核電廠輻射監(jiān)測系統(tǒng)儀表及其主要單元部件

核電廠輻射監(jiān)測系統(tǒng)儀表及其主要單元部件

1測量系統(tǒng)的構(gòu)成及作用輻射監(jiān)測系統(tǒng)通常由幾個獨立的測量通道、中央網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和應(yīng)用軟件組成。每個測量通道包括各種連接功能的設(shè)備（探測器、處理和顯示單元等）。核電站輻射監(jiān)測系統(tǒng)通常分為3個層次。第一層次為輻射探測。根據(jù)不同的監(jiān)測對象,選擇適用的核輻射探測器(氣體探測器、閃爍探測器或半導(dǎo)體探測器等),將核輻射信息轉(zhuǎn)換為可測量的電信號,實現(xiàn)對輻射劑量及劑量率、排出流放射性活度等的實時測量。第二層次為數(shù)據(jù)測量和顯示。主要由處理和顯示單元組成,完成現(xiàn)場探測器輸出信號的處理、顯示、傳輸?shù)裙δ?。第三層次為中央?shù)據(jù)采集和管理。由輻射監(jiān)測中央計算機為核心組成局域網(wǎng),系統(tǒng)操作人員在權(quán)限范圍內(nèi)可以在輻射監(jiān)測中央計算機上完成各測量道的測量數(shù)據(jù)和報警狀態(tài)、設(shè)備運行狀態(tài)及參數(shù)等的監(jiān)視、操作和管理工作。核輻射的探測對象主要包括區(qū)域γ放射性監(jiān)測、氣載氣溶膠α、β放射性監(jiān)測、惰性氣體β、γ放射性監(jiān)測、放射性碘γ監(jiān)測以及液體(水)γ放射性監(jiān)測等。根據(jù)現(xiàn)場的不同監(jiān)測對象(所關(guān)注的射線、核素或介質(zhì))、安全級別和輻射水平,所選用的輻射探測器種類、監(jiān)測道設(shè)備安全等級(安全級和非安全級)和量程范圍會各不相同。例如,對于用于事故及事故后條件下的高量程區(qū)域γ測量儀的探測裝置,要求測量上限需達(dá)到105Gy/h,可以適應(yīng)100%相對濕度以及承受200℃高溫和0.5MPa的壓力,這就要求安裝在安全殼內(nèi)的探測裝置的電子學(xué)部件及連接電纜具有耐受以上工作條件的能力。所以,在現(xiàn)場安置的輻射測量道應(yīng)具有適應(yīng)現(xiàn)場要求的良好的物理指標(biāo)和性能,能可靠、準(zhǔn)確、及時地反映現(xiàn)場輻射水平的變化。2輻射監(jiān)測儀表在我國目前還發(fā)展得不多我國核電從20世紀(jì)80年代開始起步,到現(xiàn)在建成并投入商業(yè)運行的共有11臺機組,其中3臺機組主要是靠我國自己的技術(shù)力量完成,1臺機組是秦山一期30萬千瓦的原型堆,該堆型已出口巴基斯坦4臺機組(包括已發(fā)電的兩臺機組和正在建設(shè)中的C-2核電項目),另兩臺機組是秦山二期的兩臺60萬千瓦機組。在這3臺機組中,除少部分技術(shù)較復(fù)雜且價值較高的輻射監(jiān)測儀表采用國外產(chǎn)品外(如事故及事故后類儀表、PIG監(jiān)測儀等),其他大部分的輻射監(jiān)測系統(tǒng)儀表設(shè)備均采用了國產(chǎn)的產(chǎn)品;而另外的8臺機組可以說全部或絕大部分采用了國外的輻射監(jiān)測儀表產(chǎn)品,國產(chǎn)輻射監(jiān)測儀表和設(shè)備屈指可數(shù)。根據(jù)國家大力發(fā)展核電的戰(zhàn)略部署,到2020年我國核電運行裝機容量將達(dá)到4000萬千瓦,占屆時全部發(fā)電裝機容量的4%左右,這意味著為核電裝備制造企業(yè)帶來了巨大的發(fā)展機遇。