核電廠事故溫度環境對壓力變送器的影響

摘要:壓力變送器廣泛應用于核電廠壓力、液位、流速等工藝參數的測量.大部分安裝在安全殼內的壓力變送器均經過了設計基準事故的鑒定，但超設計基準事故高溫環境對其的影響仍未知.本文采用鑒定曲線包絡法及仿真技術對其在設計基準事故和超設計基準事故下的工作情況進行了分析,給出了上述工況高溫環境對其的影響,并通過分析結論,對該儀表耐高溫性能的改進方向提出了建議.
0引言
　　在核電廠中,為了使核島和常規島的各種設備安全經濟地運行,必須對壓力加以監視和控制.壓力變送器廣泛應用于核電廠壓力、液位、流速等工藝參數的測量.特別是應用于核蒸汽供應系統壓力參數、穩壓器及蒸汽發生器液位、-回路冷卻劑流速等測量的壓力/壓差變送器,還參與核電廠保護系統所需工藝參數的監測,對核電廠的安全起到非常重要的作用.
　　目前安裝在安全殼內的壓力變送器大多經過了核級鑒定,具備在正常工況及設計基準事故(DBA,DesignBasisAccident)下正常工作的能力.但在超設計基準事故(BDBA,BeyondDesignBasisAccident)工況下,目前無法通過型式試驗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<核動力廠安全重要儀表和控制系統》報批稿中提到，在設備鑒定程序中不要求考慮嚴重事故工況,但是,應以合理可信度和可能程度表明用于響應嚴重事故的設備能夠在預計的嚴重事故工況下起作用2).而在法國核電標準RCC-E《壓水堆核島電氣設備設計和制造規則》2005年版中提到,(嚴重事故)可能出現的狀況很復雜,但一切都表現為輻照、溫度和壓力條件的嚴重變化53].因此,有必要開展溫度對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,通過運用鑒定曲線包絡法及仿真技術對其在事故溫度環境下的影響進行分析,探討其薄弱環節,對今后的改進提供一定的思路.
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,電容量產生的變化可以反映被測壓力的變化.通過一定的測量線路將電容值轉換為電壓、電流或頻率信號并放大.該類型壓力變送器具有靈敏度高、動態響應好、過載能力強等諸多優點,但同時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變送器信號傳送方式
　　壓力變送器輸出信號與電源的傳輸方式分為兩線制、三線制、四線制三種形式.兩線制變送器優點很多,可大大減少裝置的安裝費用,有利于安全防爆等.目前核電廠內的變送器基本上都是兩線制的.
1.3信號制及供電方式
　　信號制是儀表的統一的聯絡信號,有氣壓信號,電信號包括模擬信號、數字信號、頻率信號和脈寬信號等.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制是具有活零點的4~20mA直流電信號.
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運用鑒定曲線包絡法分析
2.1壓力變送器的鑒定
　　根據GB/T12727-2002《核電廠安全系統電氣設備質量鑒定》,設備鑒定方法主要有運行經驗法、論證分析法、型式試驗法.對于儀表在事故工況下鑒定,相關的儀表運行經驗極少,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法.但上述標準的制訂主要參考自IEC60780--1998,其配套的試驗程序EJ/T1197--2002《核電廠安全級電氣設備質量鑒定試驗方法與環境條件》只給出了DBA工況下的鑒定試驗方法(45).換言之,我國尚無BDBA工況下儀表鑒定的相關法規和標準.其他國際上的主流核電標準中,用于安全級儀表質量鑒定的標準主要有IEEE323、IEC60780及RCC-E,其中也沒有一個標準強制要求已建成核電廠在BDBA工況下對儀表進行鑒定[67].因此只能通過其DBA工況鑒定曲線對儀表進行環境包絡分析.以國內核電廠保有量最大的M310機組為例,該機組最早從法國引進，依據的標準為RCC-E.該標準將安全級儀表鑒定分為K1、K2、K3三級[8].其中安裝在安全殼內且需要在事故或事故后環境條件下完成其規定功能的儀表必須經過K1鑒定程序的鑒定.同時該標準也給出了相應的配套試驗程序及鑒定曲線.
2.2鑒定曲線包絡法
　　鑒定曲線包絡法屬GB/T12727-2002給出的三個鑒定方法中的論證分析法.其思路為將儀表鑒定時的環境條件曲線與嚴重事故的環境條件曲線進行包絡對比，結合儀表環境敏感因素的分析,評價儀表在嚴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數據,具有很好的可信度和可操作性.
　　鑒定曲線包絡法對儀表在超設計基準條件下可用性分析的基本要素進行了歸類,主要要素包括儀表類型、儀表位置、持續可用時間以及儀表鑒定數據.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];儀表位置可以細化用于分析的超設計基準環境條件,提高分析工作的正確性;持續可用時間可以明確需要其完成規定功能的時間長度;儀表鑒定數據是儀表在進行相應基準事故試驗時的數據,是可用性分析的基礎.
2.3分析實例及結果
　　以秦山二期核電廠1、2號機組安全殼壓力儀表為例.該儀表鑒定等級為K1級,安裝位置為安全殼環廊,假設需要其執行功能的時間為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,假設全廠“斷電后電源未能及時恢復,所有能動系統不可用,輔助給水系統不可用,安注箱和非能動氫氣復合器可用.發生全廠斷電事故后,由于假設電源沒有恢復,所有能動設備及輔助給水系統不可用.其事故序列見表1.
 
