核電廠反應(yīng)堆功率控制系統(tǒng)測試研究范文

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摘要：反應(yīng)堆功率控制系統(tǒng)是核電廠DCS系統(tǒng)的重要組成部分，本文闡述了其基本原理，并詳細(xì)介紹了在工廠測試階段完成其功能測試的實現(xiàn)方案。該方案以LabVIEW為基礎(chǔ)，并結(jié)合相應(yīng)的硬件設(shè)計，實現(xiàn)了反應(yīng)堆功率控制系統(tǒng)信號的采集、處理和發(fā)送，以及測試結(jié)果的存儲、計算和分析。通過在陽江核電廠反應(yīng)堆功率控制系統(tǒng)工廠測試中的應(yīng)用，該方案得出的測試結(jié)果表明，各工況參數(shù)符合理論及實際運行值，滿足工廠測試的全部要求，并可為儀控行業(yè)中類似的測試提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：反應(yīng)堆功率控制；虛擬儀器；DCS；LabVIEW

反應(yīng)堆功率控制系統(tǒng)是核電廠DCS控制系統(tǒng)的重要組成部分，在工廠測試階段，要對其進(jìn)行全面測試，以驗證其是否滿足核電廠運行控制的要求。在測試中，為了盡可能地模擬反應(yīng)堆運行狀態(tài)及驗證某一參數(shù)對功率控制的影響，需要同時注入與反應(yīng)堆功率控制相關(guān)的所有信號。傳統(tǒng)測試方法既需要大量的人力和物力，同時也無法準(zhǔn)確地分析信號變化的時序關(guān)系。本方案利用虛擬儀器技術(shù)，以LabVIEW為軟件平臺，通過設(shè)計相應(yīng)的硬件板卡，實現(xiàn)了現(xiàn)場信號的模擬和邏輯關(guān)系的傳遞，進(jìn)而達(dá)到了測試目的。

1反應(yīng)堆功率控制介紹

反應(yīng)堆功率控制系統(tǒng)主要包括功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)和溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，需要指出的是，溫度調(diào)節(jié)的實質(zhì)仍是功率調(diào)節(jié)，只是溫度調(diào)節(jié)是將溫度作為控制變量，其引起反應(yīng)堆功率變化較小，是功率調(diào)節(jié)的微調(diào)和補充。本文只以功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)為理論基礎(chǔ)，對溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)不做介紹。

1.1反應(yīng)堆功率控制原理在“堆跟機”模式（即G模式）下，反應(yīng)堆功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)要迅速跟蹤二回路的功率變化。同時，根據(jù)二回路工況和控制模式等信息選擇待跟蹤的功率。在核電廠運行期間，功率整定值的變化會引起棒位整定值的變化，當(dāng)棒位整定值和棒位實際值不一致時，會產(chǎn)生棒位偏差信號，根據(jù)該偏差信號的正負(fù)和大小產(chǎn)生棒向和棒速信號，這些信號會輸出給功率棒組執(zhí)行單元，控制功率棒的提插，以跟蹤負(fù)荷。反應(yīng)堆功率控制原理如圖1所示[1]。由圖可見，反應(yīng)堆功率控制系統(tǒng)的目的就是實現(xiàn)反應(yīng)堆熱功率與電功率相匹配，其本身是一個開環(huán)系統(tǒng)的跟蹤控制。

2反應(yīng)堆功率控制系統(tǒng)測試

反應(yīng)堆功率控制是核電廠功率控制的核心環(huán)節(jié)，在工廠測試階段對反應(yīng)堆功率控制系統(tǒng)的測試提出了很高的要求（見圖2），包括：（1）反應(yīng)堆功率控制系統(tǒng)的功能邏輯需滿足RGL系統(tǒng)的系統(tǒng)需求；（2）對反應(yīng)堆功率控制系統(tǒng)性能及功能邏輯需進(jìn)行100%覆蓋率的驗證；（3）注入系統(tǒng)的信號要與現(xiàn)場信號相一致。為了達(dá)到以上要求并提高測試效率，本文設(shè)計了具有自動測試功能的測試平臺。在實際測試中，將反應(yīng)堆功率控制系統(tǒng)分為互有重疊的三部分進(jìn)行驗證，分別是功率調(diào)節(jié)、溫度調(diào)節(jié)和功率失配報警。其中功率調(diào)節(jié)最為復(fù)雜，本文即以功率調(diào)節(jié)作為對象闡述工廠測試階段測試方案的設(shè)計與實現(xiàn)。

