數(shù)字化反應堆保護系統(tǒng)結構分析

【摘 要】通過介紹不同的反應堆保護系統(tǒng)的結構，希望為后續(xù)的反應堆保護系統(tǒng)設計提供參考意義。

【關鍵詞】保護系統(tǒng)；結構；反應堆

為提高核電站的安全性和經(jīng)濟性，采用數(shù)字化的儀表與控制系統(tǒng)是必然趨勢。反應堆保護系統(tǒng)是儀表控制系統(tǒng)的重要組成部分，是反應堆穩(wěn)定、可靠運行的重要保障。自上世紀70年代，核電發(fā)達國家已經(jīng)開始了數(shù)字化反應堆保護系統(tǒng)的研究，并已投入核電站運行。隨著計算機和網(wǎng)絡通信技術的不斷發(fā)展，國內也積極開展了數(shù)字化反應堆保護系統(tǒng)的的研究，結合數(shù)字化儀表與控制系統(tǒng)的一體化思想，并通過借鑒、吸收國外的成熟，設計出不同的反應堆保護系統(tǒng)。

反應堆保護系統(tǒng)是安全級系統(tǒng)，其功能是當其所監(jiān)測的運行參數(shù)達到或超過安全限值時，緊急落棒停堆，必要時啟動專設安全設施，保證核安全屏障的完整性，防止或減輕放射性物質對周圍環(huán)境的釋放。對任何一種反應堆保護系統(tǒng)，無論采取何種結構，都應滿足上述要求。

一、反應堆保護系統(tǒng)的設計原則

（一）單一故障準則

單一故障準則是指要求某設備組合在其任何部位發(fā)生單一隨機故障時，仍能夠執(zhí)行其正常功能。在該單一故障引起的所有繼發(fā)性故障均視為單一故障不可分割的組成部分，該準則要求保護系統(tǒng)內單一故障或單次事件引起的多故障不應有損于系統(tǒng)的保護功能。

（二）獨立性

保護系統(tǒng)獨立于其他非安全系統(tǒng)，保護系統(tǒng)的輸入/輸出都是電氣隔離的；保護系統(tǒng)內部的各個通道之間進行實體分離和電氣隔離。

（三）冗余性

為了滿足單一故障準則，提高反應堆的安全性，反應堆保護系統(tǒng)采用冗余設計技術。冗余設計一般包括安全監(jiān)測通道的冗余，安去安全邏輯裝置的冗余，邏輯系統(tǒng)的冗余，電源冗余等。

（四）多樣性

多樣性包括功能多樣性和設備的多樣性，對每個規(guī)定的反應堆假定始發(fā)事件盡量用不同的物理效應或不同的變量來監(jiān)測。在某些條件下可用不同類型的設備來測量同一物理量，以便克服共因故障。

共因故障是指一些故障發(fā)生時，某單一事件能阻止多重的和類似的部件和設備按照設計的模式工作。

（五）故障安全準則

故障安全準則是在某系統(tǒng)中發(fā)生任何故障時仍能使該系統(tǒng)保持在安全狀態(tài)的設計原則。

（六）可試驗性和可維修性

保護系統(tǒng)的冗余度是為了使保護系統(tǒng)在發(fā)生一些故障之后還能成功的運行。然而，為了能發(fā)現(xiàn)和修理故障元件，以防止故障積累和因為該故障而發(fā)生的總的保護系統(tǒng)故障，保護系統(tǒng)需要定期的試驗。試驗的要求是必須能夠發(fā)現(xiàn)第一個故障。保護系統(tǒng)的冗余性為在線測試提供了可能性。

二、保護系統(tǒng)的結構

反應堆緊急停堆系統(tǒng)的主要功能是打開停堆斷路器，使控制棒插入堆芯從而完成停閉反應堆

的功能。它包括從傳感器/探測器到反應堆停堆斷路器的所有設備，主要分為3部分：前端的傳感器/探測器部分及信號采集與處理部分、中間的邏輯處理部分和末端的反應堆停堆斷路器部分。

