1E級變送器響應(yīng)時間標(biāo)準(zhǔn)研究

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(三門核電有限公司，浙江 三門 317100)

三門核電站一期工程作為國家首個三代核電自主化依托項目引進(jìn)美國 AP1000核電技術(shù),其技術(shù)規(guī)范書規(guī)定：反應(yīng)堆緊急停堆系統(tǒng)響應(yīng)時間是從通道敏感元件監(jiān)測的參數(shù)超過其緊急停堆設(shè)定值至鉤爪線圈失去電壓為止的時間間隔；專設(shè)響應(yīng)時間是從通道敏感元件監(jiān)測的參數(shù)超過該專設(shè)安全設(shè)施驅(qū)動設(shè)定值至專設(shè)安全設(shè)施的設(shè)備完成其安全功能(即閥門行進(jìn)到所要求的位置)的時間間隔[1]。美國NRC在FSAR第十六章對反應(yīng)堆保護(hù)的響應(yīng)時間做了進(jìn)一步要求，明確反應(yīng)堆保護(hù)響應(yīng)時間是傳感器響應(yīng)時間、信號處理時間、設(shè)備動作時間之和，即通道的響應(yīng)時間分解為“儀表響應(yīng)時間+反應(yīng)堆保護(hù)機(jī)架響應(yīng)時間+就地設(shè)備響應(yīng)時間”，并要求電廠運(yùn)行后執(zhí)行儀表響應(yīng)時間的監(jiān)督試驗[2]。

因信號處理時間和設(shè)備動作時間與國內(nèi)其他核電測試類似，而傳感器響應(yīng)時間測試在中國業(yè)界從未執(zhí)行過，且AP1000核電機(jī)組送保護(hù)系統(tǒng)所用的傳感器具體型號不符合美國WEC的三種豁免條件:1)基于可接受的響應(yīng)時間試驗的歷史數(shù)據(jù)(液壓、噪聲、斷電試驗)；2)就地的、廠區(qū)內(nèi)或廠區(qū)外(供貨商)試驗測量；3)利用供貨商設(shè)計規(guī)格書。所以其他型號的傳感器響應(yīng)時間驗證必須通過試驗來證明，故AP1000項目需要對送保護(hù)系統(tǒng)的傳感器進(jìn)行響應(yīng)時間測試。

本文主要針對1E級變送器的國外、國內(nèi)及行業(yè)響應(yīng)時間測試的標(biāo)準(zhǔn)、測量的方法進(jìn)行分析，結(jié)合噪聲分析獲取變送器的模型，對變送器測量原理展開研究，通過對變送器模型的分析，比較階躍和斜坡測試，對國家/行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)提出修訂建議。

1 響應(yīng)時間測試概述

三門核電反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)的儀表響應(yīng)時間測試主要涉及1E級變送器、1E級PT100熱電阻，堆芯補(bǔ)水箱磁浮筒液位、安全殼放射性高輻射探測器。本文主要分析1E級變送器的響應(yīng)時間測試。

對于核電站變送器的響應(yīng)時間測試，目前國內(nèi)業(yè)界有兩種方式進(jìn)行響應(yīng)時間測試：一種為打壓至變送器的滿量程輸出后進(jìn)行瞬時泄壓，取量程輸出的63.2%對應(yīng)的一階時間常數(shù)г為變送器的響應(yīng)時間；另一種為輸入信號產(chǎn)生階躍變化，測量從階躍產(chǎn)生到輸出信號值達(dá)到輸入變化量80%所對應(yīng)經(jīng)歷的時間作為響應(yīng)時間。

《核電廠安全重要儀表通道性能監(jiān)督試驗》對1E級壓力變送器響應(yīng)時間做了明確規(guī)定的兩種方法，一種為常規(guī)方法(階躍響應(yīng)、斜波響應(yīng))，另一種為在線方法(噪聲分析技術(shù))[3]。但因原國內(nèi)核電站對儀表響應(yīng)時間無硬性要求，電站的最終安全分析報告也沒有做明確要求，所以沒有相應(yīng)的市場需求，導(dǎo)致國內(nèi)儀表廠家對于1E級變送器測試引用標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一。

國內(nèi)業(yè)界對于1E級變送器響應(yīng)時間測量已建立中華人民共和國能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，但具體的測試方法及論證是空白區(qū)域，也無相應(yīng)的測試設(shè)備及軟件QA程序(包括軟件開發(fā)及軟件V&V驗證)來支持，所以該標(biāo)準(zhǔn)還未經(jīng)過實踐的驗證。

