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(gè)PT100 熱電阻用于冷卻劑溫度測(cè)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(hào)送往保護(hù)系統(tǒng)4 個(gè)序列，作為保護(hù)系統(tǒng)的重要關(guān)鍵參數(shù)，用于超溫/超功率停堆、生成允許信號(hào)和參與專設(shè)保護(hù)功能。

1 交叉校準(zhǔn)適應(yīng)性和必要性

在壓水反應(yīng)堆電站通常會(huì)定期對(duì)熱電阻進(jìn)行校準(zhǔn)以修正儀表的漂移和精度偏差。交叉校準(zhǔn)作為一種在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，可在機(jī)組正常停堆或啟動(dòng)過程中，對(duì)冷卻劑回路熱電阻進(jìn)行在線校準(zhǔn)，及時(shí)糾正因熱電阻各種原因帶來的測(cè)量偏差問題。同時(shí)，三門核電交叉校準(zhǔn)的使用可以避免因熱電阻拆裝帶來的響應(yīng)時(shí)間測(cè)試問題。

1.1 熱電阻測(cè)量精度偏差因素

核級(jí)熱電阻本身具有較好的穩(wěn)定性，出廠設(shè)計(jì)精度偏差控制在±0.11℃之內(nèi)，整個(gè)20 年服役壽期精度偏差控制在不大于±0.28℃，但在實(shí)際使用過程中，受修正模型、安裝和現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境等因素的影響，熱電阻測(cè)量結(jié)果上會(huì)出現(xiàn)一定的偏差。而交叉校驗(yàn)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(jù)IEC60751《工業(yè)鉑電阻溫度計(jì)和鉑溫度傳感器》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定[1]，熱電阻校準(zhǔn)模塊的修正模型通常使用二次曲線模型，一般使用3 個(gè)或者5 個(gè)標(biāo)定點(diǎn)，存在非標(biāo)定點(diǎn)的測(cè)量精度的偏差。

1.1.2 現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境

三門核電冷卻劑回路熱電阻所處的工作環(huán)境相比其他回路中的熱電阻要復(fù)雜許多，高溫、高壓、高輻射及振動(dòng)都會(huì)加速熱電阻的老化，導(dǎo)致熱電阻測(cè)量精度隨著工作時(shí)間的推移而改變，產(chǎn)生所謂的儀表漂移現(xiàn)象。根據(jù)TR-1003099 報(bào)告顯示，反應(yīng)堆冷卻劑回路對(duì)熱電阻的影響是隨機(jī)的，漂移結(jié)果有正向的，也有反向的[2]。這種隨機(jī)的漂移，對(duì)保護(hù)系統(tǒng)安全功能的執(zhí)行是一種風(fēng)險(xiǎn)挑戰(zhàn)。

1.1.3 熱電阻安裝方式

三門核電反應(yīng)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(cè)量精度上已有很大提高。但考慮到熱電阻在整個(gè)信號(hào)傳遞過程中，受線路電阻的影響，電壓信號(hào)可能會(huì)在信號(hào)線上存在微小的分壓情況。此外，在保護(hù)系統(tǒng)內(nèi)也會(huì)因板卡精度等問題引入一定的偏差量，使得整個(gè)熱電阻最終測(cè)量結(jié)果存在一定的隨機(jī)性偏差，即使整個(gè)過程引入的偏差量很小。

1.2 熱電阻響應(yīng)時(shí)間測(cè)試要求

根據(jù)三門FSAR 的要求，反應(yīng)堆停堆和專設(shè)功能相關(guān)的儀表需每24 個(gè)月執(zhí)行一次響應(yīng)時(shí)間測(cè)試，包括反應(yīng)堆冷卻劑溫度測(cè)量元件熱電阻。根據(jù)該技術(shù)規(guī)范要求，除了定期執(zhí)行熱電阻響應(yīng)時(shí)間測(cè)試之外，對(duì)于新更換的熱電阻或者重新安裝的熱電阻均需要重新進(jìn)行響應(yīng)時(shí)間測(cè)試，避免因熱電阻重新安裝帶來的響應(yīng)時(shí)間不合格問題。而交叉校驗(yàn)的使用，在參數(shù)可修改的情況下，可避免熱電阻響應(yīng)時(shí)間測(cè)試。

2 交叉校準(zhǔn)的應(yīng)用

交叉驗(yàn)證作為一種在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，用于驗(yàn)證一組或者一系列測(cè)量同一參數(shù)/物理量的冗余傳感器性能，通過對(duì)一定數(shù)量的冗余傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到接近現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)物理量的計(jì)算值，之后將單個(gè)傳感器數(shù)據(jù)與計(jì)算值進(jìn)行比較，最后通過最小二乘法數(shù)據(jù)擬合手段得到最終輸出[3]。

