TRICON系統實現堆芯冷卻監測功能的可行性分析

楊鵬，王中敬，姚彤

（中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300）

核電廠的堆芯冷卻監測系統在正常、事故時、事故后不間斷地監測堆芯溫度分布、過冷裕量與壓力容器水位等參數，這些參數屬于事故后1級，因此系統可靠運行對機組的安全穩定有著重要的影響。為滿足該系統的高可靠性需求，本文提出利用TRICON實現堆芯冷卻監測功能，并分析其可行性。

1 系統要求

1.1 系統功能

堆芯冷卻監測系統分為完全冗余獨立的A、B兩列，每列采集如下信號：（1）15個K型熱電偶。（2）12個1～5V模擬量信號：2個冷卻劑壓力、3個穩壓器壓力、2個環路熱管段溫度、2個環路冷管段溫度、1個窄量程差壓、1個寬量程差壓、1個參考量程差壓。（3）3個開關量信號：1個P10信號、兩臺主泵運轉狀態。

對上述信號進行處理，可以實現連續溫度測量，監測堆芯溫度、飽和溫度和過冷余裕度，在主泵都不工作時監測壓力容器水位精確數值，在至少一臺主泵工作時指示監測壓力容器水位趨勢。產生的主要監測信號有：（1）4個模擬量：窄量程水位、寬量程水位、堆芯飽和溫度、堆芯最低過冷裕度。（2）4個開關量：過冷裕度低報警、水位低報警、水位低低報警、系統失效報警。

1.2 系統指標

系統運行需要滿足如下指標：（1）系統工作電源：電壓 187～242V，頻率 47～53Hz，并且掉電 10ms不會產生故障或者電源重啟的報警信號。（2）運行環境：溫度10～30℃；濕度≤80%。（3）通道精度要滿足：模擬量輸入通道誤差不超過±0.2%滿量程；模擬量輸出通道誤差不超過±0.2%滿量程；熱電偶輸入通道誤差不超過±0.25%滿量程。（4）響應時間：包括信號的采集、處理和輸出過程，總時間應小于5s。（5）自檢功能：系統具備自檢功能，當執行自檢時，系統功能不受影響，可定位出發生故障的部件，并具有就地指示功能。（6）采用獨立的輸入、輸出端子模件。（7）可靠的、插入式的和防誤安裝的模件化設計。（8）模件支持熱插拔。（9）模件實現物理隔離。

2 硬件選擇

選擇TRICON系統主要是基于其擁有強大的容錯性能，且具有可編程和過程控制功能。TRICON系統通過三重模塊冗余（TMR）（如圖1）實現其容錯能力。系統機架及模件都包含三條完全相同、相互獨立的分路，并具備雙路供電功能。

圖1 TRICONEX控制器的三重模塊冗余

分路之間相隔離，任何分路中的任何單點故障都不會影響到另外兩條分路。如果其中一條分路出現問題，另外兩條會對其進行補償。

TRICON系統擁有多種模件可供選擇，都配置機械鍵鎖，防止在裝備過程中出現失誤。各輸入輸出模件都可采取“一用一備”的方式，任何維護活動，都可以在不影響系統在線運行的狀態下完成。

TRICON系統能夠監測瞬時和穩態故障，發現故障時，故障模件會通過指示燈來提醒。依據診斷信息，可以修正控制程序、實施維修操作。

TRICON系統還可承受溫度為0～60℃、相對濕度為5%～95%工作環境條件。

目前TRICON系統已在國內方家山核電、福清核電、海南核電多臺機組的RPR系統中進行應用，其安全性和可靠性得到了充分驗證。

根據堆芯冷卻監測系統指標要求、現場信號數量及類型，TRICON系統采用如下配置。

2.1 機架

采用一套機架8110N，提供槽位安裝電源模件、主處理器模件、輸入輸出模件以及通訊模件。槽位決定了模件的邏輯地址，擁有L、R兩個位置，分別安裝工作模件和熱備用模件。

機架上擁有三條總線系統，TriBus總線、I/O總線和通訊總線，都是三重冗余的，并提供雙路冗余電路，通過兩條互相隔離的電源軌道給每個模件配電。背板上安裝有雙重冗余電池組，在外部供電喪失的情況下，可保存主處理器模塊中靜態隨機存取存儲器的數據和程序達6個月以上。

