某實(shí)驗(yàn)堆區(qū)域輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)及實(shí)施

戎永華、李永生、張春杰、劉洋

（中國(guó)原子能科學(xué)研究院，北京102413）

1 修改背景

輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是保證反應(yīng)堆安全運(yùn)行的重要系統(tǒng)，其中，區(qū)域輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反應(yīng)堆廠房?jī)?nèi)區(qū)域放射性水平，對(duì)保證人員安全有重要作用[1]。某實(shí)驗(yàn)堆的輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)備訂貨于2004年，部分設(shè)備元器件出廠日期為2003年，而電子器件一般壽命約為10 a。輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的G-M計(jì)數(shù)管區(qū)域γ監(jiān)測(cè)通道自2015年起多次出現(xiàn)故障，主要表現(xiàn)為G-M計(jì)數(shù)管失效導(dǎo)致無(wú)計(jì)數(shù)、測(cè)量箱內(nèi)元器件故障導(dǎo)致計(jì)數(shù)混亂等。計(jì)數(shù)管監(jiān)測(cè)通道的故障率超過(guò)40%。隨著運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)，G-M計(jì)數(shù)管監(jiān)測(cè)設(shè)備出現(xiàn)故障的概率正在逐漸增大，進(jìn)而影響了實(shí)驗(yàn)堆輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，無(wú)法實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)功能。

2 修改的必要性

因設(shè)備升級(jí)換代，原型號(hào)區(qū)域γ監(jiān)測(cè)設(shè)備在廠家已經(jīng)停產(chǎn)，且相關(guān)元器件采購(gòu)困難。后續(xù)反應(yīng)堆需長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行，在此期間控制區(qū)內(nèi)部分區(qū)域的劑量率隨著反應(yīng)堆運(yùn)行時(shí)間的增加而增大，該部分區(qū)域?qū)⑾拗七M(jìn)入，使維修工作受到限制。為了滿足長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的要求，需要想辦法降低輻射監(jiān)測(cè)儀表的故障率。而原型號(hào)設(shè)備備件采購(gòu)困難，大部分電子元器件已經(jīng)達(dá)到甚至超過(guò)一般電子元器件壽命，為保證輻射監(jiān)測(cè)儀表能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，需要更換故障率高的部分探測(cè)器和處理單元。

此外，實(shí)驗(yàn)堆的相關(guān)數(shù)據(jù)需要長(zhǎng)期儲(chǔ)存，以備后續(xù)研究使用。但原輻射監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成于2005年，軟件和硬件較現(xiàn)在的技術(shù)有很大差別。其數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需要定期導(dǎo)出，否則將影響系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

3 修改方案

3.1 修改范圍和要求

3.1.1 區(qū)域γ監(jiān)測(cè)設(shè)備改造范圍

經(jīng)過(guò)綜合分析，納入首批改造范圍的是區(qū)域γG-M計(jì)數(shù)管放射性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)18個(gè)監(jiān)測(cè)通道和排風(fēng)過(guò)濾器工藝間輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)14個(gè)監(jiān)測(cè)通道，共32個(gè)監(jiān)測(cè)通道。根據(jù)新型號(hào)設(shè)備的特點(diǎn)，需將舊的探測(cè)器、測(cè)量箱和處理組件更換為探測(cè)器和就地處理箱，就地處理箱具備原測(cè)量箱和處理組件的所有功能，并且能夠就地顯示測(cè)量值并給出聲光報(bào)警。

為保證新設(shè)備與現(xiàn)有輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的兼容性，新設(shè)備建議選用國(guó)內(nèi)某廠家生產(chǎn)的M-2036Q2ⅢX就地處理箱和雙G-M計(jì)數(shù)管探測(cè)器。M-2036Q2ⅢX就地處理箱的箱體結(jié)構(gòu)為壁掛式，外形尺寸為300 mm×400 mm×226 mm（寬×高×厚）。雙G-M計(jì)數(shù)管探測(cè)器外套筒采用外形尺寸為φ60 mm×250 mm（直徑×高度）的不銹鋼筒，并帶有壁掛安裝支架，不銹鋼筒和壁掛安裝支架之間以蝶形螺母相連接，方便拆卸，可縮短維修時(shí)間。雙G-M計(jì)數(shù)管探測(cè)器的技術(shù)特性與原探測(cè)器參數(shù)一致或能覆蓋原參數(shù)，具體見(jiàn)表1。