2.1測試平臺設(shè)計方案2.1.1測試平臺整體設(shè)計根據(jù)反應(yīng)堆功率控制系統(tǒng)功能測試的需要，工廠測試平臺要達(dá)到如下基本要求：（1）結(jié)構(gòu)設(shè)計：機柜要符合GB19520—2007并具有便攜性和可擴展性；（2）性能指標(biāo)：I/O通道指標(biāo)要高于DCS系統(tǒng)指標(biāo)，整體技術(shù)指標(biāo)要達(dá)到NC級設(shè)備的要求；（3）軟件：人機界面友好并能模擬被控對象，提供準(zhǔn)確有效的測試數(shù)據(jù)，可支持人工更改測試程序。與傳統(tǒng)測試儀器不同，虛擬儀器由工控機和功能化硬件模塊組成，不僅設(shè)備操控和測量結(jié)果借助于計算機以虛擬面板實現(xiàn)，而且數(shù)據(jù)傳送、分析、處理和存儲均由計算機軟件完成，大大提高了測試的質(zhì)量和效率。以功率控制功能測試為例：按照功率控制功能測試大綱的要求，僅滿足100%FP工況的需要就添加了124個硬接線點，其中多為4～20mA信號，即使單個測試小項也需同時接入多個變量來滿足試驗條件，需要多塊儀表配合，但同時，儀表的穩(wěn)定性和受干擾強度也在一定程度上影響了參數(shù)精度，進(jìn)而影響測試質(zhì)量。在實際測試中，用傳統(tǒng)測試儀器完成功率控制功能測試需要420個工時/人。如果能將虛擬儀器應(yīng)用在測試平臺的構(gòu)建上，則不僅能滿足上文三個要求，還能節(jié)省大量的人力物力，這也是我們引入虛擬儀器的原因。根據(jù)以上總體要求，在硬件架構(gòu)方面，本平臺采用了易擴展的PXI總線技術(shù)。基于該技術(shù)構(gòu)成的自動測試平臺功能全面且易實現(xiàn)，只需在計算機上掛接PXI接口的功能模塊，配合相應(yīng)的軟件，就可以實現(xiàn)信號的采集和處理功能；在軟件設(shè)計方面，采用了面向最終用戶的LabVIEW2011平臺，采用虛擬儀器技術(shù)，通過軟件配置，靈活實現(xiàn)各項測試功能。本平臺的整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，其中①為硬件設(shè)計部分，②為軟件設(shè)計部分。2.1.2硬件設(shè)計采用了PXI系列數(shù)據(jù)采集卡，其數(shù)字量為5VTTL/CMOS信號，模擬量信號最大范圍為±10V，并不能直接接收現(xiàn)場的信號，同時其對外驅(qū)動能力比較有限，因此需設(shè)計合理的信號調(diào)理板作為現(xiàn)場側(cè)與數(shù)據(jù)采集卡的轉(zhuǎn)換接口。此外，為避免工業(yè)現(xiàn)場側(cè)各信號的串?dāng)_，得到高精度的測量結(jié)果，各通道相互獨立。為了提高信號調(diào)理板單板的穩(wěn)定性和通用性，本硬件設(shè)計采用了模塊化設(shè)計思想，即將信號調(diào)理板分為分線板和調(diào)理板兩部分。信號調(diào)理板結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。2.1.3軟件設(shè)計采用基于圖形程序設(shè)計語言的LabVIEW軟件，其基本程序單位是VI（VirtualInstrument虛擬儀器），每個VI模塊完成指定功能，通過軟件程序的調(diào)用，既可以完成指定的測試功能，也可以集成通用的測試平臺，從而實現(xiàn)全部功能的測試。軟件層次結(jié)構(gòu)如圖5所示。按軟件層次結(jié)構(gòu)圖，設(shè)計反應(yīng)堆功率控制測試系統(tǒng)軟件；針對功率控制系統(tǒng)的功能和實際需求，進(jìn)行針對性的開發(fā)；按實際控制原理，設(shè)計內(nèi)部邏輯；按人機界面要求，設(shè)計人機接口；通過實際信號的注入與變化，驗證反應(yīng)堆功率控制系統(tǒng)邏輯的正確性并作記錄。軟件組成如圖6所示。2.1.4數(shù)據(jù)驗證測試平臺搭建后，為驗證平臺的準(zhǔn)確性和精度，選取了功率控制功能測試的4個I/O點進(jìn)行了數(shù)據(jù)比對。結(jié)果如表1，經(jīng)計算，該表中觀測值滿足表2中對I/O通道指標(biāo)的要求。

