TRICON系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)堆芯冷卻監(jiān)測(cè)功能的可行性分析

楊鵬，王中敬，姚彤

（中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 海鹽 314300）

核電廠的堆芯冷卻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在正常、事故時(shí)、事故后不間斷地監(jiān)測(cè)堆芯溫度分布、過冷裕量與壓力容器水位等參數(shù)，這些參數(shù)屬于事故后1級(jí)，因此系統(tǒng)可靠運(yùn)行對(duì)機(jī)組的安全穩(wěn)定有著重要的影響。為滿足該系統(tǒng)的高可靠性需求，本文提出利用TRICON實(shí)現(xiàn)堆芯冷卻監(jiān)測(cè)功能，并分析其可行性。

1 系統(tǒng)要求

1.1 系統(tǒng)功能

堆芯冷卻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分為完全冗余獨(dú)立的A、B兩列，每列采集如下信號(hào)：（1）15個(gè)K型熱電偶。（2）12個(gè)1～5V模擬量信號(hào)：2個(gè)冷卻劑壓力、3個(gè)穩(wěn)壓器壓力、2個(gè)環(huán)路熱管段溫度、2個(gè)環(huán)路冷管段溫度、1個(gè)窄量程差壓、1個(gè)寬量程差壓、1個(gè)參考量程差壓。（3）3個(gè)開關(guān)量信號(hào)：1個(gè)P10信號(hào)、兩臺(tái)主泵運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。

對(duì)上述信號(hào)進(jìn)行處理，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)溫度測(cè)量，監(jiān)測(cè)堆芯溫度、飽和溫度和過冷余裕度，在主泵都不工作時(shí)監(jiān)測(cè)壓力容器水位精確數(shù)值，在至少一臺(tái)主泵工作時(shí)指示監(jiān)測(cè)壓力容器水位趨勢(shì)。產(chǎn)生的主要監(jiān)測(cè)信號(hào)有：（1）4個(gè)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(gè)開關(guān)量：過冷裕度低報(bào)警、水位低報(bào)警、水位低低報(bào)警、系統(tǒng)失效報(bào)警。

1.2 系統(tǒng)指標(biāo)

系統(tǒng)運(yùn)行需要滿足如下指標(biāo)：（1）系統(tǒng)工作電源：電壓 187～242V，頻率 47～53Hz，并且掉電 10ms不會(huì)產(chǎn)生故障或者電源重啟的報(bào)警信號(hào)。（2）運(yùn)行環(huán)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(yīng)時(shí)間：包括信號(hào)的采集、處理和輸出過程，總時(shí)間應(yīng)小于5s。（5）自檢功能：系統(tǒng)具備自檢功能，當(dāng)執(zhí)行自檢時(shí)，系統(tǒng)功能不受影響，可定位出發(fā)生故障的部件，并具有就地指示功能。（6）采用獨(dú)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(shè)計(jì)。（8）模件支持熱插拔。（9）模件實(shí)現(xiàn)物理隔離。

2 硬件選擇

選擇TRICON系統(tǒng)主要是基于其擁有強(qiáng)大的容錯(cuò)性能，且具有可編程和過程控制功能。TRICON系統(tǒng)通過三重模塊冗余（TMR）（如圖1）實(shí)現(xiàn)其容錯(cuò)能力。系統(tǒng)機(jī)架及模件都包含三條完全相同、相互獨(dú)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(diǎn)故障都不會(huì)影響到另外兩條分路。如果其中一條分路出現(xiàn)問題，另外兩條會(huì)對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償。

TRICON系統(tǒng)擁有多種模件可供選擇，都配置機(jī)械鍵鎖，防止在裝備過程中出現(xiàn)失誤。各輸入輸出模件都可采取“一用一備”的方式，任何維護(hù)活動(dòng)，都可以在不影響系統(tǒng)在線運(yùn)行的狀態(tài)下完成。

TRICON系統(tǒng)能夠監(jiān)測(cè)瞬時(shí)和穩(wěn)態(tài)故障，發(fā)現(xiàn)故障時(shí)，故障模件會(huì)通過指示燈來(lái)提醒。依據(jù)診斷信息，可以修正控制程序、實(shí)施維修操作。

TRICON系統(tǒng)還可承受溫度為0～60℃、相對(duì)濕度為5%～95%工作環(huán)境條件。

目前TRICON系統(tǒng)已在國(guó)內(nèi)方家山核電、福清核電、海南核電多臺(tái)機(jī)組的RPR系統(tǒng)中進(jìn)行應(yīng)用，其安全性和可靠性得到了充分驗(yàn)證。

