任 成，李聰新，楊星團(tuán)

（清華大學(xué) 核能與新能源技術(shù)研究院 先進(jìn)反應(yīng)堆工程與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084）

模塊式高溫氣冷堆技術(shù)由于其效率高、固有安全、用途廣等諸多優(yōu)勢(shì)被認(rèn)為是最有可能滿足第四代核能系統(tǒng)要求的堆型之一［1-2］。2006年初，“大型先進(jìn)壓水堆及高溫氣冷核電站”被列為16個(gè)重大專項(xiàng)之一，計(jì)劃開(kāi)展高溫堆關(guān)鍵技術(shù)研究并建立與之相應(yīng)的工業(yè)體系，為高溫氣冷堆的商業(yè)化運(yùn)行打好基礎(chǔ)，保持我國(guó)在高溫氣冷堆領(lǐng)域的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)［3-4］。發(fā)展高溫氣冷堆技術(shù)是一項(xiàng)重大的國(guó)家戰(zhàn)略，對(duì)于帶動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

目前，與高溫氣冷堆技術(shù)配套的工業(yè)體系方面，我國(guó)在設(shè)備制造國(guó)產(chǎn)化上已有所突破，但在材料配套工業(yè)方面尚有不足，諸多材料依賴進(jìn)口，價(jià)格昂貴［5-6］。其實(shí)，目前國(guó)內(nèi)工業(yè)界在高溫材料研發(fā)、制造方面已取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，新材料、新工藝層出不窮。主要制約因素是國(guó)內(nèi)針對(duì)高溫氣冷堆環(huán)境中的材料測(cè)試、考驗(yàn)等研究不足，很多材料能否在高溫氣冷堆環(huán)境氛圍下應(yīng)用尚不清楚。

為此，清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院研制了模擬高溫氣冷堆堆內(nèi)溫度、環(huán)境氛圍的材料試驗(yàn)裝置［7-8］。研究證明，高溫氣冷堆在極限事故工況下，堆芯最高溫度也不會(huì)超過(guò)1 600 ℃。因此，該環(huán)境模擬裝置設(shè)計(jì)為可進(jìn)行1 600 ℃及以下高溫碳還原環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)，展開(kāi)相關(guān)材料的研究工作。對(duì)材料測(cè)試裝置而言，測(cè)試區(qū)內(nèi)溫度的穩(wěn)定準(zhǔn)確測(cè)量是實(shí)驗(yàn)成功進(jìn)行的關(guān)鍵保障。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)裝置中心大電流加熱帶來(lái)的強(qiáng)電磁場(chǎng)對(duì)測(cè)試區(qū)內(nèi)的熱電偶信號(hào)施加了很大的干擾。本文針對(duì)該方面的問(wèn)題，進(jìn)行信號(hào)干擾的分析實(shí)驗(yàn)，明確干擾源及干擾途徑，提出切實(shí)可行的解決措施，較好地解決高溫堆環(huán)境模擬裝置中的熱電偶信號(hào)波動(dòng)問(wèn)題。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與現(xiàn)象

1.1 高溫堆環(huán)境模擬裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)

高溫氣冷堆環(huán)境模擬裝置如圖1所示，其主要目的是模擬反應(yīng)堆堆芯內(nèi)除放射性外的溫度、氣氛等環(huán)境，開(kāi)展高溫氣冷堆相關(guān)材料的試驗(yàn)工作。

圖1 高溫氣冷堆環(huán)境模擬裝置Fig.1 Environment simulation facility of high temperature gas-cooled reactor

該裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。其總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成真空石墨電阻爐形式，中心采用1個(gè)圓柱形管狀石墨電極作發(fā)熱體，銅電極和石墨連接電極穿過(guò)下保溫層連接到發(fā)熱體，提供電能。石墨發(fā)熱體外側(cè)罩有1個(gè)石墨均溫套筒，既起隔離作用，又能將周向溫度均勻化。四周保溫層采用碳?xì)植牧?，上下兩端較厚，四周保溫層較薄，使熱量盡量沿徑向傳遞。石墨均溫套筒與保溫層之間是寬度為100mm 的環(huán)形測(cè)試區(qū)，可放入各種待考驗(yàn)的材料。保溫層外側(cè)為雙層水冷壁，同時(shí)也是爐內(nèi)真空的密封邊界。