然而因近年來關(guān)于中國核電發(fā)展的技術(shù)路線之爭,也對核電產(chǎn)業(yè)鏈下游的裝備制造企業(yè),特別是對儀控產(chǎn)品的制造企業(yè)帶來了無所適從之感,缺乏從核電發(fā)展總體方面的宏觀引導(dǎo),在一定程度上無法把握儀控設(shè)備的設(shè)計及系統(tǒng)構(gòu)建的技術(shù)發(fā)展方向,并且對已有的技術(shù)模式可能會喪失有效的延續(xù)性;國內(nèi)裝備制造企業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)、科研能力、資金支持就相對薄弱,裝備制造企業(yè)的產(chǎn)品研發(fā)活動似乎只能缺乏前瞻性地被動進行。近年來,盡管國內(nèi)輻射監(jiān)測儀表技術(shù)隨著核電建設(shè)步伐的加快而有較快的發(fā)展,各科研院所、企業(yè)紛紛研發(fā)新產(chǎn)品,填補了不少單機產(chǎn)品空白,但總體來說,輻射監(jiān)測儀表在產(chǎn)品覆蓋面、標(biāo)準(zhǔn)化程度、系統(tǒng)構(gòu)建等方面還存在較大差距。由于市場的開放,在歷年來國內(nèi)的核電工程項目及各類核設(shè)施輻射監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)備的招投標(biāo)過程中,國內(nèi)企業(yè)都遭遇了來自國外供貨商的激烈競爭,同時國內(nèi)也涌現(xiàn)了不少國外產(chǎn)品的代理商和貿(mào)易公司,使國內(nèi)有一定技術(shù)基礎(chǔ)和技術(shù)能力的企業(yè),無論在市場和技術(shù)方面都陷入兩難的境地。令人欣慰的是,目前在建的嶺澳二期核電項目、遼寧紅沿河核電項目、秦山二期擴建項目以及其他在建或即將開工的核電項目均對國產(chǎn)化提出了要求,這為裝備制造企業(yè)提供了發(fā)展的空間,但中國核電仍亟需建立以企業(yè)為主體的技術(shù)發(fā)展與創(chuàng)新體系。3國外發(fā)酵條件對核型變電站輻射監(jiān)測技術(shù)的影響輻射監(jiān)測技術(shù)隨著科技的進步也產(chǎn)生了巨大的飛躍,從20世紀(jì)70年代簡單的模擬率表形式,經(jīng)過幾十年的發(fā)展,當(dāng)今的核電站輻射監(jiān)測技術(shù)已步入充分體現(xiàn)“用戶化”概念的數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)。3.1該系統(tǒng)的主要部件3.1.1輻射監(jiān)測儀表的探測在傳統(tǒng)探測方法的基礎(chǔ)上(如電離室探測器、閃爍探測器等),新型的半導(dǎo)體探測器(如PIPS型硅探測器等)將更加廣泛地運用到輻射監(jiān)測儀表的探測裝置中;由于采用新工藝和新材料,探測裝置的外型尺寸將會大幅縮小,鉛屏蔽減小甚至可以去除,便于集成在輻射監(jiān)測現(xiàn)場的“一體化”機架中;可通過多種方式對探測器工作性能進行檢查(包括光測試、電測試、探測器內(nèi)置源、溫度傳感器等),無需外部檢查源裝置。3.1.2比較測量設(shè)備的選擇就地處理單元(LPU)是輻射監(jiān)測系統(tǒng)的核心部件,它與探測器相連,給探測器供電并獲取來自探測器輸出的模擬測量信號,通過其內(nèi)置的合適的算法,以所需的單位(Gy/h,Bq/m3等)給出輻射測量值以及輸出報警和故障信息、存儲歷史值和歷史事件、譜的產(chǎn)生和存儲、對外模擬量/數(shù)字量輸入輸出、RS-485網(wǎng)絡(luò)連接等功能。根據(jù)不同的探測器類型,可選擇不同的LPU,除了“測量板”依所連接的探測器類型不同而不同外,所有就地處理單元的外型尺寸和其他內(nèi)置板件均相同,簡化了日后的維修和維護。