根據(jù)堆芯冷卻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)指標(biāo)要求、現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)數(shù)量及類型，TRICON系統(tǒng)采用如下配置。

2.1 機(jī)架

采用一套機(jī)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(gè)位置，分別安裝工作模件和熱備用模件。

機(jī)架上擁有三條總線系統(tǒng)，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(gè)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(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)和程序達(dá)6個(gè)月以上。

2.2 電源模件

配置兩塊電源模件8312N，把220VAC電源轉(zhuǎn)換成6.5VDC電源，每個(gè)電源模件都能單獨(dú)給全部模件提供足夠電力，一路電源模件或母線失效不會(huì)對(duì)系統(tǒng)功能帶來(lái)干擾。

電源模件輸出保持通常能保持80ms，在外部電源瞬時(shí)失去并恢復(fù)的情況下，既不會(huì)誤發(fā)報(bào)警，也不會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)關(guān)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(jī)架插槽MPA/B/C。

主處理器模件的運(yùn)算結(jié)果之間進(jìn)行容錯(cuò)比較，如果其中一塊主處理器模件的運(yùn)算結(jié)果與其它兩塊的不一致，優(yōu)先使用兩個(gè)相同的信號(hào)，并校正不一致的信號(hào)。

主處理器模件擁有容量為2M靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器，保存控制程序與數(shù)據(jù)，接受電源或電池組供電。

2.4 熱電偶信號(hào)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(nèi)部集成冷端，補(bǔ)償范圍為0～60℃。

模件各分路分別采集所有熱電偶信號(hào)，進(jìn)行線性化處理，完成冷端溫度補(bǔ)償，轉(zhuǎn)換成溫度，所產(chǎn)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(lái)保證正確性。

2.5 模擬量信號(hào)輸入模件

配置兩塊模擬量信號(hào)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(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，每間隔55ms掃描一次，提供6%的超量程測(cè)量能力。

模件的三條分路同時(shí)從接受來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)的電壓信號(hào)，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(hào)輸出模件

配置兩塊模擬量信號(hào)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(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)。

模件提供6%超量程保護(hù)，輸出誤差小于滿量程的0.2%。三條分路生成的數(shù)據(jù)都會(huì)通過表決后，選擇其中一個(gè)有效通道來(lái)輸出，從而確保結(jié)果的正確性。

2.7 開關(guān)量信號(hào)輸入模件

配置兩塊開關(guān)量信號(hào)輸入模件3503EN，安裝在卡槽5L/R，最多可以接受8路開關(guān)量信號(hào)，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(duì)接收到的全部信號(hào)進(jìn)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(shù)據(jù)首先要進(jìn)行表決，盡可能地確保統(tǒng)一性和可靠性。

2.8 開關(guān)量信號(hào)輸出模件

配置兩塊開關(guān)量信號(hào)輸出模件3604EN，安裝在卡槽6L/R，最多可以輸出16個(gè)開關(guān)量信號(hào)，輸出電壓為24V。

模件每一條分路都從對(duì)應(yīng)的主處理器上接收數(shù)據(jù)，生成輸出信號(hào)，應(yīng)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(jī)箱COM位置，模件共有4個(gè)串口通訊接口，1個(gè)并聯(lián)通訊接口，實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)通訊和程序下裝功能。

此外，每塊輸入輸出模件都連接著對(duì)應(yīng)的終端面板和連接電纜，實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸。

綜上所述，所采用的TRICON系統(tǒng)硬件完全滿足系統(tǒng)的工作指標(biāo)、信號(hào)數(shù)量等需求。

3 程序開發(fā)

堆芯冷卻監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)處理程序基于Tristation 1131開發(fā)，選擇函數(shù)方塊圖（FBD）圖形化語(yǔ)言，實(shí)現(xiàn)有效性判斷、信號(hào)轉(zhuǎn)換、壓力篩選、溫度計(jì)算、水位計(jì)算等功能。

