核电站堆芯测量系统优化分析研究

核电站堆芯测量系统优化分析研究

朱 宁

（福建福清核电有限公司 维修二处 福建省 福清市）

摘要：作为核电站事故后监测堆芯状态的重要手段之一，堆芯测量系统主要功能是提供操纵员反应堆燃料组件冷却剂出口温度、堆芯中子通量分布及压力容器内水位等相关信息。根据系统设备设计的使用寿命，未来将有大批的系统设备需进行升级改造，结合在系统调试和维修过程中遇到的各类问题，分析其根本原因，并据此开展系统的优化分析研究。针对分析提出的系统优化方向和内容，将为后续机组升级改造提供有效可靠的技术基础，并将进一步提升系统设备可靠性。

关键字：堆芯测量  优化 分析

0引言

堆芯测量系统主要进行反应堆堆芯温度测量、堆芯中子通量测量和压力容器内水位测量，涉及设备种类较多，包括热电偶、中子探测器、驱动单元、卷轮电机、路选择器、组选择器、微动开关、电动阀、手动阀、各类连接管以及各类处理控制机柜的各类卡件。整体系统设备的故障点较多，在系统调试和维修过程中出现过各种问题，系统的稳定性和可靠性需要通过安装的高标准、调试的高要求以及预防性维修工作的全覆盖来保证。针对后续将面临的系统设备老化升级的问题，通过对系统存在风险点的分析，提出对应的优化措施，为未来系统升级改造以至国产化提供一定的技术支持。

1. 系统存在风险点

1.1冷端补偿热电阻布置问题

系统采用了铠装热电偶进行温度测量，在机柜测进行冷端补偿。当前设计为每列20个热电偶分别对应各自的20冷端热电阻用来进行补偿，所有冷端热电阻都集中分布在机柜内部，采用两线制测量方法。热电阻和热电偶本身测量存在的测量误差，将导致40个温度测量信号的一致性无法得到有效保证，导致参与逻辑运算的温度值存在一定偏差。同时随着时间年限增加，热电阻和热电偶性能均会出现波动，需要考虑措施来消除存在的影响。

1.2控制机柜布置问题

系统中子通量测量涉及读出控制柜，分配柜及CR接线箱。其中仅有读出控制柜放置在岛外电气厂房，而其中作为中间接口的分配柜，放置在核岛厂房-3.4m的环廊处。分配柜的功能为接受来自读出控制柜的供电、控制命令，并反馈现场设备的反馈信号到读出控制柜。作为重要的接口设备，其产生的故障将会直接影响系统机电设备的正常运行，而日常的故障会因核岛厂房的辐射影响而带增加更多的工作风险。

1.3 控制卡件通道分配问题

堆芯中子通量测量部分使用了5个探测器，对应了5个测量控制通道，在目前系统设计中，分配柜中的通讯卡件为公用状态，其中1和4通道公用一个，2和5通道公用一个，3通道单独一个。如公用通讯卡件出现问题，将导致2个通道不可用，将造成系统无法完成有效的中子通量图绘制，严重的会因系统功能无法满足要求而导致机组撤防的风险。

1.4 软件人机界面设计问题

在大修后进行的探测器再试验过程中，出现探测器无法动作的故障。在机柜下发各类命令，程序正常响应，但现场设备未实际动作,在当前人机界面中只是显示出现该通道探测器的位置故障，未提示其他的任何信息。在经过现场各项的检查后发现实际为安全限位开关异常触发。而安全限位开关的异常信息未在人机界面中给出提示信息，增加故障排查的处理时间。

1.5系统与DCS通讯接口问题

系统进行中子通量图绘制时，必须在操作软件上勾选“DCS数据记录”选项。系统需要从DCS接受数据进行相关参数计算，而如果在测量期间与DCS通讯中断，那测量结束时无法生成数据，数据文件为空，此次通量图绘制失败，造成一次中子通量图绘制失效，需要重新进行一次通量图绘制。

1.6系统历史数据记录问题

目前系统除了送往集中显示系统的信号可以实现历史数据记录外，系统内部的各类数据信息、日志信息、报警信息都无法保存，在对操作软件进行重启后将失去之前的记录，这对进行故障分析和处理造成一定的难度。