表1 雙G-M計(jì)數(shù)管探測(cè)器技術(shù)特性要求

3.1.2 輻射監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)改造范圍

經(jīng)過(guò)分析，為了實(shí)現(xiàn)輻射監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能夠連續(xù)長(zhǎng)期儲(chǔ)存，并且滿足舊采集系統(tǒng)與新采集系統(tǒng)兼容，需要對(duì)輻射監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行改造。參考其他核電廠輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)[2,3]，結(jié)合本項(xiàng)目實(shí)際情況，制訂方案如下：舊的采集系統(tǒng)硬件不變，另外增加1臺(tái)數(shù)據(jù)采集機(jī)和1臺(tái)服務(wù)器，使舊采集系統(tǒng)采集原輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)其余監(jiān)測(cè)通道數(shù)據(jù)，新數(shù)據(jù)采集機(jī)接收新的輻射監(jiān)測(cè)設(shè)備數(shù)據(jù)，然后同時(shí)匯總到服務(wù)器上，在服務(wù)器上將所有數(shù)據(jù)集成到1個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)顯示和存儲(chǔ)，服務(wù)器可連接多臺(tái)操作員站，用于監(jiān)控監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、查詢歷史記錄等。輻射監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 輻射監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)示意圖

輻射監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)改造要求如下。

原有采集計(jì)算機(jī)功能要求：

1）主畫(huà)面保持不變，標(biāo)題改為：輻射監(jiān)測(cè)采集系統(tǒng)1；

2）軟件中的數(shù)據(jù)采集功能保持不動(dòng)；

3）軟件中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能按照新的數(shù)據(jù)庫(kù)格式存儲(chǔ)。

新增采集計(jì)算機(jī)功能要求：

1）主畫(huà)面按原采集計(jì)算機(jī)畫(huà)面風(fēng)格，按總通道數(shù)（127個(gè)通道）設(shè)計(jì)，標(biāo)題為“輻射監(jiān)測(cè)采集系統(tǒng)2”；

2）數(shù)據(jù)采集：只對(duì)本次改造的32臺(tái)設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、狀態(tài)進(jìn)行采集、顯示，其余通道按未連接顯示，采集周期仍為10 s；

3）參數(shù)提取：可以提取就地處理箱的報(bào)警閾值、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、工作狀態(tài)等信息；

4）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：能將32臺(tái)就地處理箱的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、狀態(tài)保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中。

數(shù)據(jù)服務(wù)器功能要求：

1）能保存所有通道的10 s實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、狀態(tài)；

2）能保存所有通道的報(bào)警記錄；

3）能保存19個(gè)流量計(jì)信號(hào)的每分鐘的流量值、報(bào)警閾值；

4）能保存01、02子系統(tǒng)的每分鐘的取樣流量率和煙囪流量率；

5）按原軟件模式保存巡檢設(shè)置、巡檢房間等信息；

6）給網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的其他3臺(tái)計(jì)算機(jī)每天定時(shí)發(fā)校時(shí)命令；

7）數(shù)據(jù)自動(dòng)備份，同時(shí)能夠根據(jù)需要進(jìn)行手動(dòng)備份；

8）能夠連續(xù)保存10 a以上運(yùn)行數(shù)據(jù)。

查詢計(jì)算機(jī)功能要求：

1）主畫(huà)面按原采集計(jì)算機(jī)畫(huà)面設(shè)計(jì)，顯示所有通道的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、狀態(tài)；

