（山东核电有限公司 山东烟台 265116）
摘要：控制室系统是核电厂的最重要组成部分，为了保证控制室系统设计的安全性和可靠性，需要以遵守相关的法律、法规为前提进行系统设计，而检测控制棒是否正常运行以及发生故障时可以得到及时处理，需要通过准确的棒位测量作为依据。本文主要以提高控制棒棒位测量系统的测量精度为主，通过从PCI-E总线和FPGA的设计、控制棒组件以及其驱动机构、电源开关以及控制棒失步状况出发，优化棒位测量系统，从而方便系统的运行和维护，提高了系统的可靠性。
关键词：核电厂；棒位测量系统；设计
1.前言
如今，核电厂工艺复杂，控制设备众多，因此控制和测量点数量非常之庞大。在核电厂中，控制棒是控制核电厂反应堆正常启动、暂停、功率运行以及紧急停堆的最主要设备，而棒位测量不仅可以让运行人员及时发现控制棒的运行状态，还可以检测到故障发生的位置。因此设计棒位测量与指示系统不仅是为了提高控制棒棒位的测量精度，也是为了能够有效测量、指示控制棒在堆芯内的高度。在以前的核电厂中，电厂的控制棒棒位测量都是以传感器、模拟电路加指针式仪表构成的原始测量系统进行的棒位测量。随着社会经济的快速发展，电力需求也在日益提高，但是由于过去的设备已经老化，因此原始的测量系统经常会出现故障，从而导致无法维持正常的供电，为了提高棒位的测量精度，在原来的棒位测量系统上，重新实现棒位的测量、传输以及指示的准确性。
2.控制棒棒位测量的意义
控制棒和其驱动机构都是为了保证反应堆安全运行的重要装置。在核电厂中，根据电网负荷的变化，相应调节控制棒棒位不仅可以实现反应堆的正常启动与暂停，还可以让反应堆在给出的固定功率水平运行或者进行反应功率的调节，如果出现故障，还可以很快的插入控制棒降低堆芯反应。由此可以看出，在实际控制棒移动过程中，进行控制棒棒位控制需要有棒位测量技术的支撑，提高控制棒棒位的测量精度不仅可以有效控制反应堆的功率和温度，也可以保障反应堆的正常运行和安全。
3.控制棒棒位测量技术的应用现状以系统工作原理
3.1控制棒棒位测量技术的应用现状
目前的核电厂中的多数反应堆所使用的控制棒棒位测量技术都是从角度式、超声式、电涡流式和电感式的测量传感器技术上出发的，这些棒位测量技术需要用比较复杂的机械结构来支撑，因此在很多的反应堆型中受到了限制，一些核电厂的棒位控制系统已经不能满足当前核电厂的控制要求，像之前传统的二代电厂所使用的模拟式核电站棒位控制系统，不仅在网络的通讯以及数据管理上受到了限制，缺乏可靠性和安全性，而且系统存在信息交换不便、维护困难等不足。
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3.2控制棒系统工作原理
在核电厂中，反应堆的换料以及燃耗的不断变化会引起功率分布的变化，进而影响了控制棒的价值，而控制棒驱动机构的主要功能是在堆芯内插入或者抽出控制棒束组件，这些都可以影响到控制棒的正常运行，因此想要突破原有的控制棒棒位测量技术，首先需要通过实现差分变压器的位移量转变为电信号，然后采用信号调理模块，将信号隔离转换处理供板卡的模数转换器采集，再通过FPGA运算和分析得到位移值，最后通过PCI-E总线传送给上机位，从而使得上机位将数据进行储存和显示，方便运行人员的监督查看。除此之外，还需要减少控制棒组件以及其驱动机构的异常现象，对控制棒棒位测量系统的电源开关进行重新的设计制作和对控制棒的失步状况提出判断方法，从而优化控制棒棒位测量系统的设计。
4.提高核电厂控制棒棒位测量系统精度的有效方法
核电厂的工艺系统比较多，不仅测量点数量大而且类型多，而控制棒是核电厂中控制反应性的一个最重要手段之一，具有快速、引入反应性大等特点。需要根据供电的方式和信号类型进行测量控制，同时提高控制棒棒位的测量技术，从而提高测量精度，才可以保证核电厂的正常运行和安全，减少故障的发生[1]。
