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1、基于嵌入式的乏燃料干贮存温度监测系统 张洪健 余刃 刘笑凡 王天舒 海军工程大学 摘 要： 由于乏燃料从堆芯卸载后将在很长时间内存在衰变热从而影响贮存安全, 所以需要对其贮存期间进行温度监测。为了确定合适温度测点, 对乏燃料贮存井内的散热情况进行了仿真计算, 并在此基础上, 基于 Cortex-M4 系列 ARM 单片机设计开发了一套实现温度信号采集、通信、上位机集中监测和报警的分布式温度监测系统, 在监控室对乏燃料贮存井内的温度变化情况进行远距离实时在线监测, 研究了乏燃料干法贮存的科学管理。经过装机实验测试, 系统能够完成设计目标。关键词： 乏燃料干法贮存; 嵌入式; 以太网; 温度采集;
2、 作者简介：张洪健 (1992) , 男, 硕士研究生, 主要从事核动力系统的控制与运行、故障诊断研究;作者简介：余刃 (1968) , 男, 博士, 教授, 主要从事核动力系统以及辅助设施的控制和故障诊断研究。收稿日期：2017-07-01Temperature Monitoring System for Spent Nuclear Fuel Dry Storage Based on Embedded TechnologyZHANG Hongjian YU Ren LIU Xiaofan WANG Tianshu Navy University of Engineering; Abstrac
3、t： In order to realize the safety monitoring of the spent nuclear fuel stored in the underground shaft, a temperature monitoring system was designed based on Cortex-M4 series micro-controller. The distributed temperature monitoring system achieved the function of Multi-channel temperature signal acq
4、uisition, data communication, host computer monitoring and alarming, and made the goal of detecting the key point temperature variation in the storage shaft online and actual time in the remote center control room come true, whats more, it optimized the scientific management of dry storage for spent
5、 fuel. Then, the hardware and software interface of the system are introduced. Finally, the experiments results show that the system can accurately measure and display the temperature in the storage shaft with the design goal achieved.Keyword： spent fuel dry storage; embedded system; Ethernet; tempe
6、rature acquisition; Received： 2017-07-01目前, 核反应堆乏燃料的处理普遍采用两种策略, 即进行后处理和一次性通过 (深埋长期贮存) 1。在整个乏燃料后期处理过程中不可避免的要对乏燃料进行贮存, 而乏燃料本身具有的衰变热和放射性的属性影响了乏燃料贮存安全。目前世界上对乏燃料的贮存有两种方式, 一种是在水池内进行湿法贮存, 另一种是干法贮存。一般情况下, 首先将刚从堆芯卸载的乏燃料放入水池进行湿法贮存, 等到半衰期较短的放射性元素大部分衰变, 乏燃料的总体放射性和衰变热降低到一定程度再进行下一步后处理。不论哪种贮存方式都需要防止发生意外临界事故, 并对乏燃料
7、产生的衰变热进行有效导出, 防止局部过热造成放射性包容边界破损, 进而引发放射性物质泄漏的事故。在日本福岛核事故中, 由于乏燃料贮存水池冷却存在问题使得温度过高引发氢气爆炸, 造成放射性物质外泄2。所以, 对乏燃料的贮存必须确保有效散热, 并对乏燃料贮存容器表面的温度进行实时可靠的监测和在线报警, 从而实现对乏燃料的科学化监管。本研究为解决贮存井内乏燃料的散热安全问题, 在对乏燃料贮存井内温度分布进行仿真计算的基础上, 确定了温度传感器的安装位置, 并设计开发了一套可以在监控中心远距离实时在线监测井内温度变化的系统, 为乏燃料的安全监测和科学管理提供保障。1 温度测点的选取1.1 应用背景反应
8、堆达到设计寿期后, 燃料经过停堆卸料被放置到水池进行湿法贮存若干年。待放射性降低到一定程度后, 乏燃料元件经过烘干处理放入乏燃料贮存罐密封, 之后在乏燃料贮存井中进行干法贮存, 等待进一步处理。整个贮存区域有数十个呈阵列分布的贮存井。每个贮存井内容纳一个贮存罐, 冷却空气经气泵从底部注入, 从上部出口排出, 以便排除衰变热。为了实现对乏燃料热工安全情况的监控, 便于预防和及时发现因冷却失效造成井内温度过高, 同时兼顾辐射防护原则, 尽量减少工作人员在乏燃料贮存现场遭受辐照的剂量, 在本应用中, 需要在较远距离的两个集中监控室实时对每个贮存井内温度进行实时连续监测。为此, 在每个乏燃料贮存井内安
