随着我国核电产业的大力发展, 国家对于核电环境监测工作的重视程度不断增强, 对于各个省份, 特别是有重大核设施省份的核辐射环境监测能力的要求有了新的提高。核电站外围环境γ辐射连续监测系统是地方环境保护主管部门对核电站实施双轨制"监督性监测的重要组成部分。该系统可以实时监测核电站周围空气中辐射贯穿水平, 及时掌握核电站附近区域环境γ剂量率本底信息, 对于提高我国核电外围辐射环境常规监督性监测和核事故应急监测的整体水平发挥重要作用^[1-3]。

田湾核电站外围环境γ辐射连续监测系统由设置在电站外围的6个自动监测哨和南京中心的背景监测哨组成, 各监测哨均配备由美国GE公司生产的运行较为稳定的高气压电离室。根据田湾地区的气象规律, 在部分站点设置了雨量计和自动气象监测仪, 进行实时监测。为了保障连续监测系统的稳定性和监测数据的完备性, 避免由于通讯系统中断带来的有效数据捕获率的降低, 监测数据采用双数据传输通道备份, 其中光纤专线作为主通道, GPRS无线传输系统作为备用通道, 在任何一方数据通讯传输出现故障时可以实时互相切换。监测数据分别传至南京中心站和连云港分站, 进行数据统计和分析。整个系统从功能上划分可分为数据采集系统、信息传输系统、数据统计分析系统和告警系统等部分组成, 笔者主要针对连续监测系统的告警设计进行初步探讨^[4-7]。

1 背景

作为核电监管系统的重要组成部分, 田湾核电站外围环境γ辐射连续监测系统的稳定、高效运行是常规监测以及应对突发核辐射事故进行有效监测的重要保证。从近年来系统运行的状况来看, 尽管有工作人员进行24h值班监控, 但是一些仪器、通讯和供电系统等突发故障的发生仍然会造成连续监测数据的中断, 造成有效数据捕获率的下降, 影响对核电站周围环境状况的有效监控。同时, 对于环境中放射性水平的异常如何及时发现和判断, 从而避免由于报警阈值设计的不合理所带来的不必要的恐慌, 是系统运行和维护中亟待解决的问题。针对这些问题, 告警系统的设计可以帮助值班人员及时发现数据异常情况, 准确掌握连续监测系统的运行性能状况等, 对核电外围辐射环境的有效监督和对系统及时有效的维护发挥重要效能。通过大量的实时监测数据可以掌握田湾核电站附近区域范围γ辐射剂量率的统计涨落范围。同时, 对告警信息查询、统计和管理可以及时记录核电连续监测系统的稳定性、可靠性信息, 发现出现故障的规律和频率, 为系统维护提供经验性的意见和指导建议。

2 田湾核电站环境γ辐射连续监测告警系统设计

田湾核电站环境γ辐射连续监测告警系统从功能上划分设计为系统工况告警和环境放射性水平告警两部分。前者是针对系统运行维护而设计, 其设计原则是综合考虑各种工况故障情况和对影响后果进行预期评估, 根据不同原因采取对应维护策略和方案; 后者主要是通过合理的剂量率告警阈值的设定, 及时发现环境中放射性水平异常, 以便及早报告。其设计原则是以统计数据涨落范围为依据, 通过不同数据告警级别的设计, 保证告警的有效性和保守性设计原则兼顾。

2.1 系统工况告警

固定式辐射连续监测系统是由监测设备、数据采集、数据传输、电源供给等各部分组成的复杂系统, 在实际运行工作中, 会出现诸如数据采集通道的中断和切换, 数据采集终端设备的状态变化, 测量值和导出值超过限值、通信通道和设备电源系统运行异常等故障。通过统计和分析, 其原因主要由以下几方面造成:一是探测器等硬件故障, 如死机或者局部断电。主要包括高气压电离室、雨量计、气象参数监测仪和数据采集器等设备。其故障现象表征为实时数据为历史测量的最后有效数据, 数据值的时间变化率为零; 二是数据传输网络故障, 主要是光纤或GPRS通讯中断, 两种通讯方式同时中断属于小概率事件, 在实际运行中极少出现; 三是电源故障, 即某个连续监测自动哨整体市电关闭, 此时系统的电源供给自动转为不间断电源UPS电池组供电。

根据以上三种故障情况, 将系统工况故障告警设定为三类, 即数据传输中断告警、GPRS启动告警和UPS电源启动告警。当监测哨数据中断, 即γ剂量率连续监测数据长时间保持同一个值不变达到某个时间间隔, 该间隔时间需要设定, 如1min、5min, 此时系统将根据设置事件要求自动判断为数据传输中断, 并发出告警信息。某监测哨数据传输中断示意图如图 1中A段所示。

光纤专线具有带宽大、远距离传输能力强、保密安全性高及抗干扰能力强等特点, 在系统设计时将该通道作为连续监测系统的数据传输主通道。尽管如此, 由于局域电信系统改造, 局部光纤传输设备故障, 也会造成数据传输的中断故障。在设计中系统的数据通讯主通道为光纤, 当光纤传输信号中断时, 系统将分析判断并立即转入GPRS无线传输备用通道, 并发出告警信息。通过分析通道误码率在光纤通讯正常后重新投入光纤通道运行, 同时向值班维护人员发出恢复正常通讯状态短信。电源供给故障是系统运行的工况故障分析中后果最严重的, 其后果往往是数据无法重新捕获和恢复。特别是对于无人值守的监测哨出现供电故障时不易被察觉, 在UPS电源电源供给耗尽后哨点处于瘫痪状态, 极大地降低系统运行的稳定性和监管的有效性。在对电源故障进行告警设计时, 当UPS电源开始启动时, 说明系统的市电可能出现故障, 被迫使用UPS电源, 系统自动发出告警信息至值班维护人员, 必便其尽快采取应对措施。典型的工况故障信息如图 2所示。

