大亞灣核電站核島試驗儀表系統(tǒng)的國產(chǎn)化升級改造

　　一、引言
　　
　　在核電站的整個運行期間，為獲取重要設(shè)備性能的信息和某些特定參數(shù)的偏離狀況，大亞灣核電站專門設(shè)計了一套核島試驗儀表系統(tǒng)——KME系統(tǒng)，用于核島重要系統(tǒng)和設(shè)備的自動及定期試驗。
　　
　　KME系統(tǒng)的主要功能是執(zhí)行兩個重要的性能試驗：⑴用于計算反應(yīng)堆熱功率的熱平衡試驗；⑵為判斷RRI/SEC（設(shè)備冷卻水系統(tǒng)/核島重要生水系統(tǒng)）熱交換器換熱能力而進(jìn)行的RRI/SEC熱交換器性能試驗。兩個試驗均需要在數(shù)據(jù)處理端實現(xiàn)復(fù)雜的熱工水力計算，相關(guān)規(guī)范要求計算精度不低于1%，這就要求在信號端必須實現(xiàn)高精度的數(shù)據(jù)采集。
　　
　　二、系統(tǒng)特點
　　
　　KME系統(tǒng)主要的功能特點包括有：信號隔離和高精度數(shù)據(jù)采集功能、試驗控制功能、復(fù)雜熱工計算和文件管理功能。信號隔離和高精度數(shù)據(jù)采集功能。KME系統(tǒng)與上游信號源是電氣隔離的，數(shù)據(jù)采集精度高于0.01%。數(shù)據(jù)采集的周期zui快可以設(shè)置為25ms，同時系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集通道是路路隔離，電氣隔離電壓不低于1500VAC。
　　
　　試驗控制功能。定義電信號與實際物理值之間的轉(zhuǎn)換方式計算公式，并完成對系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集設(shè)備進(jìn)行初始化和配置。在試驗期間，系統(tǒng)可以提供顯示、跟蹤監(jiān)視、打印全部或部分測量信號及其物理值等功能。
　　
　　復(fù)雜熱工計算。按照試驗程序要求進(jìn)行熱平衡試驗和RRI/SEC熱交換器性能試驗；為滿足計算精度要求，需要考慮各種因素可能造成的影響，同時還要計算各種偏差產(chǎn)生的誤差傳遞函數(shù)以的驗證計算精度。
　　
　　文件管理功能。系統(tǒng)提供操縱員管理試驗文件和歷史數(shù)據(jù)的平臺。
　　
　　三、系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
　　
　　在充分分析需求和系統(tǒng)采購技術(shù)規(guī)范后，北京和利時系統(tǒng)工程股份有限公司為大亞灣核電站設(shè)計了全新的核島試驗儀表系統(tǒng)。　　
　　核島試驗儀表系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)由接線端子柜、采集隔離模塊、采集PC計算機、處理PC機及數(shù)據(jù)輸入和顯示設(shè)備組成。所有設(shè)備均位于電氣廠房。
　　
　　KME接線端子柜9KME001CQ集中了所有來自1號機組和2號機組的信號，信號經(jīng)端子柜送到采集處理柜進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。隔離采集機籠支持96路直流電壓/電流輸入。信號經(jīng)隔離后通過CAN總線將信號發(fā)送到采集計算機。數(shù)據(jù)采集計算機對隔離采集模塊數(shù)字化處理后的實時數(shù)據(jù)進(jìn)行高精度采集，并執(zhí)行工程量變換及數(shù)據(jù)合法性檢查，在數(shù)據(jù)上附加有數(shù)據(jù)特性和數(shù)據(jù)質(zhì)量的信息，然后將其集中并通過以太網(wǎng)傳送到數(shù)據(jù)處理計算機上。數(shù)據(jù)處理計算機通過以太網(wǎng)與位于數(shù)據(jù)采集計算機柜內(nèi)的數(shù)據(jù)采集計算機相連，主要功能是對發(fā)送過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行存貯和記錄，并可通過顯示器和鼠標(biāo)、鍵盤進(jìn)行顯示和操作。數(shù)據(jù)處理計算機執(zhí)行熱平衡試驗和RRI/SEC試驗的熱工計算和數(shù)據(jù)處理。
