閉鎖源量程導(dǎo)致RPN報(bào)警的優(yōu)化研究及應(yīng)用

姚立民 劉 琢 賴厚晶 陳衛(wèi)華

(中廣核工程有限公司，廣東 深圳 518124)

0 引言

核功率測(cè)量系統(tǒng)(nuclear instrumentation system，RPN)是通過(guò)測(cè)量反應(yīng)堆外中子注量率來(lái)計(jì)算反應(yīng)堆堆芯功率的核級(jí)儀控系統(tǒng)。嶺澳二期3號(hào)機(jī)組升功率運(yùn)行期間，當(dāng)機(jī)組功率超過(guò)10－5%額定功率時(shí)，按照核電站的運(yùn)行規(guī)程，主控操作員應(yīng)通過(guò)操作控制開(kāi)關(guān)手動(dòng)閉鎖源量程(source range，SR)，切除源量程的中子探頭高壓，并在10 s后閉鎖源量程停堆信號(hào)。在完成閉鎖工作后，RPN系統(tǒng)將自動(dòng)產(chǎn)生源量程通道I/II故障報(bào)警(簡(jiǎn)稱RPN447/450KA)。但通過(guò)檢測(cè)RPN系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況發(fā)現(xiàn)，此時(shí)的RPN系統(tǒng)仍正常工作，系統(tǒng)兩路源量程通道均處于正常的待命工況。由此可知主控報(bào)警信號(hào)RPN447/450KA為誤報(bào)警，它未能正確反映當(dāng)前RPN系統(tǒng)的工作狀況，這給機(jī)組的安全運(yùn)行帶來(lái)了潛在的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)［1－3］。

1 運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)

按照核電站運(yùn)行規(guī)程，在機(jī)組正常功率運(yùn)行階段，RPN源量程會(huì)被閉鎖，直至功率下降并低于P6閾值后，源量程緊急停堆功能才能自動(dòng)恢復(fù)，源量程重新投運(yùn)。這就意味著，整個(gè)功率運(yùn)行期間，源量程通道的故障報(bào)警在功率運(yùn)行階段一直長(zhǎng)期存在，且無(wú)法對(duì)后續(xù)的其他故障報(bào)警信號(hào)進(jìn)行疊加反映，因此主控室無(wú)法對(duì)RPN系統(tǒng)的源量程實(shí)際運(yùn)行情況作出準(zhǔn)確的判斷。

根據(jù)嶺澳二期核電站運(yùn)行技術(shù)規(guī)范，在功率運(yùn)行和熱備用工況下，RPN系統(tǒng)的源量程、中間量程和功率量程必須可用。這一情況的存在，就長(zhǎng)期運(yùn)行而言，會(huì)導(dǎo)致真正的故障問(wèn)題被掩蓋，對(duì)機(jī)組的運(yùn)行安全具有潛在風(fēng)險(xiǎn)。

2 系統(tǒng)分析

2.1 源量程通道分析

RPN系統(tǒng)的源量程通道的主要功能是:①為源量程的中子探頭提供高壓;②為反映堆芯的實(shí)際功率設(shè)置甄別電壓，消除γ射線的影響;③接收中子探頭的信號(hào)，經(jīng)脈沖放大、濾波后為信號(hào)的處理部分提供整形的信號(hào);④可接受全廠儀控系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱為DCS系統(tǒng))機(jī)柜送來(lái)的“探頭高壓切除”邏輯量信號(hào)，切除源量程探頭高壓。

源量程通道的主要功能模塊包括電源供應(yīng)和轉(zhuǎn)換模塊(簡(jiǎn)稱為Alim Ana7)、中子探頭信號(hào)調(diào)理模塊(簡(jiǎn)稱為AIMP5)以及帶隔離功能的二進(jìn)制數(shù)據(jù)邏輯處理模塊(簡(jiǎn)稱為16ITOR)等，源量程通道布置圖如圖1所示。

圖1 源量程通道布置圖Fig.1 Layout of SR channel

源量程通道的中子探頭信號(hào)調(diào)理模塊中包含一個(gè)高壓監(jiān)測(cè)單元，用來(lái)監(jiān)測(cè)中子探測(cè)器的工作高壓。正常運(yùn)行期間，工作電壓設(shè)定為800 V。為了保護(hù)中子探頭及保證中子探頭的探測(cè)準(zhǔn)確性，在板卡中增設(shè)了工作高壓的閾值監(jiān)測(cè)功能，分別設(shè)置有高限值和低限值。如果在正常運(yùn)行階段，探頭的高壓值超過(guò)設(shè)定的高限值和低限值，即表明出現(xiàn)高壓異常，探頭將發(fā)出相關(guān)報(bào)警。同時(shí)，中子探頭信號(hào)調(diào)理模塊還具備接受DCS系統(tǒng)送入的高壓恢復(fù)和高壓切除信號(hào)，并根據(jù)當(dāng)前堆功率水平的需求實(shí)現(xiàn)源量程中子探頭的投運(yùn)和熱備狀態(tài)的遠(yuǎn)程控制功能。中子探頭信號(hào)調(diào)理模塊可以通過(guò)特定設(shè)備進(jìn)行工作高壓值、高壓高限值和低限值以及中子探頭甄別閾電壓的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)定，但其信號(hào)數(shù)據(jù)的處理邏輯不帶軟件控制處理功能，板卡的內(nèi)部邏輯均為硬件邏輯。