2.2 電源模件

配置兩塊電源模件8312N，把220VAC電源轉換成6.5VDC電源，每個電源模件都能單獨給全部模件提供足夠電力，一路電源模件或母線失效不會對系統功能帶來干擾。

電源模件輸出保持通常能保持80ms，在外部電源瞬時失去并恢復的情況下，既不會誤發報警，也不會導致系統關閉。

2.3 主處理器模件

配置三塊主處理器模件3006N，分別安裝在機架插槽MPA/B/C。

主處理器模件的運算結果之間進行容錯比較，如果其中一塊主處理器模件的運算結果與其它兩塊的不一致，優先使用兩個相同的信號，并校正不一致的信號。

主處理器模件擁有容量為2M靜態隨機存儲器，保存控制程序與數據，接受電源或電池組供電。

2.4 熱電偶信號輸入模件

配置兩塊16路的熱電偶輸入模件3708EN，安裝在卡槽2L/R，模件內部集成冷端，補償范圍為0～60℃。

模件各分路分別采集所有熱電偶信號，進行線性化處理，完成冷端溫度補償，轉換成溫度，所產生的誤差低于滿量程的0.25%，并采取了選擇中間值的方式來保證正確性。

2.5 模擬量信號輸入模件

配置兩塊模擬量信號輸入模件3700AN，安裝在卡槽3L/R，最多能夠收集處理32路0～5V標準信號，每間隔55ms掃描一次，提供6%的超量程測量能力。

模件的三條分路同時從接受來自現場的電壓信號，誤差不超過滿量程的0.15%，采取選擇中間值的方式保證正確性。

2.6 模擬量信號輸出模件

配置兩塊模擬量信號輸出模件3805EN，安裝在卡槽4L/R，最多能夠提供8路類型為4～20mA的標準電信號。

模件提供6%超量程保護，輸出誤差小于滿量程的0.2%。三條分路生成的數據都會通過表決后，選擇其中一個有效通道來輸出，從而確保結果的正確性。

2.7 開關量信號輸入模件

配置兩塊開關量信號輸入模件3503EN，安裝在卡槽5L/R，最多可以接受8路開關量信號，輸入電壓為24V，承受的最大輸入電壓為42.5V。

模件三條分路，各自對接收到的全部信號進行處理，再將其傳遞至主處理器。在主處理器處理之前，輸入數據首先要進行表決，盡可能地確保統一性和可靠性。

2.8 開關量信號輸出模件

配置兩塊開關量信號輸出模件3604EN，安裝在卡槽6L/R，最多可以輸出16個開關量信號，輸出電壓為24V。

模件每一條分路都從對應的主處理器上接收數據，生成輸出信號，應用“四方輸出表決器”電路表決。

2.9 通訊模件

配置一塊通訊模件4119AN，安裝在機箱COM位置，模件共有4個串口通訊接口，1個并聯通訊接口，實現與上位機通訊和程序下裝功能。

此外，每塊輸入輸出模件都連接著對應的終端面板和連接電纜，實現信號傳輸。

綜上所述，所采用的TRICON系統硬件完全滿足系統的工作指標、信號數量等需求。

3 程序開發

堆芯冷卻監測的數據處理程序基于Tristation 1131開發，選擇函數方塊圖（FBD）圖形化語言，實現有效性判斷、信號轉換、壓力篩選、溫度計算、水位計算等功能。

以壓力容器窄量程水位計算為例，計算公式如下：

公式參數含義及獲取方式如下：

ΔPm：窄寬量程差壓，直接測量；

βN：窄量程靜壓影響，固定參數；

P：壓力校核后的有效壓力，運算獲得；

ΔPref：參考量程差壓，直接測量；

c：安裝校準系數，固定參數；

H0：20℃時壓力容器水位，固定參數；

α：熱膨脹系數，固定參數；

T DENS：壓力容器水密度計算溫度，運算獲得；

ρV：蒸汽密度，運算獲得；

ρL：水密度，運算獲得；

g：重力加速度，固定參數。

在獲取上述參數后，就可完成在主泵都不運行時的窄量程水位計算。程序實現如圖2所示。

圖2 窄量程水位計算

從圖2中可以看出，函數方塊圖所采用的圖形化形式，使各個功能模塊通過連線形成網絡，不但能實現運算功能，并且具備直觀易懂的特點。

4 人機界面

人機界面需要實現以下功能。

（1）查看到重要數據、狀態和報警，便于日常監視。

（2）顯示各個輸入信號的電信號和物理數值的界面。

（3）提供各個信號實時和歷史趨勢監測的功能，便于故障處理、事故后監測。

（4）提供報警信息的顯示與查詢功能。

人機界面設計采用Intouch組態軟件，該軟件經過長期測試和應用驗證，具有強大的兼容性和開放性，并能提供數據庫功能。

針對不同的需求可開發多個界面，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。主界面如圖3所示。

主界面中可以顯示堆芯熱電偶溫度、反應堆壓力容器水位、堆芯最高溫度、堆芯飽和溫度、堆芯最低過冷裕量等重要參數，還可以指示過冷裕量低、水位低/低低、堆芯冷卻監測失效等堆芯狀態報警。

在界面下部，分布多個按鈕，可以點擊選擇各個參數不同顯示方式，如數據列表顯示、實時顯示、歷史顯示等界面。人機界面能實現所有監測功能，且人機互動友好，查閱方便。

圖3 主界面設計

5 測試驗證

為驗證TRICON系統所實現的功能、精度和可靠性，選用機組不同的工況進行測試。經過長時間的運行測試，該系統性能穩定。對于測試過程中模擬的多個工況，都表現出了可靠的精度。

以無主泵運行的其中一種工況為列，此時計算的是窄量程顯示的水位精確高度，單位為m。在該工況下，主要參數的測試結果見表1。

表1 測試結果

從表1中可以看出，該系統計算結果誤差都比較小。同時該系統能正常產生報警，驗證了報警功能。在其他工況下，同樣保持了良好的一致性。由測試結果可以看出，TRICON系統能夠實現信號采集、處理、監測和報警，并且精度能夠滿足要求。

6 結語

通過上述分析和驗證，TRICON系統基于三重模塊冗余結構的高容錯能力，可以有效保證堆芯冷卻監測系統的可靠性和穩定性，并能完整實現運算和監測功能，具有實際應用的價值。

[1]李文平，張帆，呂渝川等.秦山核電二期工程堆芯測量系統設計[J].核動力工程，2003，224-226.

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