以壓力容器窄量程水位計(jì)算為例，計(jì)算公式如下：

公式參數(shù)含義及獲取方式如下：

ΔPm：窄寬量程差壓，直接測(cè)量；

βN：窄量程靜壓影響，固定參數(shù)；

P：壓力校核后的有效壓力，運(yùn)算獲得；

ΔPref：參考量程差壓，直接測(cè)量；

c：安裝校準(zhǔn)系數(shù)，固定參數(shù)；

H0：20℃時(shí)壓力容器水位，固定參數(shù)；

α：熱膨脹系數(shù)，固定參數(shù)；

T DENS：壓力容器水密度計(jì)算溫度，運(yùn)算獲得；

ρV：蒸汽密度，運(yùn)算獲得；

ρL：水密度，運(yùn)算獲得；

g：重力加速度，固定參數(shù)。

在獲取上述參數(shù)后，就可完成在主泵都不運(yùn)行時(shí)的窄量程水位計(jì)算。程序?qū)崿F(xiàn)如圖2所示。

圖2 窄量程水位計(jì)算

從圖2中可以看出，函數(shù)方塊圖所采用的圖形化形式，使各個(gè)功能模塊通過連線形成網(wǎng)絡(luò)，不但能實(shí)現(xiàn)運(yùn)算功能，并且具備直觀易懂的特點(diǎn)。

4 人機(jī)界面

人機(jī)界面需要實(shí)現(xiàn)以下功能。

（1）查看到重要數(shù)據(jù)、狀態(tài)和報(bào)警，便于日常監(jiān)視。

（2）顯示各個(gè)輸入信號(hào)的電信號(hào)和物理數(shù)值的界面。

（3）提供各個(gè)信號(hào)實(shí)時(shí)和歷史趨勢(shì)監(jiān)測(cè)的功能，便于故障處理、事故后監(jiān)測(cè)。

（4）提供報(bào)警信息的顯示與查詢功能。

人機(jī)界面設(shè)計(jì)采用Intouch組態(tài)軟件，該軟件經(jīng)過長(zhǎng)期測(cè)試和應(yīng)用驗(yàn)證，具有強(qiáng)大的兼容性和開放性，并能提供數(shù)據(jù)庫(kù)功能。

針對(duì)不同的需求可開發(fā)多個(gè)界面，可方便地完成界面切換，實(shí)現(xiàn)所有信號(hào)和報(bào)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(yīng)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(shù)，還可以指示過冷裕量低、水位低/低低、堆芯冷卻監(jiān)測(cè)失效等堆芯狀態(tài)報(bào)警。

在界面下部，分布多個(gè)按鈕，可以點(diǎn)擊選擇各個(gè)參數(shù)不同顯示方式，如數(shù)據(jù)列表顯示、實(shí)時(shí)顯示、歷史顯示等界面。人機(jī)界面能實(shí)現(xiàn)所有監(jiān)測(cè)功能，且人機(jī)互動(dòng)友好，查閱方便。

圖3 主界面設(shè)計(jì)

5 測(cè)試驗(yàn)證

為驗(yàn)證TRICON系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的功能、精度和可靠性，選用機(jī)組不同的工況進(jìn)行測(cè)試。經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行測(cè)試，該系統(tǒng)性能穩(wěn)定。對(duì)于測(cè)試過程中模擬的多個(gè)工況，都表現(xiàn)出了可靠的精度。

以無(wú)主泵運(yùn)行的其中一種工況為列，此時(shí)計(jì)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(shù)的測(cè)試結(jié)果見表1。

表1 測(cè)試結(jié)果

從表1中可以看出，該系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果誤差都比較小。同時(shí)該系統(tǒng)能正常產(chǎn)生報(bào)警，驗(yàn)證了報(bào)警功能。在其他工況下，同樣保持了良好的一致性。由測(cè)試結(jié)果可以看出，TRICON系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)信號(hào)采集、處理、監(jiān)測(cè)和報(bào)警，并且精度能夠滿足要求。

6 結(jié)語(yǔ)

通過上述分析和驗(yàn)證，TRICON系統(tǒng)基于三重模塊冗余結(jié)構(gòu)的高容錯(cuò)能力，可以有效保證堆芯冷卻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，并能完整實(shí)現(xiàn)運(yùn)算和監(jiān)測(cè)功能，具有實(shí)際應(yīng)用的價(jià)值。

[1]李文平，張帆，呂渝川等.秦山核電二期工程堆芯測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].核動(dòng)力工程，2003，224-226.

[2]焦歡歡，馬曉晨.Tricon系統(tǒng)在方福項(xiàng)目反應(yīng)堆保護(hù)中的應(yīng)用[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2012，（25）：59-62.