（一）典型的反應堆保護系統(tǒng)結構

典型的反應堆保護系統(tǒng)結構如圖1所示（圖中2oo3表示三個通道里面取兩個，即“三取二”）。

圖中每個參數(shù)采用三個傳感器來測量，三個測量參數(shù)進行閾值比較后利用不同的“三取二”邏輯符合單元進行邏輯判斷，再對這三個邏輯符合的輸出進行“三取二”邏輯符合后生成通道級保護動作信號，最后由系統(tǒng)級“三取一”邏輯符合裝置進行邏輯符合運算后生成系統(tǒng)級保護信號，觸發(fā)保護動作。

該結構的優(yōu)點是可以避免由于單個邏輯符合單元的故障導致保護系統(tǒng)動作，減少非安全故障概率，滿足單一故障準則。缺點是在測量某個保護參數(shù)時，如果有兩個及兩個以上的傳感器故障或信號波動，系統(tǒng)會產(chǎn)生保護動作信號。因此，系統(tǒng)的安全故障概率大。

這種典型的反應堆保護系統(tǒng)結構多用于實驗堆或較早的動力堆，目前國內核電站大多已采用在此基礎上進行了改進的保護系統(tǒng)。

（二）國內常見的保護系統(tǒng)結構

為滿足反應堆保護系統(tǒng)的設計準則要求，并具有高度的可靠性，國內核電廠普遍采用4個傳感器/探測器監(jiān)測同一個保護參數(shù)，4組停堆斷路器以設定的組合方式執(zhí)行緊急停堆功能的保護系統(tǒng)結構。

1.兩系列的反應堆保護系統(tǒng)結構

兩系列的反應堆保護系統(tǒng)結構如圖2所示。圖中四個通道（A、B、C、D）在實體上分離，電氣上隔離，且采用不同的測量技術，滿足獨立性和多樣性的要求。

圖中每個通道同時對多個保護變量進行測量，每個通道對每個保護變量進行閾值比較后會有四個輸出，每一個獨立通道分別先對同一個保護變量進行“四取二”（或者“二取一”“三取二”）邏輯符合，再對不同的保護變量進行“N取1”邏輯運算，稱為X、Y半邏輯運算。A、B兩個通道的X、Y半邏輯運算進行“與”運算，C、D兩個通道的X、Y半邏輯運算進行“與”運算，兩個“與”運算的結果進行“或”運算后產(chǎn)生保護動作信號，觸發(fā)保護系統(tǒng)動作。

目前采用此種保護系統(tǒng)結構的核電廠有大亞灣核電站、嶺澳一期、嶺澳二期等。

2.四通道的反應堆保護系統(tǒng)結構

四通道的反應堆保護系統(tǒng)結構如圖3所示。和兩系列的反應堆保護系統(tǒng)結構一樣，四個通道（A、B、C、D）在實體上分離，電氣上隔離，且采用不同的測量技術，滿足獨立性和多樣性的要求。

每個通道同時對多個保護變量進行測量，每個通道對每個保護變量進行閾值比較后會有四個輸出，每一個獨立通道分別先對同一個保護變量進行“四取二”（或者“二取一”“三取二”）邏輯符合，再對不同的保護變量進行“N取1”邏輯運算，稱為X、Y半邏輯運算。A、B、C、D四個通道的X、Y半邏輯后緊跟四個斷路器，每一個半邏輯都可以輸出一個通道級保護動作信號，最后由系統(tǒng)級的“四取二”邏輯符合裝置進行邏輯運算后，生成系統(tǒng)級保護動作觸發(fā)信號，觸發(fā)保護系統(tǒng)動作。

目前采用此種保護系統(tǒng)結構的核電廠有紅沿河、陽江、寧德、福清等。

總 結

與典型的反應堆保護系統(tǒng)結構相比，兩系列和四通道的反應堆保護系統(tǒng)結構不但更好的滿足單一故障準則，而且可以有效的降低系統(tǒng)的非安全故障概率，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。

與兩系列的反應堆保護系統(tǒng)相比，四通道反應堆保護系統(tǒng)由于增加了停堆斷路器，成本較高，但可以實現(xiàn)斷路器的在線檢測、更換或定期試驗，而并不影響反應堆的正常運行，因此在應用中更加方便。

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作者簡介：

趙勝威（1987-），男，助理工程師。2009年畢業(yè)于西安交通大學核工程與核技術專業(yè)，現(xiàn)從事反應堆運行工作。