在這種結(jié)構(gòu)下，環(huán)形測(cè)試區(qū)內(nèi)的溫度可提升到設(shè)計(jì)要求的1 600 ℃，該溫度覆蓋了高溫氣冷堆在正常運(yùn)行和極限事故下的全部溫度范圍。同時(shí)由于裝置所有部件的材料均為碳素材料，因此營(yíng)造了與高溫氣冷堆堆內(nèi)相似的強(qiáng)碳還原氣氛，可用于考驗(yàn)材料的抗?jié)B碳能力。環(huán)境模擬裝置中不同區(qū)域內(nèi)均布置有測(cè)溫?zé)犭娕迹糜诒O(jiān)測(cè)裝置內(nèi)溫度場(chǎng)信息。其中保溫層內(nèi)熱偶為K 型熱電偶，環(huán)形測(cè)試區(qū)內(nèi)布置的是以鍛打鉬管作保護(hù)套管的鎢錸熱電偶。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集選用的是英國(guó)施倫伯杰儀器公司生產(chǎn)的輸力強(qiáng)分布式穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)采集器IMP。IMP 數(shù)據(jù)采集模塊是為穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)的，單個(gè)通道的最高采集速率為8s-1，具有系統(tǒng)組成簡(jiǎn)單、高精度、抗干擾性能強(qiáng)、現(xiàn)場(chǎng)分散安裝和適應(yīng)惡劣環(huán)境等特點(diǎn)，適用工業(yè)環(huán)境下多路穩(wěn)態(tài)信號(hào)采集監(jiān)測(cè)。

圖2 環(huán)境模擬裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.2 Inside structure of environment simulation facility

1.2 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

圖3為1次鎢錸熱電偶在石墨球床中穩(wěn)定性考驗(yàn)實(shí)驗(yàn)的溫度記錄數(shù)據(jù)。如圖2所示，環(huán)境模擬裝置的環(huán)形測(cè)試區(qū)中填滿了石墨球，鎢錸熱電偶插入其中，外保護(hù)套管與石墨直接接觸，考驗(yàn)熱電偶保護(hù)套管的抗?jié)B碳能力。該實(shí)驗(yàn)經(jīng)歷了升溫、1 100℃左右保溫、再升溫到1 600℃左右保溫的一個(gè)過(guò)程。可看到，環(huán)形測(cè)試區(qū)內(nèi)溫度升到了1 600℃，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

圖3 環(huán)形測(cè)試區(qū)內(nèi)溫度歷史Fig.3 Temperature history in annular test zone

但是，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，盡管實(shí)驗(yàn)的基本目標(biāo)已經(jīng)達(dá)到，環(huán)形測(cè)試區(qū)內(nèi)石墨球床中鎢錸熱電偶的溫度示值卻并不穩(wěn)定，波動(dòng)很大。圖4為測(cè)試區(qū)內(nèi)鎢錸熱電偶在1 630 ℃保溫階段時(shí)的瞬時(shí)采集信號(hào)，采用的是輸力強(qiáng)系統(tǒng)，每秒采集8個(gè)溫度信號(hào)?？煽吹?，雖然整體平均溫度達(dá)到了設(shè)定值，但溫度示值有著無(wú)規(guī)律的±25 ℃的高頻波動(dòng)。在本裝置中，溫度應(yīng)是一種緩變量，這種頻率的大幅波動(dòng)不應(yīng)是真實(shí)工況的反映，而應(yīng)是受外在干擾所致的示值波動(dòng)。這種示值波動(dòng)對(duì)高精度的溫度控制及測(cè)量無(wú)疑是影響很大的。

圖4 加電階段熱電偶信號(hào)波動(dòng)Fig.4 Fluctuation of thermocouple signal during power on

而在試驗(yàn)結(jié)束后，斷電降溫階段，鎢錸熱電偶的信號(hào)波動(dòng)現(xiàn)象消失，如圖5所示，溫度示值在平均溫度附近僅有±0.5 ℃的示值波動(dòng)。據(jù)此，可推測(cè)出測(cè)試區(qū)內(nèi)的鎢錸熱電偶的示值波動(dòng)應(yīng)與中心石墨加熱電極通電加熱有關(guān)。

此外，在低溫區(qū)也進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，如圖6所示，在100 ℃附近，一旦加熱功率系統(tǒng)啟動(dòng)，測(cè)溫?zé)犭娕嫉臏囟仁局挡▌?dòng)隨之出現(xiàn)，仍有50 ℃的幅度。低溫區(qū)的實(shí)驗(yàn)排除了熱電偶受高溫滲碳效應(yīng)的影響因素。

圖5 斷電階段熱電偶信號(hào)波動(dòng)Fig.5 Fluctuation of thermocouple signal during power off

圖6 低溫階段熱電偶信號(hào)波動(dòng)Fig.6 Fluctuation of thermocouple signal during low temperature stage