帶隔離功能的二進(jìn)制數(shù)據(jù)邏輯處理模塊是整個(gè)源量程通道的數(shù)據(jù)輸入輸出接口，其主要功能是進(jìn)行輸入信號(hào)的邏輯關(guān)系處理、通過(guò)內(nèi)部處理提供帶邏輯結(jié)果的隔離輸出信號(hào)。二進(jìn)制數(shù)據(jù)邏輯處理模塊是源量程通道的信號(hào)接口，系統(tǒng)中的報(bào)警信號(hào)邏輯管理也由此模塊實(shí)現(xiàn)。但二進(jìn)制數(shù)據(jù)邏輯處理模塊為硬件邏輯設(shè)計(jì)，不具有軟件邏輯處理功能，無(wú)法在現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)軟件方式修改其內(nèi)部邏輯。

源量程通道信號(hào)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 源量程通道信號(hào)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of SR channel signal

2.2 報(bào)警分析

RPN系統(tǒng)的源量程通道故障報(bào)警信號(hào)是一個(gè)綜合報(bào)警信號(hào)，報(bào)警可由如下信號(hào)觸發(fā):①源量程通道板卡狀態(tài);②中子探頭甄別閾電壓低限值;③中子探頭高壓高限值;④中子探頭高壓低限值。

分析系統(tǒng)模塊的硬件接線圖可知，任意信號(hào)均可觸發(fā)源量程通道故障信號(hào)。報(bào)警邏輯圖如圖3所示。

圖3 報(bào)警邏輯圖Fig.3 Alarm logical diagram

通過(guò)邏輯分析可以看出，在報(bào)警設(shè)計(jì)上，RPN系統(tǒng)的源量程通道無(wú)法識(shí)別高壓是正常切除還是異常下降觸發(fā)高壓低限報(bào)警。當(dāng)手動(dòng)切除源量程中子探頭高壓后，中子探頭高壓從設(shè)定值(如800 V)降為0 V;RPN系統(tǒng)的源量程高壓監(jiān)測(cè)單元在監(jiān)測(cè)到這一情況后，會(huì)自動(dòng)觸發(fā)“中子探頭高壓低限值”信號(hào)，使RPN系統(tǒng)產(chǎn)生源量程通道的故障報(bào)警信號(hào)。機(jī)組在功率運(yùn)行期間，當(dāng)源量程退出運(yùn)行后，兩路源量程通道故障的報(bào)警信號(hào)一直存在，這將影響日常運(yùn)行期間對(duì)源量程通道故障信號(hào)的正常監(jiān)測(cè)。

3 方案分析

為保證RPN系統(tǒng)的源量程通道運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控，針對(duì)這一情況，提出了以下兩種方案，分別介紹如下。

3.1 維持現(xiàn)有系統(tǒng)設(shè)計(jì)

雖然源量程通道故障信號(hào)因中子探頭的高壓丟失而被觸發(fā)，導(dǎo)致源量程通道的其他自動(dòng)故障報(bào)警功能被屏蔽，但源量程通道的運(yùn)行情況可以通過(guò)人工定期打開(kāi)柜門巡檢的方式驗(yàn)證，從而代替系統(tǒng)的自動(dòng)報(bào)警功能。

該方案的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需改動(dòng)RPN系統(tǒng)硬件，維持現(xiàn)有系統(tǒng)設(shè)計(jì)，它可作為保證機(jī)組安全運(yùn)行的重要方式。但是該方案不能解決實(shí)際問(wèn)題，在機(jī)組正常運(yùn)行階段，主控仍長(zhǎng)期存在報(bào)警信號(hào)，容易對(duì)主控人員直觀判斷源量程狀態(tài)造成困難;同時(shí)，增加了機(jī)組維修人員的工作負(fù)荷，不利于人力資源的合理分配。

3.2 改變現(xiàn)有系統(tǒng)設(shè)計(jì)

若要解決功率運(yùn)行期間主控長(zhǎng)期存在RPN447/450KA源量程通道I/II故障報(bào)警的問(wèn)題，需要對(duì)現(xiàn)有設(shè)備的系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。

設(shè)計(jì)改造的目的是為了解決原RPN源量程報(bào)警觸發(fā)設(shè)計(jì)中的缺陷，即無(wú)法識(shí)別高壓是正常切除還是異常下降而觸發(fā)高壓低限報(bào)警。當(dāng)P＞P6時(shí)，主控操作員通過(guò)操作反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)開(kāi)關(guān)手動(dòng)閉鎖源量程，切除源量程的中子探頭高壓;并在10 s后閉鎖源量程停堆信號(hào)，RPN系統(tǒng)不會(huì)產(chǎn)生RPN447/450KA源量程通道I/II故障報(bào)警。同時(shí)，原有設(shè)計(jì)中的源量程通道板卡狀態(tài)、中子探頭甄別閾電壓低限值、中子探頭高壓高限值、中子探頭高壓低限值等自動(dòng)監(jiān)測(cè)報(bào)警功能需要保留。