2. 系统优化分析

2.1冷端补偿热电阻布置优化

选取3个或多个冷端的热电阻进行取平均计算，将计算后的结果送往机柜内的所有热电偶进行冷端补偿，这样保证每一列的热电偶为1个相同的冷端温度，以此消除热电阻本身测量的影响，提高系统测量的准确度。机柜中目前热电阻设计为与热电偶信号通过温变直接输出4-20mA信号，如修改为取平均，需要将热电阻信号引入软件运算，使用平均计算模块后再输出送往温变模块。

2.2 控制机柜布置优化

将分配柜实现的功能移出至电气厂房，在电气厂房寻找合适位置放置机柜，同时需要重新敷设和端接电缆，方便后续检修工作及缺陷处理，减少不必要的故障造成的人员辐射照射风险。

2.3 控制卡件通道分配优化

将公用通道的通讯卡件进行拆分，根据系统设计图，通道卡件机架空余部分不足以布置新的卡件，需要重新设计机架。在新机架中新增通讯卡件，做到一个通道使用各自独立的通讯卡，做到通道间的实体隔离，减少因卡件故障导致机组降功率的可能。

2.4 软件人机界面优化

此处以安全限位开关为例进行人机界面优化分析，通过发现安全位置开关触发仅仅出现图标显示，未出现任何提示或报警。核实机柜电路图，实际安全限位开关信息送往了机柜，但并未在画面进行组态显示，也没有设置报警信息。此次优化需修改画面信息，增加状态显示，并将次信息增加到报警列表中，确保能及时完成报警和信息显示。实际增加画面可参考目前人机界面中其他限位开关的指示方式，在驱动单元出口增加指示信息。

2.5与DCS通讯接口优化

方式1：对堆芯测量系统与DCS通讯进行优化，在测试开始阶段进行一次数据记录，确认记录完整后再执行中子通量图绘制，减少因通讯异常产生的偏差。将系统作为主站，DCS作为从站，由堆芯测量系统进行需求发起，在记录所有数据后断开通讯，优化系统与DCS系统的通讯模式，减少因通讯造成的不必要的重新测试。

方式2：仅在中子通量图绘制结束后进行通信请求，确保中子通量图的数据不会丢失，也不会造成通量图失效。

2.6 系统历史数据记录功能优化

增加系统历史数据记录功能，建立系统信息数据库，以便于数据分析和在系统异常情况时进行数据收集。以txt文本形式进行信息记录，记录报警信息时间，内容，操作日志，重要数据信息等。

3. 系统优化评价

3.1 优化硬件设备布置分布评价

对于重要设备，结合核电站的特殊性，都会设计冗余功能，冗余的处理器以及冗余电源等等。而结合到系统设计了A、B两列实体隔离，双路电源等，而较多部分控制功能集中合并在一起，其中一个环节失效就会引起较大影响，当前系统设计负荷有空余，通过增加测量电缆、增加测量卡件通道等低成本方法，将公用通道进行分隔，减少共因失效风险，提升系统的稳定性和可靠性。

针对热电偶冷端温度修改，有助于减少系统的故障点，减少热电阻本身对测量精度的影响，能够大幅提升系统整体测量准确度。

针对机柜重新布置，岛外空余房间空间可以满足实际需求，同时分析电缆信号组成，大部分电缆可以通过新增信号电缆连接件的方式开展，只需要重新放置探测器电缆即可，整体改造工期受控，满足机组停堆检修工期要求。

3.2优化系统软件功能评价

软件的实际使用者为电厂用户，即维修人员，设计者和实际使用者需要结合起来，从客户角度设计产品，从客户反馈来优化产品，让产品能够更方便用户才是最关键的。后续系统软件优化应该更多的以实际使用角度出发，确保功能的完整性和必要性，此次优化项目人机界面、新增功能以及增加数据记录等功能，能更贴近实际使用，能够将维修人从繁琐的故障排查中解脱出来，从发现到处理故障，做到事半功倍的效果。

4. 结论

通过对堆芯测量系统存在的风险点和问题项进行专项的分析，提出系统硬件、软件方面的修改优化的措施，并对优化做出初步的预测评价分析。经过此次优化的研究，对提出的措施和评价分析结论，系统优化内容能有效的提升系统测量精度，提高设备的稳定性以及处理故障的便捷性，为后续系统升级改造提供明确方向，为后续设备可靠性的提升提供技术支持。