　　
　　四、軟件系統(tǒng)
　　
　　軟件系統(tǒng)包含系統(tǒng)平臺軟件和系統(tǒng)應(yīng)用軟件兩個部分。系統(tǒng)平臺軟件包括數(shù)據(jù)采集計算機上運行的操作系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集計算機中安裝了QNX實時操作系統(tǒng)。QNX是一種基于UNIX的實時操作系統(tǒng)，具有良好的多任務(wù)協(xié)同性和足夠的系統(tǒng)魯棒性，適于不存在人機交互的嵌入式應(yīng)用；在數(shù)據(jù)處理計算機上采用WINDOWS2000Server操作系統(tǒng)，其人機交互功能良好，適于開發(fā)復(fù)雜的數(shù)據(jù)操作程序。HHHH系統(tǒng)應(yīng)用軟件包括采集計算機應(yīng)用軟件、數(shù)據(jù)處理計算機應(yīng)用軟件和網(wǎng)關(guān)軟件；其中，數(shù)據(jù)處理計算機上的應(yīng)用軟件是專門面向KME執(zhí)行的兩個重要的熱工性能試驗開發(fā)的。
　　
　　五、系統(tǒng)主要功能簡述
　　
　　5.1系統(tǒng)管理
　　
　　系統(tǒng)管理功能包括安全性管理、操作系統(tǒng)訪問管理、系統(tǒng)配置和設(shè)備管理功能。　　
　　安全性管理是針對用戶權(quán)限和口令設(shè)置，有6種操作級別，每一級別定義不同的操作范圍。可分別對測量點組態(tài)、試驗方案設(shè)置和操作系統(tǒng)訪問等內(nèi)容進(jìn)行權(quán)限設(shè)置。操作系統(tǒng)訪問管理給用戶提供操作系統(tǒng)的訪問接口并進(jìn)行安全權(quán)限檢查，以確保系統(tǒng)的安全性。系統(tǒng)配置是對系統(tǒng)的應(yīng)用軟件模塊運行參數(shù)和系統(tǒng)硬件進(jìn)行配置。設(shè)備管理功能實時監(jiān)視系統(tǒng)設(shè)備運行狀態(tài)并提供設(shè)備安裝和維護(hù)的接口。
　　
　　系統(tǒng)管理模塊同時支持自動和手工校時服務(wù)，以實現(xiàn)全系統(tǒng)范圍內(nèi)的時鐘同步。系統(tǒng)可以通過一臺校時終端接收電廠母鐘發(fā)來的對時消息，廣播到KME系統(tǒng)的系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)上，使在該網(wǎng)絡(luò)上掛接的所有設(shè)備都得到對時。
　　
　　數(shù)據(jù)處理計算機是整個系統(tǒng)運行的核心也是KME系統(tǒng)管理的主要工具，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的集中處理、計算和系統(tǒng)的運行管理，其軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。
　　
　　5.2信號隔離
　　
　　單路直流信號輸入模塊在KME系統(tǒng)中用于采集直流輸入信號，可以通過手持編程器或采集計算機進(jìn)行校正和編程修改輸入信號的范圍和屬性（電流或電壓），其原理圖如圖3所示。　　
　　將A/D轉(zhuǎn)換安放在隔離放大器模塊中，對系統(tǒng)有極大的好處。在以往的系統(tǒng)中，只有一個A/D模塊負(fù)責(zé)所有的信號轉(zhuǎn)換，一旦這個模塊出現(xiàn)問題，所有的通道均不能工作；同時當(dāng)增加信號時，每一路信號均要消耗一次A/D轉(zhuǎn)換時間，是串行處理，所以路數(shù)越多，總的采集周期越長，使系統(tǒng)的動態(tài)精度特性變壞且不可預(yù)測，A/D模塊是一個瓶頸。由于技術(shù)的發(fā)展，在我們的系統(tǒng)中，采用了新的工藝和技術(shù)，每一個通道均有一個A/D送。由于數(shù)字信號的傳輸加有CRC等嚴(yán)格的檢錯和糾錯措施，其抗*力遠(yuǎn)大于模擬信號的傳輸，所以采用轉(zhuǎn)換器，所有通道同時轉(zhuǎn)換，是并行處理，每一個模塊已經(jīng)將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號向數(shù)據(jù)采集計算機傳數(shù)字信號可以大大提高系統(tǒng)的可靠性。同時由于A/D轉(zhuǎn)換是同步進(jìn)行的，增加信號不影響系統(tǒng)總的采集周期，提高了系統(tǒng)的實時性。