3.2.1 外部系統(tǒng)改動(dòng)

報(bào)警邏輯優(yōu)化方案如圖4所示。

圖4 報(bào)警邏輯優(yōu)化方案Fig.4 Optimizing scheme of alarm logic

在保持現(xiàn)有RPN系統(tǒng)硬件設(shè)備不變的情況下，通過(guò)修改與RPN系統(tǒng)相連接的DCS系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。在DCS系統(tǒng)中，需要在DCS機(jī)柜中增加三位繼電器，用于表示DCS系統(tǒng)中的切高壓命令狀態(tài)。將高壓切除命令的狀態(tài)指示信號(hào)送至RPN系統(tǒng)，參與報(bào)警輸出的邏輯判斷。RPN系統(tǒng)以此信號(hào)為判斷依據(jù)，確認(rèn)當(dāng)前的高壓丟失是否屬于正常工作狀態(tài)。

該方式的優(yōu)點(diǎn)是不改動(dòng)RPN系統(tǒng)硬件，可以在確?，F(xiàn)有RPN系統(tǒng)的穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，滿足現(xiàn)有機(jī)組的運(yùn)行需要，同時(shí)可以解決正常切高壓時(shí)出現(xiàn)的主控報(bào)警問(wèn)題。但是該方式需要修改DCS機(jī)柜硬件設(shè)計(jì)，并且需要在RPN-DCS系統(tǒng)之間增加新的信號(hào)電纜，同時(shí)需要在DCS系統(tǒng)的軟件組態(tài)中增加新的信號(hào)輸出點(diǎn)，這將對(duì)DCS系統(tǒng)的軟硬件帶來(lái)影響。同時(shí)，根據(jù)修改方案，DCS系統(tǒng)的相關(guān)文件如接口文件、接線圖、信號(hào)流程圖等均需要升級(jí)。

RPN系統(tǒng)自身存在設(shè)計(jì)缺陷，通過(guò)采用修改外部系統(tǒng)(如DCS系統(tǒng))的方案可以解決問(wèn)題，但由此帶來(lái)的更改工作不僅代價(jià)太大，而且需要第三方系統(tǒng)的配合才能實(shí)現(xiàn)。

3.2.2 RPN 系統(tǒng)改動(dòng)

既然外部系統(tǒng)改動(dòng)代價(jià)過(guò)大，那么只有從RPN系統(tǒng)自身的設(shè)計(jì)入手，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行改動(dòng)。改動(dòng)的原則是保持現(xiàn)有的輸入輸出接口信號(hào)不變，通過(guò)修改RPN系統(tǒng)的內(nèi)部邏輯，實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓的正常切除和異常下降的識(shí)別，從而完善源量程通道的高壓低限報(bào)警邏輯。

繼電器K7邏輯如圖5所示。

圖5 繼電器K7邏輯圖Fig.5 Logic of relay K7

4 結(jié)束語(yǔ)

采用硬件方式的設(shè)計(jì)修改，可以在保證原有RPN系統(tǒng)故障監(jiān)測(cè)功能不受影響的前提下，最完美地實(shí)現(xiàn)RPN系統(tǒng)的源量程高壓監(jiān)測(cè)單元對(duì)故障高壓異常和人為控制切除高壓的識(shí)別。因此，嶺澳核電站二期選用了RPN系統(tǒng)改動(dòng)的方案作為系統(tǒng)技術(shù)升級(jí)。

為了避免同類事件的發(fā)生，在后續(xù)核電項(xiàng)目中，應(yīng)在RPN系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段明確處理方案，在系統(tǒng)設(shè)備出廠前實(shí)現(xiàn)機(jī)柜的相關(guān)設(shè)計(jì)優(yōu)化，并進(jìn)行相關(guān)的整體試驗(yàn)。這樣既可以保證系統(tǒng)的總體性能，也不會(huì)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的施工、調(diào)試、運(yùn)行工作帶來(lái)任何影響，同時(shí)對(duì)后續(xù)核電站項(xiàng)目也具有極大的借鑒價(jià)值和意義。

［1］廣東核電培訓(xùn)中心.900MW壓水堆核電站系統(tǒng)與設(shè)備［M］.上冊(cè).北京:原子能出版社，2006:255－267.

［2］陳濟(jì)東.大亞灣核電站系統(tǒng)及運(yùn)行［M］.北京:原子能出版社，1995.

［3］法國(guó)電力公司.RCC-P法國(guó)900Mwe壓水堆核電站系統(tǒng)設(shè)計(jì)和建造規(guī)則［M］.4版.北京:國(guó)家核安全局，1991.