三門核電反應堆冷卻劑溫度交叉校準研究

何飛軍

（三門核電有限公司，浙江 三門 317100）

三門核電一回路包含60 個PT100 熱電阻用于冷卻劑溫度測量，所有的熱電阻為雙支熱電阻，量程為10℃～371.1℃。這些熱電阻信號送往保護系統4 個序列，作為保護系統的重要關鍵參數，用于超溫/超功率停堆、生成允許信號和參與專設保護功能。

1 交叉校準適應性和必要性

在壓水反應堆電站通常會定期對熱電阻進行校準以修正儀表的漂移和精度偏差。交叉校準作為一種在線監測技術，可在機組正常停堆或啟動過程中，對冷卻劑回路熱電阻進行在線校準，及時糾正因熱電阻各種原因帶來的測量偏差問題。同時，三門核電交叉校準的使用可以避免因熱電阻拆裝帶來的響應時間測試問題。

1.1 熱電阻測量精度偏差因素

核級熱電阻本身具有較好的穩定性，出廠設計精度偏差控制在±0.11℃之內，整個20 年服役壽期精度偏差控制在不大于±0.28℃，但在實際使用過程中，受修正模型、安裝和現場環境等因素的影響，熱電阻測量結果上會出現一定的偏差。而交叉校驗的使用，可以很好地修正這類偏差。

1.1.1 熱電阻修正模型

根據IEC60751《工業鉑電阻溫度計和鉑溫度傳感器》標準規定[1]，熱電阻校準模塊的修正模型通常使用二次曲線模型，一般使用3 個或者5 個標定點，存在非標定點的測量精度的偏差。

1.1.2 現場工作環境

三門核電冷卻劑回路熱電阻所處的工作環境相比其他回路中的熱電阻要復雜許多，高溫、高壓、高輻射及振動都會加速熱電阻的老化，導致熱電阻測量精度隨著工作時間的推移而改變，產生所謂的儀表漂移現象。根據TR-1003099 報告顯示，反應堆冷卻劑回路對熱電阻的影響是隨機的，漂移結果有正向的，也有反向的[2]。這種隨機的漂移，對保護系統安全功能的執行是一種風險挑戰。

1.1.3 熱電阻安裝方式

三門核電反應堆冷卻劑熱電阻全部采用四線制連接方式，相比于二線制和三線制，在測量精度上已有很大提高。但考慮到熱電阻在整個信號傳遞過程中，受線路電阻的影響，電壓信號可能會在信號線上存在微小的分壓情況。此外，在保護系統內也會因板卡精度等問題引入一定的偏差量，使得整個熱電阻最終測量結果存在一定的隨機性偏差，即使整個過程引入的偏差量很小。

1.2 熱電阻響應時間測試要求

根據三門FSAR 的要求，反應堆停堆和專設功能相關的儀表需每24 個月執行一次響應時間測試，包括反應堆冷卻劑溫度測量元件熱電阻。根據該技術規范要求，除了定期執行熱電阻響應時間測試之外，對于新更換的熱電阻或者重新安裝的熱電阻均需要重新進行響應時間測試，避免因熱電阻重新安裝帶來的響應時間不合格問題。而交叉校驗的使用，在參數可修改的情況下，可避免熱電阻響應時間測試。

2 交叉校準的應用

交叉驗證作為一種在線監測技術，用于驗證一組或者一系列測量同一參數/物理量的冗余傳感器性能，通過對一定數量的冗余傳感器數據進行處理，得到接近現場真實物理量的計算值，之后將單個傳感器數據與計算值進行比較，最后通過最小二乘法數據擬合手段得到最終輸出[3]。

三門核電保護系統對于熱電阻溫度轉化，在二次曲線模型的基礎上，增加了五點溫度的線性修正，修正函數為Tc= Tm + offset+ gain*Tm ，其中Tc 為補償后的溫度，Tm 為實際測量溫度。該線性修正函數與交叉校準最小二乘法的修正可以做到匹配，簡化了熱電阻的修正。

2.1 交叉校驗技術數據源

交叉校驗數據采集一般在上層儀控系統進行，在常規模擬量電站，可通過傳統數據采集裝備（例如數據采集儀），在儀控機柜I/O 卡上進行數據采集，并進行必要的電壓/電阻到溫度的轉化；對于數字化儀控平臺，數據采集可通過專用儀控數據獲取系統（例如電站控制系統），直接保存和導出歷史數據即可，也無需進行數據類型的轉化。兩種方式都可以實現對數據的采集工作，但從實際操作來看，數字化儀控系統在這方面更具有優勢。

在數據采集過程中，對于等溫平臺（一般溫度變化在±0.15℃～±0.3℃）和非等溫平臺的情況，兩者的數據采集要求有些差異，采集數據要求也會不同。等溫平臺可以一次性實時采集全部數據，一般在5 個溫度平臺完成數據采集，采樣頻率為1s，每個溫度平臺持續采樣10min；非等溫平臺（溫度以一定的速率改變）可采用斜波數據采集方式（數據采集從1 到N，再從N 到1，反復交替），數據樣本與等溫平臺要求基本一致[4]。