　　
　　5.3高精度數(shù)據(jù)采集
　　
　　在KME系統(tǒng)中，直流輸入信號的種類有：1～5V、0.2～1V、100mV～500mV、4～20mA、0V～10V。A/D部分的量程有2種，0V～+5V和-5V～+5V。在儀表放大器部分有4級放大倍數(shù)分別是：1、2、4、8。在0V～5V的A/D量程，可以輸入的信號范圍有：0V～5V、0V～2.5V、0V～1.25V、0V～0.625V。在-5V～+5V的A/D量程中，可以輸入的信號范圍有：-5～+5V、-2.5～+2.5V、-1.25V～+1.25V、-0.625V～+0.625V。所以直流輸入為1～5V時，可以選擇1倍放大倍數(shù)，利用了80%的量程。16位A/D的分辨率為1/65535，即使漂移達(dá)6個LSB，依舊可以達(dá)到0.01%的精度，輸入0.2～1V時，選擇4倍放大倍數(shù)，利用了64%的量程，只損失了1位的精度，可以達(dá)到1/32768的分辨率。輸入0.1～0.5V的信號時，選擇8倍的放大倍數(shù)，利用了64%的量程，只損失了1位的精度，可以達(dá)到1/32768的分辨率。在0V～10V輸入信號時，儀表放大器為1倍增益，A/D前的運算放大器做1/2衰減，達(dá)到0V～5V的量程。以上的說明可以證明在這4種的程控增益下，A/D轉(zhuǎn)換過程（包括隔離放大器和程控儀表放大器）至少達(dá)到0.02%的精度。
　　
　　5.4數(shù)據(jù)庫管理
　　
　　實時數(shù)據(jù)庫采用和利時開發(fā)的分布式實時數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)。HMI和實時數(shù)據(jù)庫無縫結(jié)合，共享數(shù)據(jù)。可采用OLE，OPC，ODBC，SQL等開放的協(xié)議或標(biāo)準(zhǔn)與通用的數(shù)據(jù)庫平臺（SQLServer，ORACLE，SYBASE等）交換數(shù)據(jù)。系統(tǒng)總?cè)萘看螅摂M中間點無限制。測量點組態(tài)和報警定義基于友好的圖形化界面和方便的人機會話方式，支持組態(tài)定義文件的導(dǎo)入和導(dǎo)出，可根據(jù)常用的試驗方案在系統(tǒng)中保存多個測量點組態(tài)方案，滿足靈活的試驗要求。能夠在試驗過程中修改數(shù)據(jù)庫（如修改點的物理量程、物理通道號、換算公式等）而不需要中斷系統(tǒng)操作，可大大地減少試驗準(zhǔn)備時間。
　　
　　5.5試驗控制功能
　　
　　試驗方案組態(tài)管理是對試驗配置參數(shù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)組織，系統(tǒng)設(shè)計支持每個試驗獨立進(jìn)行或多個試驗同時進(jìn)行，每個試驗配置都可保存為試驗方案定義文件。試驗啟停控制除可以控制試驗的啟動和停止外，還可以進(jìn)行單/多個試驗管理和測量點通道測試試驗。試驗參數(shù)配置功能可進(jìn)行如下設(shè)定：
　　
　　試驗描述：關(guān)于該試驗的描述信息。
　　
　　試驗方式：連續(xù)采樣試驗/事故觸發(fā)試驗，事故觸發(fā)試驗方式下定義觸發(fā)條件。
　　
　　采樣設(shè)置：采樣間隔（25ms的整數(shù)倍）、采樣方式（全采樣/選點采樣）。
　　
　　存儲設(shè)置：存儲間隔、存儲長度、數(shù)據(jù)類型（物理值/電氣值）和記錄類型（瞬時值/zui大值/zui小值/平均值）。
　　
　　在線參數(shù)修改：可以修改采樣間隔和存儲間隔，還可以進(jìn)行測量點采樣抑制/允許操作。
　　
　　5.6復(fù)雜熱工計算（以熱平衡計算為例）
　　