2）主畫(huà)面增加報(bào)警信息窗口，顯示報(bào)警記錄，最新發(fā)生的報(bào)警記錄在最前面顯示；

3）平面分區(qū)圖功能：移植原采集計(jì)算機(jī)上的平面分區(qū)圖功能，功能不變。

4）歷史曲線功能：顯示每個(gè)通道的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線，可以切換顯示感興趣時(shí)間段內(nèi)的每10 s歷史曲線，最多可以同時(shí)顯示6個(gè)通道的歷史曲線趨勢(shì)圖；趨勢(shì)圖為線性曲線圖，橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)為劑量率值，去掉線性顯示改為對(duì)數(shù)顯示，保留打印曲線；

5）報(bào)表管理功能：包括儀器屬性一覽表、所有通道的當(dāng)前實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、所有通道的每10 min平均值報(bào)表、所有通道的日?qǐng)?bào)表；

6）流量計(jì)查詢：能查詢19個(gè)流量計(jì)信號(hào)的每分鐘的流量值、報(bào)警閾值。

3.2 安裝要求

3.2.1 區(qū)域γ監(jiān)測(cè)設(shè)備安裝要求

改造后，每個(gè)測(cè)量通道的測(cè)量箱和處理組件由就地處理箱（帶有報(bào)警燈鈴）取代，每個(gè)探測(cè)器對(duì)應(yīng)1個(gè)就地處理箱，就地處理箱就近安裝在探測(cè)器所在房間的墻壁上或探測(cè)器所在房間門(mén)外走廊的墻壁上（探測(cè)器所在房間沒(méi)有空間安裝就地處理箱的情況下）。各通道的探測(cè)器所在房間和具體監(jiān)測(cè)位置均保持不變，只需拆下現(xiàn)用探測(cè)器，在其所在位置安裝上新探測(cè)器即可。

新探測(cè)器通過(guò)5芯電纜（7芯插頭）與就地處理箱連接，原來(lái)的G-M計(jì)數(shù)管探測(cè)器與處理組件之間通過(guò)4芯電纜（5芯插頭）相連，兩種電纜不匹配，因此，需要更換探測(cè)器與就地處理箱之間的連接電纜（每根電纜長(zhǎng)度2～10 m），由4芯電纜更換為5芯電纜。

就地處理箱經(jīng)由RS485接口與輻射防護(hù)值班室房間輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)新增數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)通信，將就地處理箱存儲(chǔ)的測(cè)量數(shù)據(jù)和工作狀態(tài)傳輸?shù)捷椛浔O(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)上進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。就地處理箱的報(bào)警輸出接入輻射防護(hù)值班室房間機(jī)柜上的端子排，然后連接到主控室光字牌上，與原設(shè)計(jì)保持一致。

考慮到區(qū)域γ監(jiān)測(cè)通道布置分散，為了節(jié)約電纜，在核島廠房?jī)?nèi)根據(jù)樓層分布，每層的就地處理箱之間就近串聯(lián)，然后連接到輻射防護(hù)值班室數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)。

3.2.2 監(jiān)控系統(tǒng)安裝要求

輻射監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)新增的數(shù)據(jù)采集機(jī)和服務(wù)器均安裝在輻射防護(hù)值班室原操作臺(tái)上，運(yùn)行軟件安裝在各自工控機(jī)內(nèi)，并做好備份。

3.3 驗(yàn)收要求

1）新更換的區(qū)域γ監(jiān)測(cè)儀工作正常，檢查方法為：在設(shè)備安裝完成通電后，使用一枚105Bq量級(jí)的137Cs放射源，將其放在探測(cè)器附近，檢查就地處理箱讀數(shù)和計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)讀數(shù)，雙方讀數(shù)應(yīng)一致；

2）所有通道與輻射監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)通信正常，且讀數(shù)的固有誤差在允許范圍內(nèi)；

3）各通道報(bào)警響應(yīng)及聲光報(bào)警提醒功能正常；

4）監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、導(dǎo)出導(dǎo)入、歷史數(shù)據(jù)查詢等功能正常。

