三门核电反应堆冷却剂温度交叉校准研究

何飞军

（三门核电有限公司，浙江 三门 317100）

三门核电一回路包含60 个PT100 热电阻用于冷却剂温度测量，所有的热电阻为双支热电阻，量程为10℃～371.1℃。这些热电阻信号送往保护系统4 个序列，作为保护系统的重要关键参数，用于超温/超功率停堆、生成允许信号和参与专设保护功能。

1 交叉校准适应性和必要性

在压水反应堆电站通常会定期对热电阻进行校准以修正仪表的漂移和精度偏差。交叉校准作为一种在线监测技术，可在机组正常停堆或启动过程中，对冷却剂回路热电阻进行在线校准，及时纠正因热电阻各种原因带来的测量偏差问题。同时，三门核电交叉校准的使用可以避免因热电阻拆装带来的响应时间测试问题。

1.1 热电阻测量精度偏差因素

核级热电阻本身具有较好的稳定性，出厂设计精度偏差控制在±0.11℃之内，整个20 年服役寿期精度偏差控制在不大于±0.28℃，但在实际使用过程中，受修正模型、安装和现场环境等因素的影响，热电阻测量结果上会出现一定的偏差。而交叉校验的使用，可以很好地修正这类偏差。

1.1.1 热电阻修正模型

根据IEC60751《工业铂电阻温度计和铂温度传感器》标准规定[1]，热电阻校准模块的修正模型通常使用二次曲线模型，一般使用3 个或者5 个标定点，存在非标定点的测量精度的偏差。

1.1.2 现场工作环境

三门核电冷却剂回路热电阻所处的工作环境相比其他回路中的热电阻要复杂许多，高温、高压、高辐射及振动都会加速热电阻的老化，导致热电阻测量精度随着工作时间的推移而改变，产生所谓的仪表漂移现象。根据TR-1003099 报告显示，反应堆冷却剂回路对热电阻的影响是随机的，漂移结果有正向的，也有反向的[2]。这种随机的漂移，对保护系统安全功能的执行是一种风险挑战。

1.1.3 热电阻安装方式

三门核电反应堆冷却剂热电阻全部采用四线制连接方式，相比于二线制和三线制，在测量精度上已有很大提高。但考虑到热电阻在整个信号传递过程中，受线路电阻的影响，电压信号可能会在信号线上存在微小的分压情况。此外，在保护系统内也会因板卡精度等问题引入一定的偏差量，使得整个热电阻最终测量结果存在一定的随机性偏差，即使整个过程引入的偏差量很小。

1.2 热电阻响应时间测试要求

根据三门FSAR 的要求，反应堆停堆和专设功能相关的仪表需每24 个月执行一次响应时间测试，包括反应堆冷却剂温度测量元件热电阻。根据该技术规范要求，除了定期执行热电阻响应时间测试之外，对于新更换的热电阻或者重新安装的热电阻均需要重新进行响应时间测试，避免因热电阻重新安装带来的响应时间不合格问题。而交叉校验的使用，在参数可修改的情况下，可避免热电阻响应时间测试。

2 交叉校准的应用

交叉验证作为一种在线监测技术，用于验证一组或者一系列测量同一参数/物理量的冗余传感器性能，通过对一定数量的冗余传感器数据进行处理，得到接近现场真实物理量的计算值，之后将单个传感器数据与计算值进行比较，最后通过最小二乘法数据拟合手段得到最终输出[3]。

三门核电保护系统对于热电阻温度转化，在二次曲线模型的基础上，增加了五点温度的线性修正，修正函数为Tc= Tm + offset+ gain*Tm ，其中Tc 为补偿后的温度，Tm 为实际测量温度。该线性修正函数与交叉校准最小二乘法的修正可以做到匹配，简化了热电阻的修正。

2.1 交叉校验技术数据源

交叉校验数据采集一般在上层仪控系统进行，在常规模拟量电站，可通过传统数据采集装备（例如数据采集仪），在仪控机柜I/O 卡上进行数据采集，并进行必要的电压/电阻到温度的转化；对于数字化仪控平台，数据采集可通过专用仪控数据获取系统（例如电站控制系统），直接保存和导出历史数据即可，也无需进行数据类型的转化。两种方式都可以实现对数据的采集工作，但从实际操作来看，数字化仪控系统在这方面更具有优势。

在数据采集过程中，对于等温平台（一般温度变化在±0.15℃～±0.3℃）和非等温平台的情况，两者的数据采集要求有些差异，采集数据要求也会不同。等温平台可以一次性实时采集全部数据，一般在5 个温度平台完成数据采集，采样频率为1s，每个温度平台持续采样10min；非等温平台（温度以一定的速率改变）可采用斜波数据采集方式（数据采集从1 到N，再从N 到1，反复交替），数据样本与等温平台要求基本一致[4]。