9、装一路铂电阻温度传感器, 用于实时采集监测贮存罐表面温度变化, 且温度测点能够反映井内安全状态, 即测点位于最高温度区域附近。设计上为防止高温导致系统失灵, 贮存现场线路采用耐高温材料。另外, 为提高远距离监控的可靠性和温度超限报警提示的及时性, 采用光纤作为中间通信介质。1.2 温度测点的确定为了确保贮存过程中的热工安全, 温度测点应该位于井内最高温度位置, 即选择温度最大点作为温度传感器的安装位置。为此, 使用 FLUENT 软件对贮存井内的空气流场和温度分布情况进行仿真计算, 确定温度最高点出现的位置区域。1) 建立导热数学模型使用 FLUENT 软件进行仿真计算时, 首先需对乏燃料罐和
10、贮存井进行建模。在对乏燃料罐进行建模时, 为了简化计算, 将乏燃料贮存罐等效成内部材料均匀的圆柱体, 并在此基础上建立圆柱坐标系, 采用一般形式的导热微分方程3式中: 为等效密度 (kg/m) ;c 为等效比热容 (J/ (kgK) ) ; 为当量导热系数 (W/ (mK) ) ; 为内热源项 (W) , 此处即为乏燃料的衰变热功率。假设贮存井壁面绝热, 冷却空气为 25, 其中乏燃料衰变热的功率计算公式如下式中:t 0为反应堆停堆天数;T 0为反应堆满功率运行天数;P 为反应堆额定满功率 (MW) 。采用第三类边界条件式中:h 为换热系数 (W/ (mK) ) ;t W为壁面温度 (K) ;
11、t f为冷却空气温度 (K) 。2) 仿真计算结果与分析罐体表面温度分布的仿真计算结果如图 1 所示。可以看出, 罐体表面温度分布呈现从下到上逐步升高的特点, 最高温度出现在罐体上端面。由于冷却气流量较小, 在靠近出风口一侧, 呈现出一个自出风口上沿开始向上的倒三角热区。为兼顾温度测量的有效性和传感器安装的方便性, 将温度测点定位于贮存罐接近上端面的侧面位置。2 分布式温度监测系统架构系统主要由铂电阻温度传感器、信号传输线路、现场温度巡检仪、数据转换通信设备和上位机组成, 系统的拓扑结构原理图如图 2 所示。铂电阻温度传感器采集到的温度信号在现场温度巡检仪中进行变换、处理和就地显示, 并按照标
12、准以太网通信协议, 经现场光端机转换成两路光信号, 通过光纤分别与两个监控室的光端机相连, 还原为电信号, 实现与 2 台上位机通信。整个系统分为两级:就地监测级, 安装放置在乏燃料贮存现场, 包括温度传感器、巡检仪和光端机;远程集中监控级, 包括两路光端机和上位机。两个集中监测点互为冗余, 能够同时接收到来自现场的信号, 使系统具有更高的可靠性。在上位机一端, 采用组态软件开发用于温度监测的人机界面, 实现温度分布显示、柱状图显示、历史数据查询、上下限报警、参数设置等功能。图 1 罐体表面温度分布云图 下载原图图 2 温度监测系统结构原理 下载原图3 温度巡检仪的设计与实现3.1 硬件设计温
13、度巡检仪用于就地进行温度传感器信号的采集、变换、显示和传输, 巡检仪原理如图 3 所示, 采用 ARM 系列 Cortex-M4 内核的 STM32F407ZET6 为控制核心, 构成嵌入式系统, 其硬件设计包括以下几个模块:电源模块、ARM 核心板模块、USB 电路、多路温度信号采集电路、10.1 寸彩色 TFT 触摸 LCD、EEPRAM 电路、蜂鸣器模块、ADC 转换电路、以太网通讯电路、SD 卡存储电路。图 3 巡检仪原理框图 下载原图电源模块接入 220 V 交流电, 输出 5 V、24 V 两种形式的直流电, 其中 5 V 电源用于对嵌入式系统供电, 24 V 电源用于外接的光端机
14、供电。铂电阻温度传感器采用三线制接法, 电路如图 4 所示。PT100 转换电路通过调节校准电位器输出 2.55 m A 的电流, 再通过一路正向比例放大器和一路差动放大器使输出电压与 PT100 的温度变化的转化率为 100 m V/。通过 F/V 转换电路将 Vref的电压调整至 2.55 V, 抵消 PT100 在 0时产生的 2.55 V 的电压。图 4 温度信号采集电路 下载原图采集到的温度信号接到由 4 个 TLC2543 芯片构成的 AD 转换电路, 每个芯片对应11 个模拟输入通道, 完成 A/D 转换过程。由于采用的是串行输入结构, 节省了单片机 I/O 资源, 且分辨率较高
15、。查表得到数据对应的温度值, 之后将温度数值通过 TFT 触摸 LCD 进行显示, 同时将数据打包为标准 TCP/IP 协议上传至上位机。温度值数据可通过 SD 卡电路储存到 SD 卡中, 方便用户通过人机界面对历史数据进行查询。USB 电路提供了外接 U 盘将数据导出的功能。以太网通讯电路是采用 WIZnet W5500 芯片的以太网模块。模块集成硬件化TCP/IP 协议, 通过 SPI 与单片机系统通讯, 内部具有 32k 字节缓存空间, 支持较高的传输速率。3.2 软件设计温度巡检仪软件主要完成数据处理、数据通信、触摸屏人机界面显示等多个任务。设计基于 C/OS-II 嵌入式操作系统,
16、通过 C/GUI 软件开发出多种温度显示界面, 包括阵列分布显示、柱状图显示、历史数据查询显示等图形画面。程序集成了中文汉字库, 可以进行一般文本的输入编辑。系统流程如图 5 所示。图 5 系统流程 下载原图用户可以点击界面上相关按钮完成报警限值、采样扫描的时间周期等相关参数的设定, 同时窗口菜单提供了方便不同显示界面切换的功能。4 上位机画面上位机监控软件安装于暂存库监控计算机和主控室监控计算机中, 用于监视竖井内贮存罐表面的实时温度, 并对数据进行管理。监控软件采用 MCGS 组态软件作为平台开发, 通过简单的设备连接, 建立相关数据变量表, 绘制并设置相关构件属性参数, 完成软件工程的设计调试。监控软件具备温度数值的阵列分布、柱状图、列表、实时曲线、历史曲线等多种显示方式, 可设置报警阈值, 越限时自动报警提醒。同时可以查询到存储一年的历史数据, 并提供方便的检索查询功能。具体功能如图 6 所示。上位机操作界面具有较好的人机交互性能, 能够方便直观地查看相应温度值及其