4 改造實(shí)施

根據(jù)改造需求，出版了正式的改造方案，改造方案中除了上述信息描述，還包含改造計(jì)劃和經(jīng)費(fèi)預(yù)算。改造計(jì)劃主要節(jié)點(diǎn)及完成情況見(jiàn)表2，所需材料及經(jīng)費(fèi)預(yù)算見(jiàn)表3。

表2 改造計(jì)劃主要節(jié)點(diǎn)及完成情況

表3 改造所需材料及經(jīng)費(fèi)預(yù)算

因廠家原因，導(dǎo)致設(shè)備到貨較預(yù)計(jì)時(shí)間晚了2個(gè)月，后續(xù)為了節(jié)省時(shí)間，根據(jù)區(qū)域γ監(jiān)測(cè)設(shè)備安裝位置和接線分布情況，設(shè)計(jì)人員配合施工人員進(jìn)行了施工計(jì)劃細(xì)化分解，并請(qǐng)施工人員分組，采取多頭并進(jìn)的方式，多個(gè)通道同時(shí)進(jìn)行，拆除一臺(tái)安裝一臺(tái)，供電獨(dú)立的通道安裝完成具備條件立即開(kāi)始調(diào)試。

通過(guò)努力，自第一臺(tái)舊設(shè)備拆除開(kāi)始至全部32套區(qū)域γ監(jiān)測(cè)設(shè)備調(diào)試完成，共計(jì)用時(shí)10 d。最終改造完成安裝和調(diào)試時(shí)間較原計(jì)劃只延遲了1個(gè)月。

在改造過(guò)程中，根據(jù)管理要求，還出版了相關(guān)設(shè)計(jì)變更（包括設(shè)備安裝圖、接線圖等變更）、調(diào)試程序（包含區(qū)域γ監(jiān)測(cè)設(shè)備和輻射監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)調(diào)試）等文件。

在安裝完成后，根據(jù)調(diào)試程序要求，進(jìn)行了相關(guān)調(diào)試工作。主要包括通電前檢查電纜接線是否正確，無(wú)誤后設(shè)備通電，檢查本底計(jì)數(shù)是否正常。然后使用放射源檢查，所有通道讀數(shù)正常，報(bào)警功能正常。監(jiān)控系統(tǒng)相關(guān)的所有數(shù)據(jù)傳輸、報(bào)警輸出、歷史記錄等功能正常。輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)向管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸正常。

5 結(jié)語(yǔ)

本次改造共更換了32套區(qū)域γ輻射監(jiān)測(cè)設(shè)備及其部分配套電纜，并更新了輻射監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的架構(gòu)和存儲(chǔ)、查詢?cè)O(shè)備，以及部分軟件設(shè)置和功能，使其對(duì)操作人員的操作更加友好，從而減少操作員人因失誤。

在改造過(guò)程中，設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試人員全力配合，相關(guān)審批、隔離手續(xù)辦理迅速，為本項(xiàng)目改造順利實(shí)施創(chuàng)造了條件。另外，通過(guò)資源再利用，設(shè)計(jì)人員深入現(xiàn)場(chǎng)配合安裝，節(jié)省了大量施工時(shí)間和經(jīng)費(fèi)。僅通過(guò)利用舊電纜一項(xiàng)，不僅節(jié)省了施工周期，還節(jié)約了電纜采購(gòu)、敷設(shè)施工等費(fèi)用約20萬(wàn)元。本次改造為實(shí)驗(yàn)堆的相關(guān)系統(tǒng)改造積累了經(jīng)驗(yàn)，其完成時(shí)間滿足整體工作要求，改造工作獲得了相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)和運(yùn)行維修人員的認(rèn)可和好評(píng)。

改造后，不僅保證了區(qū)域γ輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，也為運(yùn)行人員和工作區(qū)域輻射安全提供了有力保證，還為輻射監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的長(zhǎng)期存儲(chǔ)解決了后顧之憂，使其相關(guān)數(shù)據(jù)能夠留存用于相關(guān)研究，從而發(fā)揮實(shí)驗(yàn)堆的相關(guān)作用。