就地處理顯示單元(LPDU)是將就地處理單元和小型的顯示單元集成于一體的處理顯示裝置。它具有LPU所有的功能特性,可以很方便地與各種探測裝置集成在“一體化”機架中并安置在監(jiān)測現(xiàn)場。3.1.3就地測量及報警顯示單元(DU)包括就地顯示單元(LDU)和遠(yuǎn)程顯示單元(RDU)。就地顯示單元的主要功能是顯示多個就地處理單元傳送來的測量值和報警信息,并提供多組對外模擬量/數(shù)字量及串行接口連接。遠(yuǎn)程顯示單元與就地顯示單元具有相似的功能。其結(jié)構(gòu)為機柜的機箱安裝方式,5個RDU可安裝在一個19英寸的5U機箱框架內(nèi)。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計的需要,通過RDU可實現(xiàn)對各監(jiān)測道遠(yuǎn)程集中顯示。3.2植放系統(tǒng)的再設(shè)計:將ld-lpd和低能耗的輻射監(jiān)測系統(tǒng)整合由于采用了上述的數(shù)字化的處理和顯示部件,給輻射監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)建方式帶來了極大的靈活性,系統(tǒng)可以以“用戶化”的配置實現(xiàn)最佳的性能價格比,見圖1。輻射監(jiān)測通道的基本配置方案包含一個就地安裝的就地處理單元和安裝在控制室機柜中的遠(yuǎn)程顯示單元。由于RDU或LDU都能與LPU直接相連,所以兩者并不需要同時使用,視系統(tǒng)或用戶要求而定。另外,也可以使用將處理和顯示功能集為一體的LPDU取代圖1所示的LDU+LPU的方案。輻射監(jiān)測通道的簡單配置(見圖2)是低成本的系統(tǒng)構(gòu)建方式,可直接將就地處理單元連接到一臺管理計算機,實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控管理。輻射監(jiān)測通道的復(fù)合配置(見圖3)充分利用了局域網(wǎng)概念,通過LDU(或LPDU)直接實現(xiàn)就地操作,遠(yuǎn)程訪問可通過RDU實現(xiàn),中央處理可通過控制室的管理計算機完成,而管理計算機可通過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)連接到其他電廠計算機?？梢钥闯?遠(yuǎn)程操作可以很方便地實現(xiàn),現(xiàn)場維護和服務(wù)工作因此減少,故障診斷和維護、對監(jiān)測儀參數(shù)設(shè)置和校準(zhǔn)等工作可由技術(shù)人員在現(xiàn)場通過便攜式電腦或在中央控制室完成。3.3監(jiān)測道管理系統(tǒng)就地處理單元在硬件上具有很強的互換性,根據(jù)探測器的不同,通過寫入不同的特定算法,適用于不同的應(yīng)用和監(jiān)測對象。但每種算法都具有一些共性特征,如計數(shù)死時間的動態(tài)修正、本底的靜態(tài)或動態(tài)補償、數(shù)據(jù)平滑功能等。系統(tǒng)應(yīng)用軟件包含:“數(shù)據(jù)采集和管理軟件”、“維護和設(shè)置軟件”、“譜分析處理軟件”、“仿真軟件”等。通過它們實現(xiàn)系統(tǒng)監(jiān)測道數(shù)據(jù)和狀態(tài)監(jiān)視、設(shè)備維護和設(shè)置、譜分析處理、設(shè)備診斷等。其中,“數(shù)據(jù)采集和管理軟件”用于控制室輻射監(jiān)測系統(tǒng)中央計算機實時顯示系統(tǒng)各監(jiān)測道測量值、報警信息、設(shè)備工作狀態(tài),并形成監(jiān)測道日常檔案文件?！