　　根據事故序列,可以對安全殼內的環境溫度進行模擬計算,將計算出的事故后儀表安裝位置環境溫度曲線同鑒定溫度曲線進行包絡對比.包絡對比圖如圖1所示.
 
　　對比圖1中兩條曲線可以看出,事故發生后600min內,儀表的鑒定溫度曲線包絡了環境溫度曲線,但此后環境溫度持續長時間超出了鑒定溫度,但超出幅度不大.由于電容式儀表對溫度非常敏感,因此無法直接判斷儀表性能是否會受到影響.考慮到事故初期(前600min)實際環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超出包絡部分對其的影響.儀表的預計實際工作時間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為壽命鑒定時溫度,K;E為材料激活能,eV;Kb為波爾茲曼常數.但在此公式的運用上,由于壓力變送器中材料的復雜性,激活能的選取是個難點.若取其激活能最低的元器件材料值0.78eV,環境溫度取該時間內最高值136℃,鑒定溫度取該時間內最低值129℃,其計算結果為La=16.371h(Lq=24h,Tq=403.15K,Ta=409.15K,Kb=8.617x10^-5eV/K),因取值較為保守,計算結果無法滿足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境的影響情況，同時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溫度環境下能夠正常運行.
3運用仿真技術分析
　　由于壓力變送器中最容易受溫度影響的為電路部分,而運用電路仿真軟件可以直觀地給出電路的輸出波形,同時也可以對其溫度效應進行分析.根據這一-特性,本文建立壓力變送器等效電路,分析其溫度效應.這里根據前文中核電廠壓力變送器的結構特點及輸出特征,建立的壓力變送器的等效電路(信號輸出部分)如圖2.該變送器采用二線制24V直流供電,在仿真中設定其正常工作時輸出信號為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間的輸出信號對比如圖3所示.
 
　　由圖可以看出，在BDBA溫度環境下,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.另元器件在長期高溫下參數也產生了一定變化,導致輸出信號偏離正常值較多.由此可以看出,高溫下壓力變送器精度下降,但具有規律性.并且在一定程度上可以保持信號輸出,為操縱員對電廠狀態的判斷起到一定作用.
4結論
　　本文以安全殼壓力儀表為實例，通過對核電廠“壓力變送器結構及特點的分析,運用鑒定曲線包絡法及仿真分析法對其在核電廠事故高溫環境下受到的影響進行了分析.結論如下:在正常環境和DBA溫度環境下,壓力變送器均經過了型式試驗的可信鑒定,可以確定其能保持正常工作;BDBA溫度環境下,壓力變送器仍能輸出信號,但精度會受到影響,其主要是絕緣及屏蔽性能下降所致,元器件參數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的參考.
　　進一步改進壓力變送器在高溫下的工作性能,本文提出兩點建議: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,因此可以將重點放在提升其防護外殼、電纜、接插件的耐高溫性能上，并且在電纜敷設時注意信號電纜和供電電纜之間的絕緣,避免漏電流的產生.