核電廠事故溫度環(huán)境對(duì)壓力變送器的影響

摘要:壓力變送器廣泛應(yīng)用于核電廠壓力、液位、流速等工藝參數(shù)的測(cè)量.大部分安裝在安全殼內(nèi)的壓力變送器均經(jīng)過了設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故的鑒定，但超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故高溫環(huán)境對(duì)其的影響仍未知.本文采用鑒定曲線包絡(luò)法及仿真技術(shù)對(duì)其在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故和超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故下的工作情況進(jìn)行了分析,給出了上述工況高溫環(huán)境對(duì)其的影響,并通過分析結(jié)論,對(duì)該儀表耐高溫性能的改進(jìn)方向提出了建議.
0引言
　　在核電廠中,為了使核島和常規(guī)島的各種設(shè)備安全經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行,必須對(duì)壓力加以監(jiān)視和控制.壓力變送器廣泛應(yīng)用于核電廠壓力、液位、流速等工藝參數(shù)的測(cè)量.特別是應(yīng)用于核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)壓力參數(shù)、穩(wěn)壓器及蒸汽發(fā)生器液位、-回路冷卻劑流速等測(cè)量的壓力/壓差變送器,還參與核電廠保護(hù)系統(tǒng)所需工藝參數(shù)的監(jiān)測(cè),對(duì)核電廠的安全起到非常重要的作用.
　　目前安裝在安全殼內(nèi)的壓力變送器大多經(jīng)過了核級(jí)鑒定,具備在正常工況及設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故(DBA,DesignBasisAccident)下正常工作的能力.但在超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故(BDBA,BeyondDesignBasisAccident)工況下,目前無法通過型式試驗(yàn)確定壓力變送器是否可以保持其可用性.而基于IAEANS-G-1.1的HAD102/14<核動(dòng)力廠安全重要儀表和控制系統(tǒng)》報(bào)批稿中提到，在設(shè)備鑒定程序中不要求考慮嚴(yán)重事故工況,但是,應(yīng)以合理可信度和可能程度表明用于響應(yīng)嚴(yán)重事故的設(shè)備能夠在預(yù)計(jì)的嚴(yán)重事故工況下起作用2).而在法國(guó)核電標(biāo)準(zhǔn)RCC-E《壓水堆核島電氣設(shè)備設(shè)計(jì)和制造規(guī)則》2005年版中提到,(嚴(yán)重事故)可能出現(xiàn)的狀況很復(fù)雜,但一切都表現(xiàn)為輻照、溫度和壓力條件的嚴(yán)重變化53].因此,有必要開展溫度對(duì)于壓力變送器的影響分析.
　　本文基于壓力變送器原理及特性,通過運(yùn)用鑒定曲線包絡(luò)法及仿真技術(shù)對(duì)其在事故溫度環(huán)境下的影響進(jìn)行分析,探討其薄弱環(huán)節(jié),對(duì)今后的改進(jìn)提供一定的思路.
1核電廠壓力變送器特性
1.1核電廠壓力變送器類型
　　核電廠壓力變送器多采用電容式和擴(kuò)散硅式,其中以電容式為主.其原理是敏感元件電容器受到壓力后,電容量產(chǎn)生的變化可以反映被測(cè)壓力的變化.通過一定的測(cè)量線路將電容值轉(zhuǎn)換為電壓、電流或頻率信號(hào)并放大.該類型壓力變送器具有靈敏度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、過載能力強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn),但同時(shí)很容易受線路寄生電容、電纜電容和溫度、濕度等外界干擾.
1.2變送器信號(hào)傳送方式
　　壓力變送器輸出信號(hào)與電源的傳輸方式分為兩線制、三線制、四線制三種形式.兩線制變送器優(yōu)點(diǎn)很多,可大大減少裝置的安裝費(fèi)用,有利于安全防爆等.目前核電廠內(nèi)的變送器基本上都是兩線制的.
1.3信號(hào)制及供電方式
　　信號(hào)制是儀表的統(tǒng)一的聯(lián)絡(luò)信號(hào),有氣壓信號(hào),電信號(hào)包括模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)、頻率信號(hào)和脈寬信號(hào)等.由于其采用二線制,目前核電廠“壓力變送器普遍采用的信號(hào)制是具有活零點(diǎn)的4~20mA直流電信號(hào).
