提高一回路冷却剂温度测量精度和可靠性

摘要:一回路冷却剂温度用于平均温度和温差计算,参与反应堆功率控制超温超功率△T保护等,是核电机组安全运行的关键参数。因此,保证其测量精度和响应时间具有重要意义。直接温度测量不满足技术规范精度要求,需进行系数修正。以往,通常采用修改插值函数和调节加法器系数进行修正。但多次修改插值函数存在人因风险。首次利用最小二乘法通过MATLAB计算出增益和偏置参数提前设置,并根据试验结果进行修正,大幅缩短了温度修正和交叉比对时间,并降低了人因风险。在国内核电首次采用回路阶跃电流响应法(LCSR)对热电阻响应时间进行了测量,及时发现了探头制造和现场安装的偏差,为后续机组的安全稳定运行奠定基础,也可为其他机组提供参考。
0引言
       反应堆冷却剂系统为压水堆核电机组--回路的主回路,在主泵的推动下强迫冷却剂循环流动,将堆芯中核裂变产生的热量过蒸汽发生器传输给二回路的给水，同时冷却堆芯，防止燃料元件超温而烧毁或损坏。目前,国内大部分核电机组采用“堆跟机”的运行方式即机组实时跟踪电网负荷。汽机的进汽压力转换为回路平均温度设定值。设定值与一回路平均温度的偏差进行核功率修正后,驱动控制棒使反应堆功率迅速跟踪二回路功率。一-回路冷却剂冷、热段温度作为一回路平均温度(Tavg)和冷热段温差(△T)的计算输人，是反应堆功率控制和反应堆保护的关键参数。
1热电阻,
       热电阻温度计利用金属或半导体的电阻与温度呈一定的函数关系,通过探测阻值的变温来实现温度的测量。考虑核电机组对测量精度、稳定性和响应时间等方面的要求,铂热电阻被广泛用作一回路测温元件。在0~650℃温度范围内，铂电阻Rt(Ω)与温度(t)的关系表达式为:
Rt=R0(1+At+Bt²)(1)
       式中:Rt为t℃时铂电阻值;R0为0℃时铂电阻值。根据国际温度标准ITS-90,A=3.9083x10^-3、B=5.7751x10^-7[3]。但根据制造工艺和水平不同,实际热电阻产品的A/B值与理论值略有差别。数字化控制系统中的温度测量卡件通常是按IEC60751制造的标准产品(4]”。为满足精度高的测量要求,需在分布式控制系统(distributedcontrolsystem,DCS)软件中进行额外的系数修正。
2核电应用
2.1一回路冷、热温度
       一回路按冷却剂温度的高低分为冷段和热段。某核电机组一个环路中，在热段设置了6个窄量程和1个宽量程热电阻、冷段设置了4个窄量程和2个双量程热电阻,用于测量一回路冷却剂的冷热段温度。一回路温度布置如图1所示。

       一回路冷段温度用于功率量程修正、超温△T设定值生成,并参与安全信号(S)生成逻辑计算。一回路热段温度参与堆芯补水箱驱动逻辑运算。冷热段温度除直接参与逻辑运算及反应堆保护外,还用于一回.路平均温度(Tavg)及冷热段温差(OT)的计算。Tavg及△T逻辑简图如图2所示。