2 功率系統(tǒng)分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

高溫氣冷堆環(huán)境模擬裝置采用的是低電壓大電流直流供電方式。額定功率容量為72kW，額定輸出電流1 800A，額定電壓40V。功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用可控硅移相觸發(fā)方式實(shí)現(xiàn)輸出電壓無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)功率控制的目的。輸出電壓的調(diào)節(jié)范圍為0～98%滿量程。

2.1 功率系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

功率調(diào)節(jié)采用可控硅相控整流原理。每一相線上有兩只反向并聯(lián)的可控硅，通過(guò)控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)電流雙向流通。它是通過(guò)在每個(gè)周期內(nèi)調(diào)節(jié)可控硅導(dǎo)通的時(shí)間（導(dǎo)通角）來(lái)控制輸出功率的。在A、B、C 3點(diǎn)設(shè)置了3個(gè)觸發(fā)同步信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)通角的精確控制。另外，采用電流反饋的方式，設(shè)置了D、E、F 3個(gè)電流取樣點(diǎn)，當(dāng)電流取樣值和電流設(shè)定值不一致時(shí)，把偏差信號(hào)加到導(dǎo)通角控制端，增大或減小導(dǎo)通角，實(shí)現(xiàn)電流的負(fù)反饋，最終穩(wěn)定到電流的設(shè)定值，即功率穩(wěn)定到了設(shè)定值。功率調(diào)節(jié)電路示于圖7。

功率控制系統(tǒng)與外部三相380V 動(dòng)力電相連，再通過(guò)變壓器、整流電路將交流電變成直流，提供給石墨電加熱器使用。

2.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了研究中心加熱系統(tǒng)功率調(diào)節(jié)方式影響熱電偶溫度示值的干擾途徑，采用NI高速同步數(shù)據(jù)采集板卡PXIe-6356，設(shè)計(jì)了裝置加熱電壓、加熱電流和熱電偶信號(hào)的高速同步數(shù)據(jù)采集軟件，對(duì)環(huán)境模擬裝置在加熱過(guò)程中的電壓、電流和熱電偶信號(hào)進(jìn)行1 M／s速率的高速同步采集。取其中1個(gè)周期（0.02s）時(shí)間間隔內(nèi)的20 000組測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

高速采集的加熱電壓信號(hào)如圖8所示。由圖8可知，環(huán)境模擬裝置的直流加熱，電壓并不恒定，而是類似全波整流的波形，由可控硅控制每個(gè)半波的導(dǎo)通寬度，進(jìn)而調(diào)節(jié)平均電壓?？捎^察到，在可控硅導(dǎo)通的瞬間，引起了加熱電壓的1個(gè)階躍跳變。

高速采集的加熱電流信號(hào)如圖9所示。由圖9可知，加熱電流也并不恒定，而是類似三角波波形?？捎^察到，在可控硅導(dǎo)通的瞬間，由于電壓的跳變，引起電流的瞬變，電流的平均值為400A 左右，但在突變的瞬間，電流存在大小在-1 000～3 000A 范圍內(nèi)變化的尖峰。

圖7 功率調(diào)節(jié)電路Fig.7 Power regulation circuit

圖8 加熱電壓信號(hào)Fig.8 Heating voltage signal

圖9 加熱電流信號(hào)Fig.9 Heating current signal

高速采集的熱電偶溫度信號(hào)如圖10 所示。電流的瞬時(shí)劇烈變化引起了電磁干擾，在電流躍變點(diǎn)，熱電偶的測(cè)溫信號(hào)受到強(qiáng)烈干擾。由于熱電偶信號(hào)為微小的mV 電勢(shì)，電磁干擾引起的瞬態(tài)干擾量級(jí)達(dá)到了V 級(jí)，對(duì)應(yīng)熱電偶溫度信號(hào)變化幅度可達(dá)數(shù)千℃。但可觀察到，熱電偶信號(hào)所受干擾并非在整個(gè)通電期間持續(xù)存在，而只是在可控硅導(dǎo)通瞬間存在瞬時(shí)尖峰干擾。

