RPN核測儀表系統(tǒng)

琚文俊 劉江川

（中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300）

0 引言

RPN核儀表系統(tǒng)是核電站重要的安全系統(tǒng)，它使用了源量程、中間量程及功率量程三種通道來完成反應(yīng)堆從啟動到滿功率運行、其核功率動態(tài)范圍達10個數(shù)量級以上的監(jiān)測任務(wù)。方家山核儀表系統(tǒng)的設(shè)計參考嶺澳一期相應(yīng)系統(tǒng)，兩者用于控制和保護的輸出信號有許多相同之處。但由于電廠改進和數(shù)字化控制的要求，方家山RPN在信號傳輸和處理流程上和秦山一期堆外核測系統(tǒng)、秦山二期核儀表系統(tǒng)均有較大的差異。方家山RPN系統(tǒng)還設(shè)置了功能強大的LOCA后事故監(jiān)測分系統(tǒng)（以下簡稱LSS系統(tǒng)），由LSS系統(tǒng)向操作員提供與中子注量率分布有關(guān)的信息，計算LOCA裕度、計算通道方位傾斜等。此外，方家山RPN系統(tǒng)在軸向通道布置上和部分信號的邏輯功能也做了改進。

1 系統(tǒng)組成和功能

1．1 系統(tǒng)組成

與我廠30萬機組堆外核測系統(tǒng)類似，RPN系統(tǒng)包括八個獨立的探測器保護通道、保護機柜，以及與上述通道有關(guān)的探測器定位裝置、顯示器、揚聲器和選擇開關(guān)等。不同的是方家山RPN系統(tǒng)功率量程探測器共有6個敏感段，而我廠30萬機組為4個敏感段。另外，方家山RPN系統(tǒng)增加了控制機柜和LSS機柜?？刂茩C柜收集來自四個保護機柜的輸出信號中用于報警、指示和控制的那部分信號，即不用于反應(yīng)堆保護的部分信號。LSS系統(tǒng)是方家山機組新增加的用于LOCA后事故監(jiān)測的系統(tǒng)，這和我廠30萬機組相對應(yīng)的事故后監(jiān)測儀表以及秦山二期的RPDM系統(tǒng)均有很大差異，其作用會在后面描述。LSS機柜有LSS系統(tǒng)用于處理信號的LOCA計算機和用于試驗及指示輸出計算機。RPN共有8個獨立保護通道：2個源量程，2個中間量程，4個功率量程。八個保護通道安裝在4個RPN保護機柜內(nèi)。

1．2系統(tǒng)功能

RPN系統(tǒng)正常運行時，通過連續(xù)監(jiān)測反應(yīng)堆功率、功率水平和功率分布，在KIC或BUP盤進行指示和記錄，為操縱員提供在堆芯裝料、停堆、啟堆和功率運行期間反應(yīng)堆的狀態(tài)信息。這些功能包括：由四個功率量程產(chǎn)生高選最大功率信號，向RGL提供高選核功率信號用于棒控和棒速程序；由四個功率量程各自第2和第5通道產(chǎn)生的通道電流，向KIR系統(tǒng)提供中子噪聲電路用于評估反應(yīng)堆內(nèi)部的振動響應(yīng)；由中間量程通道向ATWT系統(tǒng)提供非緊急停堆預(yù)期瞬態(tài)的觸發(fā)信號和向KME系統(tǒng)提供用于試驗的實時數(shù)據(jù)和向過程儀表系統(tǒng)提供用于確定超溫和超功率T反應(yīng)堆停堆及提棒閉鎖整定值的軸向功率偏差信號等。

RPN系統(tǒng)在中子注量率高和中子注量率變化率高時觸發(fā)反應(yīng)堆停堆。它共提供6個停堆保護信號、5個控制聯(lián)鎖信號和4個允許信號。中子通量高停堆之前，用信號閉鎖自動和手動提棒。軸向功率偏差信號用于確定超溫和超功率△T反應(yīng)堆停堆和閉鎖提棒整定值。

RPN系統(tǒng)保護通道是核安全一級系統(tǒng)，在地震過程中，系統(tǒng)始終保持其保護功能。

2 系統(tǒng)流程

信號處理流程：

核儀表系統(tǒng)RPN的信號流程包括了中子通量探測器、信號調(diào)理電路（信號放大、整形、甄別等）、模數(shù)裝換、信號計算和處理、信號分配和輸出等環(huán)節(jié)，同時RPN系統(tǒng)還接受外部其他系統(tǒng)送來的控制信號。三種探測器通道信號處理流程有許多類似之處，下面主要以源量程通道為例描述RPN的信號處理流程。