2.2一回路平均温度(T)
       T是机组高功率模式下的反应堆功率控制的关键参数,参与机组稳压器液位控制和旁路系统在温度模式下的蒸汽排放阀控制。Tavg参与反应堆保护运算，如:在反应堆停堆信号触发且Tavg小于低2定值时,自动隔离主给水系统;在Tavg小于低2定值时,闭锁主蒸汽旁路排放阀开启。Tavg参与中子通量倍增闭锁及启动给水系统启动逻辑计算,主给水/化学和容积控制系.统隔离和汽机跳闸闭锁逻辑计算,以及蒸汽发生器液位低时非能动预热排出热交换器驱动闭锁逻辑计算。
2.3冷热段温差(△T)
       △T表征了反应堆的热功率水平。为防止反应堆超功率,其参与超功率△T保护和超温△T保护的计算。当△T低于某一限值时,产生裕量低保护信号,在闭锁控制棒提升同时触发机组快速降负荷。△T参与机组快速降功率逻辑运算,在条件满足时释放选定的停堆棒组、终止控制棒交换操作并触发汽轮发电机组以设定的速率快速降负荷。△T还参与反应堆冷却剂流量的补偿计算及轴向功率偏差控制带的计算,生成棒位插入限值(设定值)信号的计算，并在触发棒位低低信号时闭锁轴向功率偏差控制棒组的提升。
2.4反应堆功率控制
       反应堆功率控制系统是核电机组控制的核心系统。在高功率控制模式下,系统利用核功率与汽机功率的偏差,对--回路平均温度与设定值的偏差进行修正,得到功率设定值。控制棒组能响应反应堆功率控制系统的速度和方向信号。系统通过改变控制棒的位置来调节反应堆功率,实现一、二回路的功率平衡。目前,国内核电机组普遍采用“堆跟机”的运行模式，即当机组降功率时,通过汽轮机进汽压力函数产生的一回路平均温度设定值降低,将控制棒插人堆芯来降低.Tavg。当机组升功率时,函数产生的一-回路平均温度设定值升高,控制棒组将提升,以增加Tavg。反应堆功率控制需求逻辑简图如图3所示。

       一回路冷、热温度直接和间接参与了机组高功率模式下的反应堆功率控制、温度模式下的旁路旁放控制、超温/超功率保护等机组安全运行所必须的多项重要功能。因此,有必要采取措施,提高其测量精度和响应时间。
3技术要求
       一回路冷、热段温度为核安全相关设备,电气等级为C级、抗震I级,采用双支温度元件、四线制接线,在安全停堆地震(safeshutdownsarthquake,SSE)期间和之后能正常运行并维持特定的功能。为满足安全壳厂房压力、温度、辐射和振动等环境条件,护套材料采用304或316不锈钢,绝缘材料为高纯度的氧化镁[5]。当热电阻浸人329.4℃温度槽时，任何一-对引线之间测量的热电动势电压不得超过50μV。
3.1精度要求
       工业铂电阻常用的有A、B两个级别。A级测量范围为-200~+650℃C,B级测量范围为-200~+850℃。A级的允许误差为±(0.15+0.002×|t|),B级的允许误差为±(0.30+0.005x|t|)。式中:t为实际测量温度。综合考虑测量精度和采购成本等因素,核电站选用的是B级工业铂电阻温度计。核电机组在考虑测量精度和重复性误差的情况下，提出了新的精度要求:在0~329.4℃范围内,测量误差不超过±0.11C,迟滞误差不超过0.56℃和0.0022×(329.4-t)℃的较小值。为保证温度测量的稳定性,特别要求热电阻每年的漂移不超过±0.11℃,并在整个鉴定寿命周期内不超过±0.28℃。
3.2响应时间
       响应时间是温度传感器反应温度变化的能力,根据传感器本体储热能力及被测介质传递到传感器的热量的不同而不同。在一回路冷、热段温度发生变化时,热电阻的响应时间是--个很重要的参数,会直接影响机组功率控制和超温/超功率AT保护等反应堆保护功能的响应速度和精度。根据ASTME644工业电阻温度计的标准测试方法,一回路冷、热端温度热电阻在1m/s的流体中插人试验套管进行温度阶跃响应试验[],测量温度从初始值变化到阶跃响应试验目标值63.2%的时间。针对套管安装的热电阻,要求响应时间不超过4s,捆绑安装的热电阻响应时间不超过20s。
4保障措施
4.1安装检查
       参与机组调节及保护的热电阻均采用四线制接线方式,电流回路和电压测量回路独立分开。四线制接线完全消除引线电阻带来的误差,提高了测量精度。在安装前,对每个热电阻以正常极性和反向极性测量绝缘电阻,并记录两个极性的较低绝缘电阻读数。在环境温度时,利用兆欧表施加100VDC,在10s内测量RTD的绝缘电阻应大于100MΩ,在329.4℃利用兆欧表施加100VDC,在10s内测量RTD的绝缘电阻应大于20MΩ。热电阻和套管不匹配、安装气隙不满足要求是响应时间失效的主要模式。热电阻和套管之间的最小气隙可显著增加热电阻的响应时间。安装前,需严格核对热电阻和套管的匹配性,进行套管清洁,并严格按照导则要求安装热电阻['8]。
4.2计算修正
       热电阻在制造完成后需完成质量检验,确保符合B级工业热电阻的质量要求。每支热电阻在完成产品制造后，其电阻-温度特性曲线已经确定,通过产品检验报告即可获取。每支热电阻的实际电阻-温度转换参数与理论值略有差异。如某支热电阻的校验报告显示,在329.4℃时,电阻实测值为222.304Ω,而IEC60751的标准值为222.489Ω,偏差为0.185Ω。该结果满足B工业热电阻允许偏差±0.285Ω。但该结果超出了一回路温度测量要求的±0.11℃。DCS温度测量卡件通常是按IEC60751制造的标准产品，有必要通过软件计算对热电阻测量进行修正。在热电阻应用到现场前,需独立核算温度转换系数和A/B值的正确率,为后续修正提供基础。根据温度转换系数，计算公式为:

