基于TRICON系統實現堆芯冷卻監測系統數據采集處理功能的探討

楊鵬

（上海交通大學 電子信息與電氣工程學院，上海 200030）

1 前言

堆芯冷卻監測系統（ICCMS）是壓水堆核電廠事故后監視的重要組成部分，測量燃料組件出口處反應堆冷卻劑溫度和反應堆壓力容器液位，尤其在事故及事故后工況下進行連續的測量，主控室操作員在事故期間和事故后了解堆芯溫度、堆芯過冷裕度以及堆芯液位的變化趨勢等一回路的狀態，對可靠性和連續性有著很高的要求。基于上述要求，本文中所討論的方案采用TRICON控制器為主體，其采用了三重化結構設計技術（如圖1所示），確保了設備擁有足夠的容錯能力，能在來自內外部的瞬態故障或硬件故障的情況下提供不間斷的控制，滿足在線程序修改和在線模塊更換，為系統穩定運行所必須的可靠性與連續性的提供了保證。

2 硬件組成

該方案的硬件部分主要由下位機、上位機和維護計算機三個部分組成，如圖2所示。

2.1 下位機

下位機實現數據的采集與處理。采用的TRICON系統，包括一臺機架和若干功能模塊，模塊按功能可分為：電源模塊、處理器模塊、通訊模塊、熱電偶輸入模塊、模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊、數字量輸入模塊、數字量輸出模塊等。下位機采集的信號包括熱電偶（0mV~55mV）、主回路壓力（1V~5V）、壓力容器差壓（1V~5V）、P10信號（開關量）等類型。信號在接入模塊之前，先連接至專用的端子板，再經卡件與端子板之間連接的專用連接電纜進入模塊。如數字量信號端子板上安裝有保險管，可防止信號電流過大造成模塊損壞。

2.2 上位機

上位機的人機界面開發選用的是工控組態軟件WonderwareInTouch，根據不同的需求，針對不同的功能開發了多個界面，可方便地完成界面切換，實現所有信號和報警的顯示與記錄功能。

2.3 維護計算機

維護計算機中用于數據處理程序的編輯及維護。數據處理程序的編寫使用的Tristation 1131程序員平臺，采用的是FBD（函數方塊圖）圖形化語言，元素是以塊來表示，元素跟元素之間通過連線而形成網絡，具有直觀易懂的特點。維護計算機可實現參數與報警定值的修改。當系統遇到軟件故障或軟件丟失的情況時，維護計算機重新加載程序。在使用過程中，可根據需要對程序進行修改升級。

3 算法設計

方案主要是實現堆芯溫度與壓力容器水位兩大部分的計算功能。所有被采集的信號在參加計算，都需要進行有效性檢測，失效數據會給出報警及提示。

3.1 溫度計算

采集的熱電偶信號進入系統之后，會計算處在同一區域內熱電偶溫度最大值與最小值的差值，監測同一區域內溫差是否超過閾值。通過校核的主回路壓力信號會作為有效壓力，參與計算堆芯飽和溫度。飽和溫度計算公式為：

公式中的L=log10 P，P為有效壓力。

飽和溫度與熱電偶溫度與相比較后，得出對應的過冷裕度，其中最小過冷裕度是表征堆芯安全度的指標之一。

3.2 水位計算

正常運行期間，壓力容器內部通常是汽液共存的狀態。蒸汽密度和液體密度由有效壓力決定核經過選擇的溫度信號決定。根據主泵運行狀態，選擇對應量程的壓力容器冷卻劑差壓，可計算出精確水位或水位趨勢。在水位的計算中，要考慮安裝位置、靜壓等多個因素的影響，計算公式如下：

公式中，ΔPm為壓力容器差壓（當主泵都停運時，為窄量程差壓；至少1臺主泵運行時，為寬量程差壓）；ΔPref為參考量程壓力；C為安裝校正因子；α為壓力容器的鋼材線性膨脹因子；β為靜壓影響因子；P為主冷卻劑回路表壓；Ho為20℃時的壓力容器高度；g為重力加速度；ρV、ρL分別為蒸汽密度和水密度。

3.3 測試

該套數據采集處理系統完成后，在實驗室經過長時間的運行測試，性能穩定。測試過程中，對模擬的多個工況，都表現出了可靠的精度。測試結果表明，該系統能夠實現對現場信號進行有效的采集和處理，并且精度可以滿足要求。

結語

本文設計的方案利用TRICONEX系統實現ICCMS的數據采集處理功能，而TRICONEX系統的高冗余功能又足以保障可靠性和連續性，對核電站的安全運行和事故監測具有重要意義。同時，也為新建的核電廠的ICCMS設計提供了新的設計思路。

[1]何正熙，余俊輝，李小芬，等.SOP規程下堆芯冷卻監測系統的設計[J].核動力工程，2012（05）：107-110.