首先，由源量程通道的高壓電源給源量程探測器供電，探測器接收到熱中子后產(chǎn)生的是低幅值的不規(guī)則脈沖信號，這些低幅值的脈沖信號首先送給源量程通道的脈沖信號放大器進行放大，之后送給信號甄別單元進行甄別。這個過程將除了中子脈沖信號以外的其他脈沖信號去處掉，然后將信號整形成標(biāo)準(zhǔn)的方波脈沖信號，再送到脈沖計數(shù)單元進行計數(shù)，之后送到模擬量輸入模件進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后將信號送給源量程通道的CPU進行計算和處理。

源量程通道的CPU完成如下工作：將信號轉(zhuǎn)換成1～106cps的計數(shù)率信號；計算中子脈沖的倍增時間（周期）信號；將送反應(yīng)堆保護系統(tǒng)的計數(shù)率信號進行域值比較，產(chǎn)生源量程高中子通量停堆信號（105CPS）；產(chǎn)生脈沖信號丟失；產(chǎn)生高壓電源喪失；產(chǎn)生通道試驗或故障信號。

這里與參考電站和我廠30萬機組均不同的是方家山核儀表系統(tǒng)各通道設(shè)置有各自的CPU進行信號處理，而不是在保護系統(tǒng)的機柜里進行處理。經(jīng)過處理得到數(shù)字量信號可以直接輸入到下游用戶使用而不必在每個用戶系統(tǒng)中都進行一次轉(zhuǎn)換了。例如需要用于反應(yīng)堆保護時，就把這些數(shù)字信號經(jīng)過隔離組件后輸入位于DCS內(nèi)的反應(yīng)堆保護系統(tǒng)，在反應(yīng)堆保護系統(tǒng)內(nèi)直接進行符合邏輯表決，當(dāng)邏輯符合時即觸發(fā)停堆信號。再比如需要用到反應(yīng)堆功調(diào)系統(tǒng)用于控制時，直接輸入信號到RGL系統(tǒng)里作個高選表決即可得到最高功率通道值用于棒控和棒速系統(tǒng)。這樣做的好處是把保護信號繁瑣的處理移到保護系統(tǒng)之外，從而降低了下游用戶系統(tǒng)處理器的工作負擔(dān)，提高了這些系統(tǒng)的響應(yīng)效率。

源量程通道處理后的信號要分別送給反應(yīng)堆保護系統(tǒng)、后備盤BUP和KIC系統(tǒng)，另外源量程通道產(chǎn)生的中子脈沖信號還要送到計數(shù)率音響單元進行音頻功率放大和分頻，再送主控室和反應(yīng)堆廠房的揚聲器。

中間量程通道和功率量程通道在信號處理流程上和源量程通道相似。首先，由相應(yīng)量程通道的高壓電源給探測器供電，探測器接受到熱中子信號后產(chǎn)生的小電流信號，小電流信號送到電流信號放大器中進行放大處理，之后轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號送給相應(yīng)量程通道的模擬量信號輸入模件進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后將信號送到相應(yīng)量程通道的CPU進行計算和處理。中間量程通道處理后的信號要分別送給反應(yīng)堆緊急停堆系統(tǒng)、ATWT系統(tǒng)、反應(yīng)堆功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)、后備盤BUP和電站計算機和控制系統(tǒng)。功率量程通道處理后的信號要分別送給反應(yīng)堆保護系統(tǒng)、反應(yīng)堆功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)、松動部件和振動監(jiān)測系統(tǒng)系統(tǒng)、LSS系統(tǒng)、堆內(nèi)核測系統(tǒng)系統(tǒng)、后備盤BUP和電站計算機和控制等系統(tǒng)進行后續(xù)的保護和控制。

3 設(shè)備布置

源量程探測器位于堆芯下部1/4線的高度上，大約是源棒所在的高度；中間量程探測器位于堆芯中線的高度上。功率量程探測器共有6個敏感段，3個位于堆芯上部，3個位于堆芯下部。在徑向看，源量程和中間量程探測器分為2對，分別位于90°和270°方位上，4個功率量程探測器布置在4個象限中線上。功率量程探測器的布置保證了可以探測軸向功率不平衡和徑向功率不平衡情況。在設(shè)備軸向布置上，RPN系統(tǒng)與30萬機組基本相同。在徑向布置上主要有兩點不同：（1）四個功率量程探測器布置角度不同，30萬機組布置在四個象限逆時針偏轉(zhuǎn)22.5°方向，而RPN系統(tǒng)則布置在四個象限中線上；（2）RPN系統(tǒng)把相同系列的源量程和中間量程探測器布置在同一個套筒里，這樣可以減少在壓力容器周圍空間的開孔數(shù)目。