圖10 熱電偶信號(hào)Fig.10 Thermocouple signal

三者同步信號(hào)如圖11所示，其中，為了幅值匹配便于展示，電壓信號(hào)在作圖時(shí)放大了100倍。可看到，加熱電壓、電流、熱電偶信號(hào)的波動(dòng)是同步的，且時(shí)間間隔固定。裝置的供電由50Hz工業(yè)電經(jīng)三相整流得到，所以干擾點(diǎn)出現(xiàn)的頻率是300Hz，即熱電偶信號(hào)在每秒內(nèi)存在300個(gè)干擾點(diǎn)。高溫氣冷堆環(huán)境模擬裝置所采用的IMP 數(shù)據(jù)采集器為穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)采集器，是一種低速數(shù)據(jù)采集。其硬件采用的是積分型A／D 結(jié)構(gòu)，每秒采集8次數(shù)據(jù)，每次采集相當(dāng)于測(cè)量了一段時(shí)間內(nèi)的平均值。盡管其有一定的平均抗干擾作用，但由于干擾引起的溫度跳變幅度達(dá)上千度，因此當(dāng)AD 轉(zhuǎn)換的積分過(guò)程中存在多個(gè)強(qiáng)烈干擾點(diǎn)時(shí)，測(cè)量結(jié)果必然受到干擾，表現(xiàn)出的則是無(wú)規(guī)則的幅度在50℃的波動(dòng)。

圖11 加熱過(guò)程中電壓、電流、熱電偶信號(hào)同步變化Fig.11 Synchronization of voltage，current and thermocouple signal during power on

3 解決方案

針對(duì)上述由于功率系統(tǒng)可控硅調(diào)節(jié)導(dǎo)致的電磁干擾，最根本的辦法是對(duì)電磁干擾進(jìn)行屏蔽，但往往較為復(fù)雜也難以徹底消除。為此，采用了較為簡(jiǎn)單且實(shí)用的軟件解決方案?？紤]到干擾僅在有限點(diǎn)處存在且具有固定頻率，如果數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以300 Hz的倍數(shù)或約數(shù)周期采集，如每 秒 采 集300、100、30、1 次 等，只 要 第1次采集沒(méi)有與干擾點(diǎn)重合，則之后采集點(diǎn)處都能與干擾點(diǎn)錯(cuò)開(kāi)，整個(gè)采集過(guò)程中都不會(huì)受到干擾。

對(duì)此進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，通過(guò)NI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在5Hz采樣速率下對(duì)熱電偶信號(hào)進(jìn)行采集。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，如圖12所示，無(wú)論加熱系統(tǒng)是否通電運(yùn)行，溫度測(cè)量原始數(shù)據(jù)波動(dòng)均控制在1 ℃以內(nèi)，能保障相關(guān)材料試驗(yàn)的順利進(jìn)行。

圖12 NI系統(tǒng)5Hz采集數(shù)據(jù)Fig.12 Thermocouple signal based on NI 5Hz acquisition

在避開(kāi)干擾點(diǎn)采集的基礎(chǔ)上，利用NI的高速采集技術(shù)，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行平均化處理，采樣頻率仍為5 Hz，在每個(gè)采樣點(diǎn)處高速采集500 個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行平均處理，得到的溫度信號(hào)如圖13所示，可進(jìn)一步使采集的溫度信號(hào)波動(dòng)在0.1 ℃以內(nèi)，可進(jìn)行更高精度的溫度控制實(shí)驗(yàn)。

圖13 NI系統(tǒng)高速采集平均化效果Fig.13 Average effect of thermocouple signal based on NI high-speed acquisition

4 總結(jié)

為進(jìn)行高溫氣冷堆相關(guān)材料的測(cè)試、考驗(yàn)工作，清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院研制了對(duì)高溫氣冷堆堆內(nèi)環(huán)境進(jìn)行模擬的實(shí)驗(yàn)裝置，可模擬1 600 ℃及以下溫度的高溫碳還原環(huán)境。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)裝置的中心大電流加熱產(chǎn)生的強(qiáng)電磁場(chǎng)對(duì)環(huán)形測(cè)試區(qū)內(nèi)的熱電偶施加了很大的干擾，使輸出的溫度信號(hào)附加了幅度達(dá)幾十℃的高頻無(wú)規(guī)則波動(dòng)?；贜I高速同步采集技術(shù)，同步采集加熱電壓、電流、熱電偶信號(hào)，進(jìn)行了信號(hào)干擾的分析實(shí)驗(yàn)，明確了干擾信號(hào)來(lái)自功率系統(tǒng)的可控硅調(diào)節(jié)，發(fā)現(xiàn)了干擾信號(hào)僅存在于可控硅導(dǎo)通的有限點(diǎn)處且存在固定頻率的規(guī)律。針對(duì)干擾信號(hào)的自身規(guī)律，提出了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采樣頻率與干擾頻率保持同步的軟件抗干擾措施，較好地解決了高溫堆環(huán)境模擬裝置中的熱電偶信號(hào)波動(dòng)問(wèn)題，保障了相關(guān)材料試驗(yàn)的順利進(jìn)行。

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