　　核電站運行期間，反應(yīng)堆堆芯熱功率是十分重要的一個參數(shù)。只有對堆芯熱功率進(jìn)行準(zhǔn)確、快速的測量，才能保證反應(yīng)堆安全、經(jīng)濟運行。如果堆芯熱功率測量值低于實際值，反應(yīng)堆將在超過其運行參數(shù)的條件下運行，反應(yīng)堆容易燒壞，從而引發(fā)事故，危及設(shè)備及人身安全。相反，如果堆芯熱功率測量值高于實際值，反應(yīng)堆沒有達(dá)到其額定運行條件，反應(yīng)堆向外放出的熱量及由此導(dǎo)致的發(fā)電量均低于設(shè)計值，機組的經(jīng)濟性將受到影響。
　　
　　KME系統(tǒng)采用熱平衡試驗進(jìn)行反應(yīng)堆堆芯熱功率的測量。
　　
　　熱平衡試驗是在測量蒸汽發(fā)生器中二回路工作介質(zhì)溫度、壓力、流量等物理參數(shù)的基礎(chǔ)上，計算出二回路工作介質(zhì)通過蒸汽發(fā)生器時產(chǎn)生的焓升，從而得到反應(yīng)堆一回路傳給二回路的能量，然后再把一回路通過其它設(shè)備得到的能量和失去的能量考慮進(jìn)去，由能量平衡原理求出反應(yīng)堆堆芯熱功率。
　　
　　在穩(wěn)態(tài)運行模式下，可得到如下能量平衡方程：　　
　　其中：
　　
　　WR為反應(yīng)堆堆芯熱功率（MW）
　　
　　WSGi為第i個蒸汽發(fā)生器內(nèi)二回路工作介質(zhì)獲得的熱功率（MW）W
　　
　　ΔPr為其它熱源傳給反應(yīng)堆冷卻系統(tǒng)的熱功率（MW）
　　
　　對于每一個回路，根據(jù)熱平衡，工質(zhì)所獲得的熱功率為：
　　
　　WSGi=QvHv+QpHp—QeHe（MW）（2）
　　
　　式（2）中，Qv：蒸汽發(fā)生器出口蒸汽流量（kg/s）；Hv：蒸汽發(fā)生器出口蒸汽焓值（kJ/kg）；Qp：蒸汽發(fā)生器排污流量（kg/s）；Hp：蒸汽發(fā)生器排污焓值（kJ/kg）；Qe：蒸汽發(fā)生器入口給水流量（kg/s）；He：蒸汽發(fā)生器入口給水焓值（kJ/kg）。
　　
　　計算過程中，為滿足計算精度要求，需要考慮摩阻系數(shù)、雷諾數(shù)、管道相對粗糙度以及管道和孔板溫度膨脹系數(shù)的影響，此外還要考慮主泵帶入的熱量、補給泵帶入的熱量和穩(wěn)壓加熱器帶入的熱量，輸出熱量有非再生熱交換器帶走的熱量、密封水換熱器帶走的熱量、反應(yīng)堆冷卻系統(tǒng)帶走的熱量和系統(tǒng)熱損失。在計算誤差傳遞函數(shù)時，需要同時考慮隨機誤差和系統(tǒng)誤差的影響。由公式（1）和可得到如下原理算式：　　
　　5.7圖形功能
　　
　　圖形功能支持動態(tài)數(shù)據(jù)點、棒圖、開關(guān)變圖、狀態(tài)趨勢顯示等，屏幕切換時間小于1秒，刷新周期小于0.5秒，每幅圖中動態(tài)點（圖）可達(dá)512個，每幅圖的大小不小于1024×768，支持彈出式對話框，當(dāng)畫面大于屏幕范圍時，支持圖形縮放功能，用戶可增加靜態(tài)圖片庫。每一屏幕zui大可以同時顯示4組曲線，每組曲線可以zui多5條曲線，每條曲線對應(yīng)的物理通道可以在試驗過程中任意修改。
　　
　　5.8報警功能
　　
　　支持多種級別的分類報警，包括各種報警列表和彈出式報警窗口。在報警時，對的對象作相應(yīng)處理（如圖形變色，閃爍等）。對發(fā)生的報警做記錄，記錄深度大于5000條，在超出時，保留的報警。可對報警做確認(rèn)、刪除、存盤和打印等后續(xù)處理。
　　
　　5.9歷史記錄功能
　　
　　系統(tǒng)對各種數(shù)據(jù)設(shè)定記錄間隔（zui小為1個采樣周期25ms，zui長為4000秒）。記錄的長度可自由設(shè)定，可隨時調(diào)用歷史文件顯示趨勢或打印。zui大數(shù)量與點數(shù)（物理和虛擬點）相同。各種趨勢圖可自由設(shè)定時間間隔，有放大縮小和游標(biāo)測量等功能，并能隨時打印。系統(tǒng)還可記錄所有發(fā)生的操作。
　　
　　六、結(jié)語
　　
　　大亞灣核電站試驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)滿足電站試驗的要求；經(jīng)過EDF同類設(shè)備的校驗和比對，KME系統(tǒng)的總體精度滿足規(guī)范要求，并且略高于原系統(tǒng)，為保證反應(yīng)堆安全、經(jīng)濟運行發(fā)揮了積極作用。