       式中:R₀、R₁₀₀、R₂₆₀均可以通过校验报告获取。
       代人热电阻实际校验数据,可计算出温度转换系数α=0.003847δ=1.51265。根据式(4)、式(5),可计算A、B数值:

       分别计算出A=3.9055×10^-3、B=-5.81967×10-7根据计算结果,可以对供应商的热电阻校验报告进行独立验证。为提高温度测量精度,需对测量温度进行修正计算:
 

       式中:T。为修正后温度;Tm为修正前测量温度。
考虑精度要求并结合数字化控制系统的特点,本
方案采用最小二乘法,通过Matlab软件对温度进行一
阶修正。具体程序如下:

程序中:x为测量温度,y为测量温度与标准温度的偏差。
       通过最小二乘法,计算出Gain=0.001445、0fset=0.079623。利用求得的系数对温度进行修正，修正后的最大温度偏差为-0.019℃,远小于技术规格书中±0.11℃的偏差要求。计算参数与供应商提供的参数基本-致,为后续自主开展热电阻更换和定期试验奠定了基础。
       热电阻校验及修正数据对比如表1所示。

4.3性能测试
       综合考虑一回路冷却剂温度及流速、热电阻与套管安装气隙等因素[9],需确保热电阻安装后在机组热停堆平台测试热电阻的实际响应时间T63.2不超过4s[10]。为使试验结果更正确反映现场实际情况,采用了回路电流跃所响应(loopcurtentsteprespouse,LCSR)试验法。该方法于20世纪80年代初由NRC批准,用于测量核电厂热电阻的响应时间。LCSR法利用惠斯顿电桥产生一个阶跃电流,作用于被测热电阻中产生焦耳热,导致热电阻产生温度瞬变;温度瞬变逐渐增加热电阻阻值,并在电桥输出处产生电压瞬变;利用计算机软件对瞬态数据进行采样和分析,并计算出响应时间“。作为LCSR的补充,还开展了自热试验,通过对热电阻施加小电流测量热电阻的稳态阻值,自热曲线的斜率(阻值/功率)通常与响应时间成正比。试验数据可为后续热电阻老化评估提供基础数据,为设备预防性维修提供依据。
       在此之前,国内核电均采用出厂校验数据的响应时间,未考虑现场安装因素和实际流体情况对响应时间的影响。试验方案对其他核电机组有--定借鉴意义。LCSR试验回路简图如图4所示。

5结论
       通过对热电阻进行绝缘电阻测试、响应时间测量、对热电阻供应商校验报告进行独立验证等手段,保障了热电阻制造及安装的质量。通过软件对热电阻特性系数进行线性修正,进一步降低了温度测量误差,提高了核电机组一回路温度的测量精度,满足了技术规范对一回路温度测量精度和响应时间的要求。正确的温度测量为核电机组反应堆功率控制和反应堆保护的可靠运行奠定了基础，为机组安全稳定运行提供了保障。增益和偏置参数修正法较M310机组常用的插值修正法，大大降低了工作时间和对机组运行状态窗口的要.求[2,并有效降低了人因失误的风险。该研究可为后续现场更换热电阻后对增益和偏置参数进行自主修正提供参考,为华龙及国和一-号等核电机组开展热电阻交叉比对和响应时间测量方法提供借鉴。