2 響應(yīng)時間測試分析

AP1000第三代壓水堆核電站1E級變送器主要用于測量工藝系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)，參與核電廠控制和停堆專設(shè)保護(hù)的重要功能，但1E級變送器在使用一段時間之后，其響應(yīng)時間會存在降級的可能。如引壓管堵塞會明顯增加變送器的響應(yīng)時間，引起變送器測量動態(tài)性能的降級，這將威脅到核電廠安全功能響應(yīng)的時效性。通過測試1E級變送器的響應(yīng)時間，可以提前發(fā)現(xiàn)變送器的降級。

變送器性能主要以精度和響應(yīng)時間來衡量，精度反映的是與實際壓力的接近程度；而響應(yīng)時間反映的是跟蹤工藝系統(tǒng)介質(zhì)壓力變化反應(yīng)快慢，核電廠的大多數(shù)1E級變送器響應(yīng)時間在0.1～0.3 s，響應(yīng)時間測試的意義可在變送器校驗通過的情況下提前發(fā)現(xiàn)變送器降級[4]。

一臺壓力變送器響應(yīng)時間性能的降級通常表現(xiàn)在動態(tài)響應(yīng)特性的增量，與基線或參考值發(fā)生偏離。在大多數(shù)情況下，如果響應(yīng)時間的時間常量或延遲的斜率時間增加，那相應(yīng)的衰減的頻率將降低。或者說，壓力變送器衰減速率增加，響應(yīng)時間降級[5]。

AP1000壓力變送器的驗收標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)實際測點的不同，其驗收標(biāo)準(zhǔn)不盡相同，三門核電反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)涉及的變送器廠家型號、測點及驗收標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 三門核電1E級變送器一覽表

2.1 國內(nèi)通行測量方法

目前，國內(nèi)變送器生產(chǎn)廠家的測量原理都是一樣的，即采用離線階躍響應(yīng)的測量方法。涉及1E級變送器響應(yīng)時間的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)見表2，反映了標(biāo)準(zhǔn)不盡統(tǒng)一，且存在著企業(yè)引用標(biāo)準(zhǔn)混亂的現(xiàn)象。

表2 變送器響應(yīng)時間測量的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)Table 2 The Standards for transmitter response time measurement

2.2 一階變送器響應(yīng)分析

核電廠的1E級變送器滿足以下特征：

1)變送器響應(yīng)是線性響應(yīng)，變送器的輸出電流/電壓與變送器受到的壓力成正比關(guān)系;

2)變送器輸出為穩(wěn)態(tài)輸出，儀表接收到穩(wěn)定激勵，輸出是穩(wěn)定的，不會無限震蕩或者發(fā)散;

3)變送器為內(nèi)部固有參數(shù)短時間內(nèi)不會變化。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《核電廠安全重要壓力變送器鑒定規(guī)程》，變送器響應(yīng)時間為階躍變化的10%～90%，根據(jù)仿真結(jié)果，其響應(yīng)時間為0.319 s，大于驗收準(zhǔn)則，且和實際響應(yīng)時間偏差較大，仿真結(jié)果如圖1所示。

根據(jù)《核電廠安全重要儀表壓力變送器》等標(biāo)準(zhǔn)，變送器響應(yīng)時間為階躍變化的0～90%，根據(jù)仿真結(jié)果，其響應(yīng)時間為0.334 s，大于驗收準(zhǔn)則，且和實際響應(yīng)時間偏差較大，仿真結(jié)果如圖2所示。

根據(jù)某企業(yè)變送器響應(yīng)時間的做法，響應(yīng)時間為階躍變化63.2%時的時間為0.145 s和我們預(yù)期結(jié)果一致，仿真結(jié)果如圖3所示。

圖1 一階階躍響應(yīng)(10%～90%)Fig.1 One order step response(10%～90%)

圖2 一階階躍響應(yīng)(0～90%)Fig.2 One order step response(0～90%)

圖3 一階階躍響應(yīng)(0～63.2%)Fig.3 One order step response (0～63.2%)

根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)62385，通過斜坡測試，如圖4所示，當(dāng)斜坡輸入和斜坡響應(yīng)的值都為0.059 9時，兩條曲線接近平行，斜坡響應(yīng)測試的結(jié)果為：0.885 s-0.74 s=0.145 s，顯然和預(yù)期的延時一致，仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 一階斜坡響應(yīng)Fig.4 One order ramp response