4.1进行FPGA最小系统和PCI-E接口软件的设计
为了保证FPGA芯片的稳定以及高速运行，需要做到最小系统的设计，不仅需要使电源芯片的最大输出电流为3A，也需要让内存芯片的最高工作频率维持在133MHz，其储存容量为256Mbit，而且程序储存器的储存容量也要在64Mbit。对于PCI-E接口软件的设计，需要进行RTL级别的设计，首先PCIE的应用层辅助模块可以实现接收和发送端口的转换、接收收据缓冲和MSI的缓冲功能，而PCIE的应用层核心可以实现数据的传输功能，而PCIE IP配置模块不仅可以实现信号采集也可以实现PCIE的协议功能，进而可以实现数据通信。通过实际测试，证明了基于原有控制棒棒位测量技术的基础上，该系统数据传输速度不仅快而且稳定[2]。
4.2减少控制棒组件以及其驱动机构的异常
控制棒组件以及其驱动机构都是属于安全重要物项，因此需要保证高度的可靠性和可运行性才可以让反应堆正常运行以及降低故障的发生。首先需要遵守设计和运行的要求，对控制棒组件以及其驱动机构进行设计，防止出现超出寿期的运行；其次对控制棒棒位进行一定循环的运行，从而在外观上检查控制棒及其驱动机构是否出现肿胀或者变形的情况，进而做出预防，减少异常的发生；最后在控制棒驱动机构的制造上进行严格监督管理，及时更换老化设备，进而从核安全角度上出发，对全部的驱动机构进行检查，这样有利于减少控制棒组件以及其驱动机构的异常[3]。
4.3对控制棒棒位测量指标系统的开关电源进行重新的设计制作
控制棒棒位测量指标系统的开关电源可以采用模块化方案，通过对模块电源的特点、系统参数以及选择和组合进行重新设计制作，不仅减少了外部接线、焊点或者连接点的数量，而且只需要外接少量分立元件就可以完成模块电源的整体设计，这样不仅取代了原来的分立元件设计方案，也让系统的设计和开发做到灵活快捷，并且缩短了开发和更改设计的时间，节省了人力和技术资源。这样控制棒棒位测量指标系统的电源系统不仅可靠性增加了，也能够提高其稳定性，做到保证电源系统的正常供电功能。
4.4降低控制棒的失步状况，提出判断方法
由于控制棒控制系统是一个开环控制系统，因此出现故障后，要判断控制棒是否出现了失步状况，保证堆芯的反应性。首先可以根据棒位指示进行判断。控制棒棒位测量系统可以最直观的指示控制棒所处的位置，这是因为每一个控制棒驱动杆外都会安装一个棒位探测器，探测器可以根据不同的感应电压通过采集转换为控制棒的棒位指示，因此如若发生失步，就可以直接从棒位指示上看出来；其次控制棒控制系统可以通过三个线圈进行不同电流的时序组合，因此可以根据控制棒驱动的电流波来判断控制棒是否存在失步状况；最后可以通过维修人员在反应堆上安装的麦克风采集控制棒动作期间因为振动所产生的噪声信号是否出现异常，由此观察控制棒的提插棒情况，进而判断控制棒是否有失步状况。
5.结束语
核电厂反应堆功率的快速响应可以通过控制棒的控制来实现，因此控制棒棒位测量系统设计时需要遵循控制室系统设计的标准，进行合理设计。我国也可以积极与国际先进核电技术进行接轨，通过对核电厂的控制棒棒位测量系统的优化，提高测量的精度。
参考文献：
[1]王强.核电厂DCS控制系统I/O分配的原则和方法[J].自动化仪表，2014，02（25）：50-52，57.
[2]信鹏皓，姚亮，申雍，等.核电厂控制棒棒位测量系统设计[J].设备管理与维修，2015，S2（11）：39-40.
[3]高照.棒控系统内部故障报警分析[J].科技视界，2015，09（15）：212-213.
论文作者:李灵斌
论文发表刊物:《电力设备》2016年第23期
论文发表时间:2017/1/20
标签：控制棒论文; 测量论文; 核电厂论文; 系统论文; 棒棒论文; 反应堆论文; 机构论文; 《电力设备》2016年第23期论文;