熬S護和設(shè)置軟件”是一個非常實用和功能強大的工具軟件,它可以對任何就地處理單元和顯示單元(DU)進行編程和配置,實現(xiàn)系統(tǒng)的診斷和維護,當(dāng)裝有該軟件的計算機通過串行口與系統(tǒng)任何一個就地處理或顯示單元相連時,軟件可以自動掃描、發(fā)現(xiàn)和識別系統(tǒng)所有連接的測量通道,并顯示出整個系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D、連接狀態(tài)和類型,查看監(jiān)測道歷史值及各種事件記錄,修改和設(shè)置監(jiān)測道工作參數(shù)以及校準(zhǔn)等。由此看出,應(yīng)用于未來批量投產(chǎn)的百萬千瓦級壓水堆核電站的輻射監(jiān)測系統(tǒng),通過采用高性能核探測裝置、智能化的處理和顯示部件單元,運用先進的數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及功能強大的應(yīng)用軟件,可以以簡單、靈活的方式構(gòu)建系統(tǒng),體現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)字化和用戶化、部件模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化、易于安裝、維修和維護的特點。4國際合作與技術(shù)引進相結(jié)合的原則根據(jù)國家核電建設(shè)“以我為主、中外合作、引進技術(shù)、推進國產(chǎn)化”的原則,作為核電裝備制造企業(yè),應(yīng)堅持自主創(chuàng)新,而科技創(chuàng)新離不開國際合作,自主研發(fā)能力和效率的欠缺可以通過有效的對外合作和技術(shù)引進予以補充,只有這樣才能使核電裝備制造企業(yè)在核電大發(fā)展的機遇中步入快車道。4.1測試試驗及結(jié)果“M-2036數(shù)字化就地處理箱”是由西安核儀器廠自主研制和開發(fā)的應(yīng)用于核電站輻射監(jiān)測系統(tǒng)的一種技術(shù)先進、性能可靠的就地處理顯示裝置,它可與多種探測裝置相連接組成各種輻射監(jiān)測通道,各監(jiān)測通道通過該設(shè)備聯(lián)網(wǎng)以后,可以方便地組成規(guī)模不等的輻射監(jiān)測系統(tǒng)。該項目科研自2006年3月正式啟動,通過了由上級主管部門及設(shè)計院組成的評審組的設(shè)計方案評審,之后完成了兩臺科研樣機的加工、調(diào)試工作;從2007年初開始,進行了小批量6臺樣機的加工、組裝和調(diào)試,并分別與6臺不同型號的輻射監(jiān)測儀探測裝置連接,先后進行了環(huán)境試驗、電氣安全性試驗、電磁兼容性試驗、磨損試驗、耐輻照試驗、振動試驗、熱老化試驗、地震試驗以及由第三方進行的1E級輻射監(jiān)測儀表軟件驗證和確認(rèn)。試驗證明,該產(chǎn)品的所有結(jié)構(gòu)設(shè)計和電路設(shè)計達(dá)到了規(guī)定的目標(biāo)和技術(shù)要求,目前該產(chǎn)品已投入批量生產(chǎn),輻射監(jiān)測系統(tǒng)的聯(lián)機調(diào)試見圖4。該產(chǎn)品的設(shè)計借鑒了國外同類產(chǎn)品的設(shè)計思想,采用先進的技術(shù)路線,其中包括數(shù)字化和模塊化設(shè)計、多CPU工作模式、光電隔離技術(shù)、電源隔離和管理技術(shù)、成熟的通訊技術(shù)、浮空設(shè)計和接地技術(shù)等;采用技術(shù)先進、表貼、高可靠性的元器件,配合優(yōu)化的電路設(shè)計,大大縮小了體積,同時增強設(shè)備抗干擾的能力;該產(chǎn)品注重軟件的通用性要求,便于對軟件本身的后續(xù)開發(fā)、改進和升級;對外信號接口及內(nèi)部模塊間電纜連接簡潔,便于現(xiàn)場安裝、維修與維護。