三門核電保護(hù)系統(tǒng)對(duì)于熱電阻溫度轉(zhuǎn)化，在二次曲線模型的基礎(chǔ)上，增加了五點(diǎn)溫度的線性修正，修正函數(shù)為Tc= Tm + offset+ gain*Tm ，其中Tc 為補(bǔ)償后的溫度，Tm 為實(shí)際測(cè)量溫度。該線性修正函數(shù)與交叉校準(zhǔn)最小二乘法的修正可以做到匹配，簡(jiǎn)化了熱電阻的修正。

2.1 交叉校驗(yàn)技術(shù)數(shù)據(jù)源

交叉校驗(yàn)數(shù)據(jù)采集一般在上層儀控系統(tǒng)進(jìn)行，在常規(guī)模擬量電站，可通過傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集裝備（例如數(shù)據(jù)采集儀），在儀控機(jī)柜I/O 卡上進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并進(jìn)行必要的電壓/電阻到溫度的轉(zhuǎn)化；對(duì)于數(shù)字化儀控平臺(tái)，數(shù)據(jù)采集可通過專用儀控?cái)?shù)據(jù)獲取系統(tǒng)（例如電站控制系統(tǒng)），直接保存和導(dǎo)出歷史數(shù)據(jù)即可，也無需進(jìn)行數(shù)據(jù)類型的轉(zhuǎn)化。兩種方式都可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的采集工作，但從實(shí)際操作來看，數(shù)字化儀控系統(tǒng)在這方面更具有優(yōu)勢(shì)。

在數(shù)據(jù)采集過程中，對(duì)于等溫平臺(tái)（一般溫度變化在±0.15℃～±0.3℃）和非等溫平臺(tái)的情況，兩者的數(shù)據(jù)采集要求有些差異，采集數(shù)據(jù)要求也會(huì)不同。等溫平臺(tái)可以一次性實(shí)時(shí)采集全部數(shù)據(jù)，一般在5 個(gè)溫度平臺(tái)完成數(shù)據(jù)采集，采樣頻率為1s，每個(gè)溫度平臺(tái)持續(xù)采樣10min；非等溫平臺(tái)（溫度以一定的速率改變）可采用斜波數(shù)據(jù)采集方式（數(shù)據(jù)采集從1 到N，再從N 到1，反復(fù)交替），數(shù)據(jù)樣本與等溫平臺(tái)要求基本一致[4]。

2.2 交叉校驗(yàn)數(shù)據(jù)修正

除了考慮到儀表漂移問題，現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集過程中還可能存在一回路冷卻劑溫度波動(dòng)的情況和溫度不一致性的問題。對(duì)于溫度波動(dòng)導(dǎo)致的數(shù)據(jù)問題，可采用標(biāo)準(zhǔn)方差計(jì)算方式進(jìn)行數(shù)據(jù)判定和剔除，具體計(jì)算方式如下[5]：

1）計(jì)算每個(gè)溫度平臺(tái)下，每個(gè)熱電阻的標(biāo)準(zhǔn)方差STD。

2）計(jì)算每個(gè)溫度平臺(tái)下每個(gè)STD 的均值A(chǔ)VE 和標(biāo)準(zhǔn)差σAVE。

3）計(jì)算每個(gè)溫度平臺(tái)下每個(gè)STD 和AVE 的差值Δ。

4）數(shù)據(jù)有效性的判定|Δ|≤σAVE，保留數(shù)據(jù)，否則剔除數(shù)據(jù)。

對(duì)于漂移和溫度不一致性問題，可以通過多次測(cè)量求平均值的方法來消除，而且參與的熱電阻數(shù)量越多，平均值越接近于真實(shí)值。但實(shí)際應(yīng)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(jì)算。對(duì)于存在堆芯衰變熱的情況，4 個(gè)冷段和2 個(gè)熱段將分別進(jìn)行計(jì)算，因受參與均值計(jì)算熱電阻數(shù)量的影響，可能會(huì)使得真實(shí)溫度確認(rèn)存在一定的偏差。

2.3 交叉校驗(yàn)計(jì)算

在完成數(shù)據(jù)源的采集和處理后，可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行交叉校驗(yàn)計(jì)算，如圖1 所示。交叉校驗(yàn)過程中，應(yīng)按照以下步驟執(zhí)行[6]：