2.2功率控制功能測試實現(xiàn)在測試中需要驗證二回路各參數(shù)的變化對反應(yīng)堆功率以及功率棒運行方式的影響。根據(jù)驗證條件的不同，測試內(nèi)容分為19個小項。下文以其中1個小項—“驗證校準(zhǔn)模式下功率棒運行方式”為例，具體說明功能測試的過程。該測試項的測試需求為：通過改變汽機工作模式和汽機功率，來驗證實際的棒位跟蹤值和棒位速度、方向是否與理論設(shè)計相同？是否滿足功率控制的需要？“驗證校準(zhǔn)模式下功率棒運行方式”測試步驟如下：（1）按照設(shè)計要求，初始化100%工況參數(shù)。（2）確定功率棒的運行模式及棒速分布曲線。本小項測試在校準(zhǔn)模式下，無插棒閉鎖信號，當(dāng)偏差小于1步時，棒速為0；當(dāng)偏差大于1步時，棒速為72步/min。其速率曲線如圖7所示。（3）根據(jù)核電廠詳細(xì)技術(shù)參數(shù)，確定電廠滿功率值、棒位整定值以及模式切換按鈕等具體信息，進(jìn)而確定測試內(nèi)容，編寫測試用例。本項測試用例又分四步：一是，驗證100%工況下初始參數(shù)正確性；二是，改變汽機工作模式，由正常模式向校準(zhǔn)模式切換；三是，改變汽機功率值，根據(jù)圖8所示的棒位值功率值曲線降低功率至911MW。四是，將汽機功率調(diào)整至792MW。實際采用的測試用例如圖9所示。（4）依據(jù)運行模式及測試用例，有針對性的開發(fā)出軟件測試程序。通過調(diào)用棒速控制程序、數(shù)據(jù)處理程序等子程序完成信號的采集發(fā)送和數(shù)據(jù)的處理記錄等功能。將軟件及數(shù)據(jù)庫下裝到已完成硬件配置的測試平臺中，通過硬接線和網(wǎng)線將測試平臺與反應(yīng)堆功率控制系統(tǒng)相連接。（5）執(zhí)行測試，按照相關(guān)操作規(guī)范和測試用例執(zhí)行測試。實際測試過程，依據(jù)開發(fā)的人機界面為測試主界面，同時結(jié)合功率控制程序，對輸出值進(jìn)行驗證。在某些測試項中，還要結(jié)合BUP上的硬線輸出和儀表一并驗證功能測試的正確性。本測試的實際執(zhí)行過程如下：（a）運行測試程序，使汽機工作在正常模式下（204KG=RESET，100%FP=990MW，013KG&016KG=NORM）；（b）汽機切換到校準(zhǔn)模式（204KG=SET，100%FP=990MW，013KG=CALIB，016KG=VALID），由于此時C22信號生效，會產(chǎn)生最高棒速信號72步/min，但由009GD產(chǎn)生的棒位整定值等于迭步計數(shù)器產(chǎn)生的棒位實際值，此時不能產(chǎn)生棒位自動下插信號；（c）將汽輪機降功率至911MW，根據(jù)功率-棒位整定值曲線，棒位整定值由615降為535，該值與迭步計數(shù)器產(chǎn)生的棒位實際值比較，生成棒位偏差信號，在插入信號沒有被閉鎖信號閉鎖的情況下，它將會被傳輸出去，控制棒開始下插，反應(yīng)堆功率跟隨汽機功率開始下降；（d）繼續(xù)降功率至792MW，控制棒繼續(xù)以72步/min下插，直至實際棒位值降為480。其測試平臺的人機界面如圖10所示。通過記錄實際操作和測量值的狀態(tài)，判定測試結(jié)果與設(shè)計需求及測試用例一致。使用LabVIEW軟件生成的人機界面，操作簡便、畫面友好，并且畫面根據(jù)LD/AD圖中的內(nèi)容繪制，在做測試的過程中，更容易理解測試的原理。同時虛擬儀器的計算機化處理提高了測試的精度，擺脫了對傳統(tǒng)測試儀器、儀表的依賴，完成功率控制功能測試僅需要112工時/人，比傳統(tǒng)測試效率提高了近3倍。

3結(jié)論

反應(yīng)堆功率控制一直是功能測試的一個重點，其涉及變量多，邏輯復(fù)雜，要模擬100%FP運行的反應(yīng)堆需要加注許多信號，給測試帶來困難。本文在分析了反應(yīng)堆功率控制的基礎(chǔ)上，以LabVIEW為軟件平臺，以PXI系列數(shù)據(jù)采集卡為硬件基礎(chǔ)，并根據(jù)現(xiàn)場信號的特點設(shè)計了信號調(diào)理板，通過軟硬件相結(jié)合的方式，構(gòu)建了專用測試平臺。通過對陽江和寧德核電廠反應(yīng)堆功率控制系統(tǒng)進(jìn)行全面深入的測試，驗證了其在工廠測試中的實用性和可靠性。該測試平臺覆蓋了反應(yīng)堆功率控制系統(tǒng)所要求的全部測試內(nèi)容，滿足測試的全部技術(shù)指標(biāo)和要求。可以為儀控行業(yè)中類似的測試工作提供參考和借鑒。

參考文獻(xiàn)：

［1］廣東核電培訓(xùn)中心.900MW壓水堆核電廠系統(tǒng)與設(shè)備［M］．北京：原子能出版社，2005.

作者：彭帥國 單位：北京廣利核系統(tǒng)工程有限公司