根據(jù)上述分析，目前部分標(biāo)準(zhǔn)的存在缺陷，如果按照10%～90%或者0～90%的標(biāo)準(zhǔn)作為變送器階躍響應(yīng)時間的驗收標(biāo)準(zhǔn)，會導(dǎo)致特征函數(shù)為一階的變送器出現(xiàn)不合格的情況，因此必須對當(dāng)前響應(yīng)時間的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修改，可以使標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)儀表真實的延時特性。是否可以用63.2%作為階躍響應(yīng)時間的標(biāo)準(zhǔn)，我們需要進(jìn)一步分析高階變送器的響應(yīng)分析。

2.3 高階變送器響應(yīng)分析

通過噪聲分析，獲取三門核電某變送器的特征函數(shù)為二階，下面以二階為例進(jìn)行分析，其階躍響應(yīng)時間按照63.2%的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析，結(jié)果圖5所示，響應(yīng)時間為0.174 s.

圖5 二階階躍響應(yīng)Fig.5 Two order step response

標(biāo)準(zhǔn)IEC 62385中，規(guī)定了變送器離線響應(yīng)時間測試方法為斜坡測試，對于上面的二階變送器，我們模擬斜坡測試，如圖6所示。

圖6 二階斜坡響應(yīng)Fig.6 Two order ramp response

當(dāng)斜坡輸入和斜坡響應(yīng)的值都為0.499時，兩條曲線接近平行，斜坡測試結(jié)果為0.671-0.536 9=0.134 1 s，對于二階系統(tǒng)而言，采用階躍的響應(yīng)時間和斜坡測試的響應(yīng)時間明顯存在差別。相對于階躍響應(yīng)測試，斜坡信號更能接近于現(xiàn)場工況變化的實際情況。

階躍響應(yīng)時間測試方法是一種落后的測試技術(shù)，無法準(zhǔn)確地反應(yīng)變送器響應(yīng)時間，美國AMS公司采用斜坡測試對變送器進(jìn)行響應(yīng)時間測試已經(jīng)有30多年歷史。三門核電已通過斜坡響應(yīng)測試方法檢查出有兩臺變送器超標(biāo)(表3)，更換后最終結(jié)果正常，得以證明此方法是行之有效的。

表3 經(jīng)RAMP檢測不合格的兩臺變送器Table 3 Failed transmitter detected by the ramp test

2.4 斜坡測試?yán)碚摲治?/h3>

高階模型延時環(huán)節(jié)在指數(shù)項，且變送器為穩(wěn)定模型，所以當(dāng)t趨于無窮大時，階躍響應(yīng)函數(shù)必然收斂，要收斂指數(shù)項隨時間衰減。

在實際工程應(yīng)用中，可以允許一定的偏差存在，因此斜坡響應(yīng)只要在一定的時間范圍內(nèi)和斜坡輸入接近平行即可。

3 結(jié) 論

通過上述分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)前國內(nèi)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)響應(yīng)時間準(zhǔn)則設(shè)置不合理，階躍響應(yīng)無法可靠地反應(yīng)變送器的響應(yīng)時間，斜坡響應(yīng)可以更準(zhǔn)確地反映變送器的響應(yīng)時間。

目前國內(nèi)業(yè)界對于儀表響應(yīng)時間基本停留在最常規(guī)的技術(shù)狀態(tài)下，使用階躍響應(yīng)定義儀表響應(yīng)時間，當(dāng)前行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或者國家標(biāo)準(zhǔn)中，對響應(yīng)時間的規(guī)定不太合理，使用階躍響應(yīng)求取響應(yīng)時間和實際響應(yīng)時間偏差過大，會導(dǎo)致響應(yīng)時間合格的儀表出現(xiàn)不合格的情況，不能及時有效地發(fā)現(xiàn)儀表響應(yīng)時間的降級。因此建議對國內(nèi)及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修訂，以斜坡響應(yīng)的延時作為儀表響應(yīng)時間的標(biāo)準(zhǔn)，并取消階躍響應(yīng)時間的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

國內(nèi)核電領(lǐng)域急需開發(fā)斜坡響應(yīng)時間測試設(shè)備，彌補(bǔ)行業(yè)內(nèi)的空白。