1）計(jì)算每個(gè)熱電阻在每個(gè)溫度平臺(tái)的均值。

2）計(jì)算每個(gè)溫度平臺(tái)所有選擇熱電阻的均值（或者中值）。

3）超差數(shù)據(jù)判定和有效性計(jì)算。

4）如有超差數(shù)據(jù)存在，重新計(jì)算每個(gè)溫度平臺(tái)所有選擇熱電阻的均值（或者中值），反復(fù)執(zhí)行，直到所有數(shù)據(jù)滿足驗(yàn)收準(zhǔn)則。如無超差數(shù)據(jù)，結(jié)束交叉校驗(yàn)。

圖1 熱電阻交叉校驗(yàn)計(jì)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(shù)據(jù)判定，更換熱電阻或者對(duì)熱電阻參數(shù)進(jìn)行修正。更換熱電阻，重新開始數(shù)據(jù)采集，并從步驟1 重新計(jì)算。

6）獲取當(dāng)前系統(tǒng)配置的熱電阻參數(shù)，進(jìn)行測(cè)量溫度的計(jì)算。

7）采用最小二乘法對(duì)測(cè)量溫度進(jìn)行重新線性擬合，重新確認(rèn)熱電阻修正參數(shù)。

8）系統(tǒng)內(nèi)輸入新的熱電阻參數(shù)，結(jié)束交叉校驗(yàn)。

2.4 交叉校驗(yàn)結(jié)果處理

熱電阻交叉校驗(yàn)后會(huì)給出兩種結(jié)論：是否調(diào)整gain 和offset 或者更換熱電阻。從當(dāng)前三門核電試驗(yàn)結(jié)果分析，一般在熱電阻安裝后的首次交叉校準(zhǔn)過程中，不會(huì)涉及熱電阻更換，一方面新的熱電阻不會(huì)在這么短的周期內(nèi)發(fā)生大的性能漂移，另一方面三門核電執(zhí)行的熱電阻響應(yīng)時(shí)間測(cè)試可以驗(yàn)證熱電阻性能良好，測(cè)量數(shù)據(jù)的偏差一般是由于安裝和接口系統(tǒng)帶入，通過參數(shù)修正的方式可以消除偏差。圖2 是基于三門2 號(hào)機(jī)組交叉校驗(yàn)的結(jié)果，明顯可以看出數(shù)據(jù)的偏差得到了有效的糾正，確保了后續(xù)機(jī)組運(yùn)行過程中測(cè)量的一致性。然而，對(duì)于多個(gè)運(yùn)行周期后的交叉校驗(yàn)結(jié)果，選擇參數(shù)調(diào)整或者熱電阻更換，一是需要結(jié)合早前的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行性能趨勢(shì)分析，二是需要參考同一品牌熱電阻的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)。

3 交叉校準(zhǔn)技術(shù)的局限性

交叉校準(zhǔn)作為一種在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，可以給熱電阻校準(zhǔn)帶來很大的便利，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)熱電阻的偏差問題和性能下降趨勢(shì)，并采用一定的方法加以修正。但交叉校驗(yàn)也存在一定的局限性：

1）交叉校準(zhǔn)數(shù)據(jù)需要足夠量的樣本數(shù)據(jù)。三門核電首次啟動(dòng)過程中，所有熱電阻參與計(jì)算。但在換料階段，冷、熱段回路分開計(jì)算，外加衰變熱引起熱段溫場(chǎng)不均，大大減少了樣本數(shù)量，影響最接近溫度的判定，會(huì)給后續(xù)偏差修正帶來一定難度。

2）對(duì)于同向漂移無法進(jìn)行確認(rèn)和評(píng)估。熱電阻的漂移是隨機(jī)的，如果同一回路發(fā)生多個(gè)熱電阻同向漂移時(shí)，會(huì)使得計(jì)算結(jié)果偏向漂移方向，增加系統(tǒng)計(jì)算誤差。

3）熱電阻老化會(huì)使得熱電阻參數(shù)修正失效。由于熱電阻老化時(shí)間的不確定性，在熱電阻交叉校準(zhǔn)后，可能會(huì)因熱電阻進(jìn)入老化期，導(dǎo)致校準(zhǔn)后數(shù)據(jù)再次發(fā)生較大偏差。

4 結(jié)論

交叉校準(zhǔn)雖然在實(shí)際應(yīng)用過程中可能有一定的局限性，但作為一種在線監(jiān)測(cè)方式，可以在線對(duì)熱電阻進(jìn)行性能監(jiān)測(cè)和分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)熱電阻偏差和性能下降，并根據(jù)測(cè)試結(jié)果做出正確的響應(yīng)，以提高信號(hào)的可靠性和準(zhǔn)確性，提高保護(hù)系統(tǒng)的實(shí)效性和安全性，對(duì)于核電廠安全運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有著積極的作用。