基于TRICON系统实现堆芯冷却监测系统数据采集处理功能的探讨

杨鹏

（上海交通大学 电子信息与电气工程学院，上海 200030）

1 前言

堆芯冷却监测系统（ICCMS）是压水堆核电厂事故后监视的重要组成部分，测量燃料组件出口处反应堆冷却剂温度和反应堆压力容器液位，尤其在事故及事故后工况下进行连续的测量，主控室操作员在事故期间和事故后了解堆芯温度、堆芯过冷裕度以及堆芯液位的变化趋势等一回路的状态，对可靠性和连续性有着很高的要求。基于上述要求，本文中所讨论的方案采用TRICON控制器为主体，其采用了三重化结构设计技术（如图1所示），确保了设备拥有足够的容错能力，能在来自内外部的瞬态故障或硬件故障的情况下提供不间断的控制，满足在线程序修改和在线模块更换，为系统稳定运行所必须的可靠性与连续性的提供了保证。

2 硬件组成

该方案的硬件部分主要由下位机、上位机和维护计算机三个部分组成，如图2所示。

2.1 下位机

下位机实现数据的采集与处理。采用的TRICON系统，包括一台机架和若干功能模块，模块按功能可分为：电源模块、处理器模块、通讯模块、热电偶输入模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块、数字量输入模块、数字量输出模块等。下位机采集的信号包括热电偶（0mV~55mV）、主回路压力（1V~5V）、压力容器差压（1V~5V）、P10信号（开关量）等类型。信号在接入模块之前，先连接至专用的端子板，再经卡件与端子板之间连接的专用连接电缆进入模块。如数字量信号端子板上安装有保险管，可防止信号电流过大造成模块损坏。

2.2 上位机

上位机的人机界面开发选用的是工控组态软件WonderwareInTouch，根据不同的需求，针对不同的功能开发了多个界面，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。

2.3 维护计算机

维护计算机中用于数据处理程序的编辑及维护。数据处理程序的编写使用的Tristation 1131程序员平台，采用的是FBD（函数方块图）图形化语言，元素是以块来表示，元素跟元素之间通过连线而形成网络，具有直观易懂的特点。维护计算机可实现参数与报警定值的修改。当系统遇到软件故障或软件丢失的情况时，维护计算机重新加载程序。在使用过程中，可根据需要对程序进行修改升级。

3 算法设计

方案主要是实现堆芯温度与压力容器水位两大部分的计算功能。所有被采集的信号在参加计算，都需要进行有效性检测，失效数据会给出报警及提示。

3.1 温度计算

采集的热电偶信号进入系统之后，会计算处在同一区域内热电偶温度最大值与最小值的差值，监测同一区域内温差是否超过阈值。通过校核的主回路压力信号会作为有效压力，参与计算堆芯饱和温度。饱和温度计算公式为：

公式中的L=log10 P，P为有效压力。

饱和温度与热电偶温度与相比较后，得出对应的过冷裕度，其中最小过冷裕度是表征堆芯安全度的指标之一。

3.2 水位计算

正常运行期间，压力容器内部通常是汽液共存的状态。蒸汽密度和液体密度由有效压力决定核经过选择的温度信号决定。根据主泵运行状态，选择对应量程的压力容器冷却剂差压，可计算出精确水位或水位趋势。在水位的计算中，要考虑安装位置、静压等多个因素的影响，计算公式如下：

公式中，ΔPm为压力容器差压（当主泵都停运时，为窄量程差压；至少1台主泵运行时，为宽量程差压）；ΔPref为参考量程压力；C为安装校正因子；α为压力容器的钢材线性膨胀因子；β为静压影响因子；P为主冷却剂回路表压；Ho为20℃时的压力容器高度；g为重力加速度；ρV、ρL分别为蒸汽密度和水密度。

3.3 测试

该套数据采集处理系统完成后，在实验室经过长时间的运行测试，性能稳定。测试过程中，对模拟的多个工况，都表现出了可靠的精度。测试结果表明，该系统能够实现对现场信号进行有效的采集和处理，并且精度可以满足要求。

结语

本文设计的方案利用TRICONEX系统实现ICCMS的数据采集处理功能，而TRICONEX系统的高冗余功能又足以保障可靠性和连续性，对核电站的安全运行和事故监测具有重要意义。同时，也为新建的核电厂的ICCMS设计提供了新的设计思路。

[1]何正熙，余俊辉，李小芬，等.SOP规程下堆芯冷却监测系统的设计[J].核动力工程，2012（05）：107-110.