電磁兼容性設(shè)計在以往類似的產(chǎn)品中未能很好地解決,在該產(chǎn)品研制過程中,設(shè)計中采取了各種措施來解決該難點問題,包括:采用EMC機箱;對易感受電磁干擾或本身會產(chǎn)生電磁干擾的模塊或板件的屏蔽措施;電源抗干擾、接地及強、弱電走線的處理、信號間的隔離措施;電纜屏蔽層的處理等,基于以上措施使樣機通過了電磁兼容性各項相關(guān)試驗。盡管該裝置只是輻射監(jiān)測系統(tǒng)的一個部件,但反映出裝備制造企業(yè)通過自身建立科學(xué)的科研管理機制,根據(jù)現(xiàn)有的技術(shù)基礎(chǔ)和能力,把握核電技術(shù)發(fā)展的趨勢和方向,借鑒和分析先進的技術(shù)思想和產(chǎn)品的設(shè)計理念,就具備研發(fā)滿足未來核電發(fā)展要求的產(chǎn)品的能力。4.2abpm203m表現(xiàn)出的技術(shù)特點西安核儀器廠采用法國MGPInstruments公司提供的技術(shù),項目組成功完成了ABPM201Lαβ粒子監(jiān)測儀和ABPM203M移動式αβ粒子監(jiān)測儀(見圖5)的整機及氣路采樣控制單元的技術(shù)消化吸收和技術(shù)轉(zhuǎn)化,依靠自有設(shè)備和資源完成了機械加工、整機組裝等工作,并按照外方所提供的測試程序進行了測試和校準(zhǔn),各項試驗結(jié)果表明,國產(chǎn)化的產(chǎn)品完全滿足各項技術(shù)要求。其中,西安核儀器廠已將ABPM203M移動式αβ粒子監(jiān)測儀的國產(chǎn)化產(chǎn)品成功推向市場。項目組對已完成的ABPM203M移動式αβ粒子監(jiān)測儀進行了技術(shù)總結(jié),為今后的技術(shù)引進和消化吸收提供有效的技術(shù)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗。需要強調(diào)的是,技術(shù)合作及引進并非單純的“復(fù)制”,在對ABPM203M移動式αβ粒子監(jiān)測儀的技術(shù)消化吸收過程中,我們在基于對外方技術(shù)資料充分消化理解的基礎(chǔ)上,項目組成員在滿足技術(shù)要求的前提下采用了較多的國產(chǎn)零部件、元件,亦對該產(chǎn)品探測和測量方法和整機設(shè)計思想進行了提煉和總結(jié)。我們渴望通過引進技術(shù)、消化吸收、再創(chuàng)新這樣一個途徑,不斷將先進的核輻射測量產(chǎn)品推向核電市場,從而快速推進核電裝備國產(chǎn)化進程,提高企業(yè)核心競爭力,契合國家核電發(fā)展的節(jié)奏。5我國一門開放系統(tǒng)的輻射測量系統(tǒng)核電裝備制造是整個核電產(chǎn)業(yè)鏈中重要的一環(huán)。為適應(yīng)國家核電發(fā)展的需要,核電裝備制造企業(yè)可以結(jié)合自身實際情況,在立足自主研發(fā)和自主創(chuàng)新的基礎(chǔ)上,通過對外技術(shù)合作,快速、有效地提高國內(nèi)輻射監(jiān)測技術(shù)的研究起點和技術(shù)水平。通過技術(shù)引進和消化吸收,將先進的產(chǎn)品設(shè)計思想和制造技術(shù)為我所用,在此基礎(chǔ)上快速實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化和實施再創(chuàng)新。同時也建議行業(yè)主管部門給予裝備制造企業(yè)更大力度的政策引導(dǎo),最終實現(xiàn)核