2.2 环境放射性水平告警

对于环境放射性水平, 即高气压电离室对于γ辐射剂量率的告警, 主要是对于告警阈值的设定。通过对于γ剂量率告警阈值的合理设定, 可以及时发现空气中放射性水平的异常, 判断分析异常数据的原因。同时, 基于连续监测系统运行的工作经验, 对于剂量率超标的误告警的分析和判别也是一个重要的需要解决的问题。

关于连续监测系统γ辐射剂量率告警值的设定, 国内目前还没有相关的标准和参考值。一般采用区域环境本底统计统计涨落数据均值和n倍标准偏差来设计确定, 从实际运行效果来看, n设计过小会造成误报警概率的增加, 过大则可能会导致异常数据的遗漏。通过几年来对于田湾核电站外围环境γ辐射连续监测系统的运行经验和监测数据的统计分析的结果来看, 出现剂量率超过正常本底水平(非事故状态)的情况主要由以下三个原因造成:一是高气压电离室探头受到某个高压或者脉冲的影响造成剂量率数据猛然陡增, 有时可以达到近千nGy/ h的数量级, 但基本上均为瞬时的个别值; 二是由于雨雪天气原因将空气中的放射性气溶胶带入近地面附近, 造成γ剂量率值偏高; 三是探头不稳定造成剂量率连续偏高。该种情况在部分监测哨曾经发生过, 剂量率连续超高, 有时达到1 000~2 000 nGy/h, 数据短时间内无法回归正常, 需要人工处理。该种告警情况属于仪器故障, 仪器电源重启后即正常, 且发生几率较小。

对于告警阈值的设计要求是不仅能够及时发现剂量率监测数据异常, 又可以避免由于其它原因出现的非正常告警造成不必要的恐慌。由于各监测哨周围环境天然本底的差异, 用统一的剂量率预警值作为阈值显然是不合适的。可以根据各监测哨实际点位监测的数据情况, 经过合理的统计和分析进行设计。表 1为2004年和2005各监测哨小时均值和测量范围, 考虑到田湾核电站1号机组于2005年装料, 所以用2004年的γ剂量率连续监测数据可以更加客观地反应空气中吸收剂量率本底水平的涨落情况。

系统按照此测量值范围的上限作为预警值, 经过测试发现会有经常发生超过此限值的报警, 造成误报警。分析原因主要是以小时平均值数据作为最小时间单元进行统计时, 一些瞬时监测的数据(相对高的监测值)在统计中被淹没在均值数据中。通过对不同告警阈值设置下系统运行情况来看, 建议采用以下方式进行连续监测γ辐射剂量率预警值的设定:连续监测γ辐射剂量率预警值分为两级告警:即普通告警(低级别告警)和应急告警(高级别告警)。应急告警阈值可以参考国际上其他国家的预警值, 如芬兰辐射与核安全机构STUK与地方机构合作建立自动化γ剂量率监测网络系统的报警水平为400nGy/h, 也可适当将报警阈值降低一些。可根据核电站具体周围环境本底情况设计, 一般建议设置预警值要相对保守一些, 目前田湾核电站自动监测哨的应急告警阈值为300nGy/h。普通告警阈值建议使用系统分钟均值的测量范围的上限。大量的自动辐射环境监测数据分析表明, 该种设置方式作为统计空气中γ剂量率的本底涨落范围能够比较客观的反应本底水平涨落情况, 其出现误报警的概率也在可接受范围内。田湾核电站自动监测哨各哨点普通告警阈值见表 1。

2.3 告警信息报表、统计分析和发布

各类报警信息在监控人机界面上可以实时提示, 并通过电话、声和光电的方式在连续监测系统控制中心发布, 对重要的告警信息通过短信及时发送到值班人员或者系统维护人员, 以便及时采取应对方案。同时, 在管理软件中设计专门平台, 提供历史记录分析、统计和查询功能。通过在软件配置单元中配置各种告警类型的告警方式, 如"显示"、"打印"、"登录"、"声音"和"短消息发送"等功能, 根据告警的不同类型和级别分别通过不同的方式发布。

3 结束语

通过对田湾核电站环境γ辐射连续监测的告警系统设计进行初步探讨, 对于告警系统合理的设计可以帮助应急值班人员及时发现核事故和掌握监测系统运行状况, 对实际的工作可以发挥很好的效能。同时, 随着国家对于辐射环境信息网络化建设的不断推进, 环境γ辐射剂量率自动监测哨的建设将会逐年增加。该项工作的研究对于自动监测哨的标准化设计工作可以提供借鉴作用, 为正在建设中的监测哨的系统设计提供帮助。由于辐射环境数据除了受到放射性衰变统计涨落因素影响外, 环境周围物流、气象扰动以及宇宙射线变化等因素都会对其产生影响, 其反馈信息如何在空间辐射场进行关联, 一些特征参数, 如雨量对于剂量率的影响的定量分析是下一步研究工作的重点。