2.2 交叉校驗數據修正

除了考慮到儀表漂移問題，現場數據采集過程中還可能存在一回路冷卻劑溫度波動的情況和溫度不一致性的問題。對于溫度波動導致的數據問題，可采用標準方差計算方式進行數據判定和剔除，具體計算方式如下[5]：

1）計算每個溫度平臺下，每個熱電阻的標準方差STD。

2）計算每個溫度平臺下每個STD 的均值AVE 和標準差σAVE。

3）計算每個溫度平臺下每個STD 和AVE 的差值Δ。

4）數據有效性的判定|Δ|≤σAVE，保留數據，否則剔除數據。

對于漂移和溫度不一致性問題，可以通過多次測量求平均值的方法來消除，而且參與的熱電阻數量越多，平均值越接近于真實值。但實際應用中，只有無堆芯衰變熱的情況，所有冷、熱段熱電阻才參與均值計算。對于存在堆芯衰變熱的情況，4 個冷段和2 個熱段將分別進行計算，因受參與均值計算熱電阻數量的影響，可能會使得真實溫度確認存在一定的偏差。

2.3 交叉校驗計算

在完成數據源的采集和處理后，可對數據進行交叉校驗計算，如圖1 所示。交叉校驗過程中，應按照以下步驟執行[6]：

1）計算每個熱電阻在每個溫度平臺的均值。

2）計算每個溫度平臺所有選擇熱電阻的均值（或者中值）。

3）超差數據判定和有效性計算。

4）如有超差數據存在，重新計算每個溫度平臺所有選擇熱電阻的均值（或者中值），反復執行，直到所有數據滿足驗收準則。如無超差數據，結束交叉校驗。

圖1 熱電阻交叉校驗計算流程圖Fig.1 Flow chart of calculation of thermal resistance cross-check

圖2 偏差修正效果圖Fig.2 Effect of deviation correction

5）超過數據判定，更換熱電阻或者對熱電阻參數進行修正。更換熱電阻，重新開始數據采集，并從步驟1 重新計算。

6）獲取當前系統配置的熱電阻參數，進行測量溫度的計算。

7）采用最小二乘法對測量溫度進行重新線性擬合，重新確認熱電阻修正參數。

8）系統內輸入新的熱電阻參數，結束交叉校驗。

2.4 交叉校驗結果處理

熱電阻交叉校驗后會給出兩種結論：是否調整gain 和offset 或者更換熱電阻。從當前三門核電試驗結果分析，一般在熱電阻安裝后的首次交叉校準過程中，不會涉及熱電阻更換，一方面新的熱電阻不會在這么短的周期內發生大的性能漂移，另一方面三門核電執行的熱電阻響應時間測試可以驗證熱電阻性能良好，測量數據的偏差一般是由于安裝和接口系統帶入，通過參數修正的方式可以消除偏差。圖2 是基于三門2 號機組交叉校驗的結果，明顯可以看出數據的偏差得到了有效的糾正，確保了后續機組運行過程中測量的一致性。然而，對于多個運行周期后的交叉校驗結果，選擇參數調整或者熱電阻更換，一是需要結合早前的測試數據進行性能趨勢分析，二是需要參考同一品牌熱電阻的歷史運行數據。

3 交叉校準技術的局限性

交叉校準作為一種在線監測技術，可以給熱電阻校準帶來很大的便利，可以及時發現熱電阻的偏差問題和性能下降趨勢，并采用一定的方法加以修正。但交叉校驗也存在一定的局限性：

1）交叉校準數據需要足夠量的樣本數據。三門核電首次啟動過程中，所有熱電阻參與計算。但在換料階段，冷、熱段回路分開計算，外加衰變熱引起熱段溫場不均，大大減少了樣本數量，影響最接近溫度的判定，會給后續偏差修正帶來一定難度。

2）對于同向漂移無法進行確認和評估。熱電阻的漂移是隨機的，如果同一回路發生多個熱電阻同向漂移時，會使得計算結果偏向漂移方向，增加系統計算誤差。

3）熱電阻老化會使得熱電阻參數修正失效。由于熱電阻老化時間的不確定性，在熱電阻交叉校準后，可能會因熱電阻進入老化期，導致校準后數據再次發生較大偏差。

4 結論

交叉校準雖然在實際應用過程中可能有一定的局限性，但作為一種在線監測方式，可以在線對熱電阻進行性能監測和分析，及時發現熱電阻偏差和性能下降，并根據測試結果做出正確的響應，以提高信號的可靠性和準確性，提高保護系統的實效性和安全性，對于核電廠安全運行和經濟運行有著積極的作用。