本机柜显示外,还以隔离的串行通讯方式转发给反应堆DCS系统。

由于报警逻辑柜是反应堆DCS的一个过程控制站,所以DCS系统也可以通过报警逻辑柜得到核测参数。这样在反应堆DCS系统中就有2组核测数据,一组是经保护系统转发来的数据;另一组直接测量的数据,形成功率超定值105%和周期小于 20 s的预报警“黄灯”信号。

4 功保的校准

根据1E级设备与非核级设备之间的隔离要求,功保输出信号采用了隔离措施。2个模拟量隔离模块将I/V转换结果0～5 V电压信号,再V/I变换成4～20 mA电流信号,输出到保护系统和报警系统。由于2路V/I转换器件产生的转换误差,2路4～20m A电流就不一致,再加上功保输出信号的接收端——保护系统与报警系统采集端口的测量精度也有区别,这样导致一台功保输出信号在保护系统与DCS显示值不一致。单独测试功保、保护系统与DCS的测量精度都满足技术要求,但连接在一起,误差叠加,整个测量通道的测量误差就不能接受了。表2列出功保3个测量通道的测量数据在保护系统与DCS的显示值。

表1 功率测量保护装置输入信号与输出信号关系对照表Table 1 Relation between input and outputsignals from reactor power measuring protection equipment

由于反应堆核功率保护定值是操纵员根据实际运行功率设定,堆运行功率为P,保护系统功率保护设定值为1.1P。保护系统监测的是功率的相对变化量,只要功保测量通道能保持线性关系就可以保证事故触发信号的准确。从保护系统3个测量通道的显示值可以看到,功保同一通道同一档位的线性度满足保护触发精度的要求。

反应堆预报警的功率定值是将保护系统的功率定值除以1.1再乘1.05得到的。

保护系统测量值与报警系统测量值过大的偏差,使得预报警信号不能与事故信号保持1.05∶1.1的比例关系,甚至预报警信号在事故信号之后触发。

图2 核测系统与控制保护系统接口连接图Fig.2 Interface between neutron fluxmeasurement instrumentation and reac tor control protection system

功保的校准采用软件修正的方法。通过修改报警逻辑柜内DCS过程站通道采集软件,使报警系统的测量值与保护系统的测量值一致,这样可以保证预报警信号与事故信号1.05∶1.1的关系,同时主控室计算机CRT上2个显示画面(经保护系统转发来的数据,DCS直接采集的数据)的功保数据也能保持基本一致。

表2 核测功保的测量数据在保护系统与DCS系统的显示值Table2 Power signals disp lay on the p rotection system and DCS

5 核测周保的校准

周保利用功保的I/V转换后的电压信号与挡位信息,通过软件计算得到反应堆功率增长周期,周期采用刻度。周保输出2路周期信号：一路是送报警系统的11位二进制数表示-5～∞～5 s(二进制数最高位是符号位,11111111111表示 -5 s,01111111111表示5 s,00000000000表示∞,二进制数与周期信号的关系见图3),二进制数由核测周保内的微处理器(MCU)直接驱动;另一路是送保护系统的4～20 mA电流信号,表示-5～∞～5 s。4～20 mA电流信号是周保内MCU将周期信号通过D/A转换变成0～5 V的周期信号,再 将0～5 V电压信号进行V/I变换后得到的。

图3 周保输出11位二进制数与周期信号的关系Fig.3 Relationships betw een 11 binary number w ith reac tor period output from period measuring protection equipment

表3是周保3个测量通道的测试结果。由于周保送保护系统的信号经过数字量到模拟量,模拟量再还原数字量的多次转换,转换过程引入了较大误差,甚至在周保输入端加10 s周期信号,保护系统都未能给出短周期事故信号。而采用二进制数传送的周期信号,没有数据转换过程引入的误差,信号接收端——DCS的显示值,与信号发送端——周保的测量值完全一致。周期信号的校准采用修改保护系统软件的方法校准。采用线性修正方法修正非线性信号(刻度),只能针对事故信号触发点进行修正,

表3 周保输出周期信号在保护系统和DCS系统的显示值Table 3 Period signal disp lay on the p rotection system and DCS

保证反应堆功率增长周期在10 s时,保护系统能触发事故信号。这样修正使得功率增长周期除了10 s这个测量点外,主控制室计算机CRT上,来自保护系统和来自报警系统的同一个测量参数——周期信号有2个不同的显示值。

核测周保输出电流从15.81～16.21mA,都代表10 s周期,保护系统用4～20 mA输入信号作为事故触发判断较线性刻度更精确,但作为运行时功率增长周期显示则不稳定。因为反应堆提升功率的倍增周期通常控制在60 s左右,12.68mA对应59 s,12.67m A对应60 s,0.01mA的变化对应1 s,不考虑周保信号的波动,测量系统引入的干扰就会使保护系统的周期显示数据跳动,影响运行人员正确读取数据。

6 结束语

通过开展控制保护系统监测参数的校准工作,提高了控制保护系统测量参数的可信度。准确触发预报警和事故信号是反应堆运行在安全限值之内的保证。

[1] 石铭德.反应堆保护系统设计说明书[R].清华大学核能与新能源技术研究院,2002.

[2] 李保祥.反应堆核测系统设计说明书[R].清华大学核能与新能源技术研究院,2002.