CPR1000堆芯冷却监视系统整体架构剖析

陈良，王群峰，王刚，董伟鹤，王天军（中广核工程有限公司，广东 深圳 518120）

1 引言

CPR1000是在LA II基础上加以改进，同时考虑为实现自主化、国产化及大幅降低核电造价，最终采用了安全级数字化控制系统MELTAC平台+非安全级数字化系统HOLLIAS平台。

采用MELCTAC平台技术的堆芯冷却系统(CCMS)实现了RIC系统的两大功能，即燃料组件冷却剂出口温度的测量和压力容器液位的测量。其功能在CPR1000项目中纳入RPS范畴，安全功能等级属于1E级，由A/B列两个机柜实现了饱和裕度和压力容器水位的计算及显示。

2 系统架构剖析

整个CCMS系统层次架构清晰，主要由五部分构成，每个部分由若干个采集及计算模块组成，主要构成如下：

（1）相关输入信号采集：

一回路相对压力PRCP采集模块；

安全壳绝对压力PETY采集模块；

压力容器液位差压ΔP采集模块；

RCP主泵运行状态信号采集模块；

RPR保护信号(SI及P4)采集模块；

（2）热电偶有效性检验：

热电偶有效性验证筛选处理模块；

热电偶有效性验证前提条件处理模块；

热电偶有效性验证处理模块；

（3）堆芯饱和裕度计算：

一回路绝对压力PABS计算模块；

饱和温度TSAT计算模块；

饱和裕度ΔTSAT计算模块;

饱和裕度的不确定度Σ计算模块;

（4）压力容器液位计算：

反应堆冷却剂密度RHO计算模块；

压力容器满水位时的差压DPVSL100计算模块；

压力容器水位差压DPVSL计算模块；

压力容器水位计算模块；

（5）A列、B列计算结果互校：

互校可用条件处理模块；

互校处理模块；

输出显示处理模块。

CCMS通过硬接线及网络传送方式从现场变送器、反应堆保护机柜（RPC）和专设柜（ESFAC）分别采集堆芯热电偶温度，一回路冷却剂相对压力，安全壳大气绝对压力，压力容器水位差压等模拟量信号。

图1 数据处理过程

根据RCP主泵的运行状态及RPR保护系统状态（P4及SI）信号，将上述温度、压力等模拟量经过系列的复杂计算之后得到饱和裕度（ΔTSAT）和堆芯液位值（LVSL）。在满足一定的条件下，对冗余的A、B两列数据进行互校以整合出一组数据ΔTSAT和LVSL，并将其送BUP PAMS 指示仪表和KIC显示，其大致过程可用图1简要概括。

2.1 相关输入信号采集

对于相关模拟量输入信号采集，无论是从现场硬接线采集来的TRIC，还是从RPC机柜通过Data Link和Safety Bus传送过来的PRCP、PETY、ΔP信号，这些值在参与计算之前都需要进行信号可用性检查。在MELTAC平台中，通过POL图AUE(DUE)模块和高低阈值比较模块的判断输出是否可用。一旦发现该信号不信赖，则信号被剔除或者采用上一采集周期的值代替(CCMS的CPU处理周期为100ms)，同时产生相应的报警提醒操作人员。

2.2 热电偶有效性校核

热电偶有效性校核，首先会统计满足上述可用热电偶个数(NTA)及相应热电偶的平均值(TAVG)，只有在满足NTA大于NTAmin（15个），才能继续进行下一步的有效性校核，否则会中止整个校核过程，输出上一个周期的堆芯热电偶最大值（TRIC_MAX）及上一周期满足有效性的热电偶平均值（TRIC_AVG）。目前，40个热电偶中有38个堆芯出口处温度值将全部用于有效性校核，用于测量压力容器上封头温度的两个信号RIC002MT和RIC035MT不参与有效性校核。

除了需要满足NTA至少大于15个外，还有更严格的校核条件：①安注信号（SI）；②跳堆信号（P4）；③RCP主泵全部停止运行；④TAVG大于阈值（S_IVTAVG）；⑤平均温度变化不稳定。一旦满足上述任何一个条件，则立即停止校核过程，同样输出上一周期的TRIC_MAX和TRIC_AVG。核电站安全要求对于热电偶校核过程应在堆芯处于稳定情况下才投入运行，用于选出最能代表堆芯状况的热电偶。如上述校核条件均不满足，则针对每一个可用热电偶进行有效性校核，其大致过程为将可用热电偶与TAVG进行比较，若其偏差满足规定要求，则认为是有效热电偶，并且统计出满足条件的有效热电偶个数（NTV），最大有效热电偶（TRIC_MAX）及相应热电偶的平均值（TRIC_AVG）。如果NTV小于NTVmin，同样认为热电偶有效性校核处理过程失败，输出上一周期TRIC_MAX和TRIC_AVG。