2.2 交叉校验数据修正

除了考虑到仪表漂移问题，现场数据采集过程中还可能存在一回路冷却剂温度波动的情况和温度不一致性的问题。对于温度波动导致的数据问题，可采用标准方差计算方式进行数据判定和剔除，具体计算方式如下[5]：

1）计算每个温度平台下，每个热电阻的标准方差STD。

2）计算每个温度平台下每个STD 的均值AVE 和标准差σAVE。

3）计算每个温度平台下每个STD 和AVE 的差值Δ。

4）数据有效性的判定|Δ|≤σAVE，保留数据，否则剔除数据。

对于漂移和温度不一致性问题，可以通过多次测量求平均值的方法来消除，而且参与的热电阻数量越多，平均值越接近于真实值。但实际应用中，只有无堆芯衰变热的情况，所有冷、热段热电阻才参与均值计算。对于存在堆芯衰变热的情况，4 个冷段和2 个热段将分别进行计算，因受参与均值计算热电阻数量的影响，可能会使得真实温度确认存在一定的偏差。

2.3 交叉校验计算

在完成数据源的采集和处理后，可对数据进行交叉校验计算，如图1 所示。交叉校验过程中，应按照以下步骤执行[6]：

1）计算每个热电阻在每个温度平台的均值。

2）计算每个温度平台所有选择热电阻的均值（或者中值）。

3）超差数据判定和有效性计算。

4）如有超差数据存在，重新计算每个温度平台所有选择热电阻的均值（或者中值），反复执行，直到所有数据满足验收准则。如无超差数据，结束交叉校验。

图1 热电阻交叉校验计算流程图Fig.1 Flow chart of calculation of thermal resistance cross-check

图2 偏差修正效果图Fig.2 Effect of deviation correction

5）超过数据判定，更换热电阻或者对热电阻参数进行修正。更换热电阻，重新开始数据采集，并从步骤1 重新计算。

6）获取当前系统配置的热电阻参数，进行测量温度的计算。

7）采用最小二乘法对测量温度进行重新线性拟合，重新确认热电阻修正参数。

8）系统内输入新的热电阻参数，结束交叉校验。

2.4 交叉校验结果处理

热电阻交叉校验后会给出两种结论：是否调整gain 和offset 或者更换热电阻。从当前三门核电试验结果分析，一般在热电阻安装后的首次交叉校准过程中，不会涉及热电阻更换，一方面新的热电阻不会在这么短的周期内发生大的性能漂移，另一方面三门核电执行的热电阻响应时间测试可以验证热电阻性能良好，测量数据的偏差一般是由于安装和接口系统带入，通过参数修正的方式可以消除偏差。图2 是基于三门2 号机组交叉校验的结果，明显可以看出数据的偏差得到了有效的纠正，确保了后续机组运行过程中测量的一致性。然而，对于多个运行周期后的交叉校验结果，选择参数调整或者热电阻更换，一是需要结合早前的测试数据进行性能趋势分析，二是需要参考同一品牌热电阻的历史运行数据。

3 交叉校准技术的局限性

交叉校准作为一种在线监测技术，可以给热电阻校准带来很大的便利，可以及时发现热电阻的偏差问题和性能下降趋势，并采用一定的方法加以修正。但交叉校验也存在一定的局限性：

1）交叉校准数据需要足够量的样本数据。三门核电首次启动过程中，所有热电阻参与计算。但在换料阶段，冷、热段回路分开计算，外加衰变热引起热段温场不均，大大减少了样本数量，影响最接近温度的判定，会给后续偏差修正带来一定难度。

2）对于同向漂移无法进行确认和评估。热电阻的漂移是随机的，如果同一回路发生多个热电阻同向漂移时，会使得计算结果偏向漂移方向，增加系统计算误差。

3）热电阻老化会使得热电阻参数修正失效。由于热电阻老化时间的不确定性，在热电阻交叉校准后，可能会因热电阻进入老化期，导致校准后数据再次发生较大偏差。

4 结论

交叉校准虽然在实际应用过程中可能有一定的局限性，但作为一种在线监测方式，可以在线对热电阻进行性能监测和分析，及时发现热电阻偏差和性能下降，并根据测试结果做出正确的响应，以提高信号的可靠性和准确性，提高保护系统的实效性和安全性，对于核电厂安全运行和经济运行有着积极的作用。