儀表都需要電源供給能量,供電方式大致有兩種:交流供電和直流集中供電.同樣由于二線制,因此必須是單電源供電.目前核電廠普遍采用24V直流集中供電方式.
2運(yùn)用鑒定曲線包絡(luò)法分析
2.1壓力變送器的鑒定
　　根據(jù)GB/T12727-2002《核電廠安全系統(tǒng)電氣設(shè)備質(zhì)量鑒定》,設(shè)備鑒定方法主要有運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)法、論證分析法、型式試驗(yàn)法.對(duì)于儀表在事故工況下鑒定,相關(guān)的儀表運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)極少,通過單純的論證分析也很難令人信服.因此多采用型式試驗(yàn)法.但上述標(biāo)準(zhǔn)的制訂主要參考自IEC60780--1998,其配套的試驗(yàn)程序EJ/T1197--2002《核電廠安全級(jí)電氣設(shè)備質(zhì)量鑒定試驗(yàn)方法與環(huán)境條件》只給出了DBA工況下的鑒定試驗(yàn)方法(45).換言之,我國(guó)尚無BDBA工況下儀表鑒定的相關(guān)法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn).其他國(guó)際上的主流核電標(biāo)準(zhǔn)中,用于安全級(jí)儀表質(zhì)量鑒定的標(biāo)準(zhǔn)主要有IEEE323、IEC60780及RCC-E,其中也沒有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)制要求已建成核電廠在BDBA工況下對(duì)儀表進(jìn)行鑒定[67].因此只能通過其DBA工況鑒定曲線對(duì)儀表進(jìn)行環(huán)境包絡(luò)分析.以國(guó)內(nèi)核電廠保有量最大的M310機(jī)組為例,該機(jī)組最早從法國(guó)引進(jìn)，依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)為RCC-E.該標(biāo)準(zhǔn)將安全級(jí)儀表鑒定分為K1、K2、K3三級(jí)[8].其中安裝在安全殼內(nèi)且需要在事故或事故后環(huán)境條件下完成其規(guī)定功能的儀表必須經(jīng)過K1鑒定程序的鑒定.同時(shí)該標(biāo)準(zhǔn)也給出了相應(yīng)的配套試驗(yàn)程序及鑒定曲線.
2.2鑒定曲線包絡(luò)法
　　鑒定曲線包絡(luò)法屬GB/T12727-2002給出的三個(gè)鑒定方法中的論證分析法.其思路為將儀表鑒定時(shí)的環(huán)境條件曲線與嚴(yán)重事故的環(huán)境條件曲線進(jìn)行包絡(luò)對(duì)比，結(jié)合儀表環(huán)境敏感因素的分析,評(píng)價(jià)儀表在嚴(yán)重事故條件下性能是否受到影響.由于該方法基于型式試驗(yàn)數(shù)據(jù),具有很好的可信度和可操作性.
　　鑒定曲線包絡(luò)法對(duì)儀表在超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)條件下可用性分析的基本要素進(jìn)行了歸類,主要要素包括儀表類型、儀表位置、持續(xù)可用時(shí)間以及儀表鑒定數(shù)據(jù).其中儀表類型決定了儀表的材料特性、不同類型儀表失效模式均不盡相同[9];儀表位置可以細(xì)化用于分析的超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)環(huán)境條件,提高分析工作的正確性;持續(xù)可用時(shí)間可以明確需要其完成規(guī)定功能的時(shí)間長(zhǎng)度;儀表鑒定數(shù)據(jù)是儀表在進(jìn)行相應(yīng)基準(zhǔn)事故試驗(yàn)時(shí)的數(shù)據(jù),是可用性分析的基礎(chǔ).
2.3分析實(shí)例及結(jié)果
　　以秦山二期核電廠1、2號(hào)機(jī)組安全殼壓力儀表為例.該儀表鑒定等級(jí)為K1級(jí),安裝位置為安全殼環(huán)廊,假設(shè)需要其執(zhí)行功能的時(shí)間為24h.在事故序列的選取中,考慮到其可信度及涵蓋的事故現(xiàn)象,這里選取同福島核事故類似的全廠斷電(SBO,StationBlackOut)事故序列.此事故序列中,假設(shè)全廠“斷電后電源未能及時(shí)恢復(fù),所有能動(dòng)系統(tǒng)不可用,輔助給水系統(tǒng)不可用,安注箱和非能動(dòng)氫氣復(fù)合器可用.發(fā)生全廠斷電事故后,由于假設(shè)電源沒有恢復(fù),所有能動(dòng)設(shè)備及輔助給水系統(tǒng)不可用.其事故序列見表1.
 