2.3 堆芯饱和裕度计算

饱和裕度是一个用以描述堆芯冷却程度的物理量，需要通过当前工况下压力相对应的饱和温度求得，TSAT可以用下列公式表示：

饱和裕度，即最小过冷度为:

当堆功率低于10%Pn时，若△TSAT小于20℃，则会发出报警，告知操作员堆芯冷却不良。

Σ是用以描述△TSAT的不确定度，因为TSAT的计算是通过建立理想模型得到的，势必会与真实值存在一定的偏差，Σ正是对偏差值的修正。

Σ可由基于PABS的函数曲线给出，根据TRIC_MAX是否大于TRIC_RANGE（400℃）选择宽量程温度Σ曲线和窄量程温度Σ曲线。由于K型热电偶在高温和低温时的不同精度决定了选用两条不同Σ曲线。

2.4 压力容器液位计算

根据之前计算得到的TRIC_MAX、TRIC_HEAD、 PABS和TSAT，经一系列的热工计算公式可算出蒸汽密度（ρV）、液态水密度（ρL）、反应堆压力容器满水时堆芯部分水密度（ρVSL100），及压力容器满水时上封头部分水的密度（ρHEAD100）。

在机组正常运行时，压力容器内充满水。只有在失水事故下，由于上部充满蒸汽，这时才有测量液位的必要性。当水位过低时，堆内燃料组件有露出液面发生熔融的危险，此时对于LVSL的监测非常重要。

其中满水位时的压力容器差压（ΔPVSL100）为LVSL计算的一个输入参数。由于在正常工况下堆芯内流过的一回路冷却剂的动态压头的存在，在计算ΔPVSL100需考虑RCP主泵运行数量对其的修正。

CI系数：

计算堆芯液位值的另一个输入参数压力容器差压（ΔPVSL），代表了反应堆压力容器顶部与底部之间的总差压，其包括了一部分由液位高度形成的静态差压头，一部分流过堆芯的一回路流量动态压头，还有仪表管周围环境条件的变化及变送器安装，布置产生的误差。

Formula：ΔPVSL=ΔPM-ΔPREF-EC (EC=EC0+αEC*PRCP)

注：αEC为对一回路相对压力的修正因子。

由此可以得到压力容器液位：

Formula：LVSL=(ΔPVSL/ΔPVSL100-ρv/ρL) /（1-ρv/ρL）*100%（液位以%表示）

2.5 A /B列互校处理

CCMS A、B列互校的目的在于验证A、B列计算出来的△TSAT与LVSL保持一致，避免对操作员造成不必要的干扰，并且在事故后，操作员执行SOP一般都会使用互校后的数据。

正常情况下A、B两列通过RS485接口，以高达1Mbps的速度定期进行互校数据的相互传输，数据主要包括△TSAT及其有效性（A_△TSAT）、LVSL及其有效性(A_LVSL)，Σ及其有效性和RCP主泵运行个数。当数据交换过程中通讯发生故障，A/B列主泵数量不一致或者主泵数量尽管相等，但是等于2时，由于互校条件不满足，则各自直接将本列的△TSAT与LVSL输出显示。此外，由于某种原因，即使在满足互校条件的情况下也可以手动闭锁互校，分别输出两列结果。

当互校开始执行时，执行下列程序：

LVSL_I,TSAT_I为互校后输出的结果；

Lmin和Tmin表示A列和B列中液位和饱和裕度的小值；

LOK指：if |LA-LB|<2Σ’, then L=(LA+LB)/2,otherwise,L=min(LA,LB)

注：A_LVSL_A, A_LVSL_B, A_TSAT_A, A_TSAT_B分别简写成VLA,VLB,VTA,VTA,VTB；

TOK指：if |TA-TB|<ΣA+ΣB, then L=(TA+TB)/2,otherwise,L=min(TA,TB)

3 结语

CCMS尽管用于堆芯冷却状态及液位的监视，不参与反应堆的控制，但是其在正常运行工况及事故后，对于操作员能否采取正确的措施起着至关重要的作用。随着DCS技术的日臻成熟，CCMS的实现方式将会多种多样，但是其基本的架构和原理始终保持不变。

[1]广东核电培训中心编著.900MW压水堆核电站系统与设备 [M].原子能出版社.