　　根據(jù)事故序列,可以對(duì)安全殼內(nèi)的環(huán)境溫度進(jìn)行模擬計(jì)算,將計(jì)算出的事故后儀表安裝位置環(huán)境溫度曲線同鑒定溫度曲線進(jìn)行包絡(luò)對(duì)比.包絡(luò)對(duì)比圖如圖1所示.
 
　　對(duì)比圖1中兩條曲線可以看出,事故發(fā)生后600min內(nèi),儀表的鑒定溫度曲線包絡(luò)了環(huán)境溫度曲線,但此后環(huán)境溫度持續(xù)長(zhǎng)時(shí)間超出了鑒定溫度,但超出幅度不大.由于電容式儀表對(duì)溫度非常敏感,因此無法直接判斷儀表性能是否會(huì)受到影響.考慮到事故初期(前600min)實(shí)際環(huán)境溫度曲線原低于鑒定溫度曲線,因此可以使用IEC60780推薦的阿倫紐斯方程來檢驗(yàn)超出包絡(luò)部分對(duì)其的影響.儀表的預(yù)計(jì)實(shí)際工作時(shí)間La可由如下公式表示:
 
　　式中Lq為鑒定壽命,Ta為加速老化溫度,K;Tq為壽命鑒定時(shí)溫度,K;E為材料激活能,eV;Kb為波爾茲曼常數(shù).但在此公式的運(yùn)用上,由于壓力變送器中材料的復(fù)雜性,激活能的選取是個(gè)難點(diǎn).若取其激活能最低的元器件材料值0.78eV,環(huán)境溫度取該時(shí)間內(nèi)最高值136℃,鑒定溫度取該時(shí)間內(nèi)最低值129℃,其計(jì)算結(jié)果為L(zhǎng)a=16.371h(Lq=24h,Tq=403.15K,Ta=409.15K,Kb=8.617x10^-5eV/K),因取值較為保守,計(jì)算結(jié)果無法滿足24h使用的要求.因此無法判斷該變送器受在事故工況高溫環(huán)境的影響情況，同時(shí)也說明了即使壓力變送器通過了DBA工況的溫度鑒定,無法保證其在BDBA溫度環(huán)境下能夠正常運(yùn)行.
3運(yùn)用仿真技術(shù)分析
　　由于壓力變送器中最容易受溫度影響的為電路部分,而運(yùn)用電路仿真軟件可以直觀地給出電路的輸出波形,同時(shí)也可以對(duì)其溫度效應(yīng)進(jìn)行分析.根據(jù)這一-特性,本文建立壓力變送器等效電路,分析其溫度效應(yīng).這里根據(jù)前文中核電廠壓力變送器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及輸出特征,建立的壓力變送器的等效電路(信號(hào)輸出部分)如圖2.該變送器采用二線制24V直流供電,在仿真中設(shè)定其正常工作時(shí)輸出信號(hào)為I1=0mA,12=16mA,TD=10ms,TR=30ms,TF=30ms,PW=300ms,PER=1s.
 
選用PSpice作為仿真工具.在指定室溫(27℃)和DBDA工況(136C)兩種工作溫度條件下進(jìn)行仿真.在敏感元器件容差值為5%情況下,HI-LOW間的輸出信號(hào)對(duì)比如圖3所示.
 
　　由圖可以看出，在BDBA溫度環(huán)境下,變送器輸出電流較室溫偏高,且即使在室溫變送器無信號(hào)輸出的情況下，變送器仍有大約1mA的微電流輸出,該情況可能由于高溫下變送器絕緣及屏蔽性能下降，電源中漏電流引人輸出線路所致.另元器件在長(zhǎng)期高溫下參數(shù)也產(chǎn)生了一定變化,導(dǎo)致輸出信號(hào)偏離正常值較多.由此可以看出,高溫下壓力變送器精度下降,但具有規(guī)律性.并且在一定程度上可以保持信號(hào)輸出,為操縱員對(duì)電廠狀態(tài)的判斷起到一定作用.
4結(jié)論
　　本文以安全殼壓力儀表為實(shí)例，通過對(duì)核電廠“壓力變送器結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)的分析,運(yùn)用鑒定曲線包絡(luò)法及仿真分析法對(duì)其在核電廠事故高溫環(huán)境下受到的影響進(jìn)行了分析.結(jié)論如下:在正常環(huán)境和DBA溫度環(huán)境下,壓力變送器均經(jīng)過了型式試驗(yàn)的可信鑒定,可以確定其能保持正常工作;BDBA溫度環(huán)境下,壓力變送器仍能輸出信號(hào),但精度會(huì)受到影響,其主要是絕緣及屏蔽性能下降所致,元器件參數(shù)有一定變化但幅度不大，在一定程度上仍可以作為電廠狀態(tài)的參考.
　　進(jìn)一步改進(jìn)壓力變送器在高溫下的工作性能,本文提出兩點(diǎn)建議:1)將變送器安裝在安全殼中受溫度影響更低的位置;2)電子元器件的性能提升有限且成本較高,因此可以將重點(diǎn)放在提升其防護(hù)外殼、電纜、接插件的耐高溫性能上，并且在電纜敷設(shè)時(shí)注意信號(hào)電纜和供電電纜之間的絕緣,避免漏電流的產(chǎn)生.