4 RPN系統(tǒng)產(chǎn)生的邏輯信號

4.1 源量程通道產(chǎn)生的邏輯信號

源量程通道產(chǎn)生的邏輯除了和30萬機組相同的高中子通量停堆信號外，還有其他一些不同的信號。

4.1.1 “停堆通量高”報警信號

停堆通量高報警信號閾值為2～5倍本底計數(shù)率，可以手動閉鎖。該信號用于預(yù)防誤稀釋事件，僅在停堆換料期間有效，當(dāng)停堆期間中子通量值突然增大時在主控室發(fā)出報警信號提醒操縱員。

4.1.2 通道的就地機柜抽屜抽出時所產(chǎn)生的邏輯信號

當(dāng)一個通道的抽屜抽出時，自動閉鎖該通道的緊急停堆信號，當(dāng)兩個通道的抽屜都抽出時，也發(fā)出一個緊急停堆信號。此信號在P6出現(xiàn)時也可手動閉鎖。

4.1.3 “高壓丟失”和“高壓異?！眻缶盘?/p>

閾值為“額定電壓－50V”。兩個源量程探測器高壓電源的電壓中只要有一個降至“額定電壓－50V”時，則產(chǎn)生“高壓丟失”報警信號；兩個全降至“額定電壓－50V”時，則產(chǎn)生“高壓異?！眻缶盘?。任何一個源量程緊急停堆信號被手動閉鎖以后，這兩個報警信號全被閉鎖。探測器的高壓電源在源量程緊急停堆手動閉鎖后被切除。

4.1.4 “源量程信號丟失”報警信號

任何一個源量程計數(shù)率低于10cps時產(chǎn)生。源量程緊急停堆手動閉鎖后，此信號也被閉鎖。

4.1.5 “通道試驗或故障”報警信號

模擬電路出現(xiàn)故障時或進行試驗時產(chǎn)生。為了檢查模擬電路，需把所在抽屜抽出，切除來自探測器的信號，不同試驗點上加入試驗信號。此時就產(chǎn)生了“通道試驗或故障”報警信號。

4.2 中間量程通道產(chǎn)生的邏輯信號

中間量程通道產(chǎn)生的邏輯信號主要有四個，其中25%FP緊急停堆信號、P6信號和C1信號這三個信號均與30萬機組相同。

有差異的信號為：輸出用于ATWT的中間量程閾值信號，閾值為30%FP。ATWT為未能緊急停堆的預(yù)期瞬態(tài)。當(dāng)功率達到30%FP時中間量程通道發(fā)出該信號，它允許在主給水流量低于6%時產(chǎn)生ATWT緊急停堆信號。相應(yīng)信號在30萬機組里的邏輯為兩臺蒸汽發(fā)生器水位低于9.15m與汽機沖動級壓力對應(yīng)功率大于20%FP相符合，經(jīng)過25秒延遲啟動ATWT緩解系統(tǒng)。兩者啟動ATWT緩解系統(tǒng)的內(nèi)涵相同，都是高功率不停堆與失去二次熱阱相符合，只不過是選取參數(shù)不同罷了。

4.3 功率量程通道產(chǎn)生的邏輯信號

功率量程通道產(chǎn)生的邏輯信號主要有九個。其中緊急停堆（低閾值）、緊急停堆（高閾值）、P10允許、C2禁止提棒和正、負中子通量高變化率停堆等信號均與30萬機組相同。其他信號則和30萬機組有差異。

4.3.1 允許信號P8

閾值30%FP，允許單列故障停堆。方家山機組是三環(huán)路，兩列環(huán)路主泵故障（或冷卻劑低流量）與P7符合會導(dǎo)致停堆。如果P8信號存在，則只要有一列主泵故障（或冷卻劑低流量）就會導(dǎo)致停堆。

4.3.2 允許信號P16

閾值為40%FP，它允許汽機脫扣緊急停堆。30萬機組為存在P7就會引起停機聯(lián)鎖停堆。

4.3.3 閉鎖信號C20

閾值為15%FP當(dāng)堆功率小于它的閾值時，它閉鎖RGL系統(tǒng)R棒自動提升。30萬機組類似信號為C5信號，由汽機沖動級壓力大于15%FP產(chǎn)生。

4.3.4 “汽機負荷增加閉鎖”信號

閾值為96%FP。該信號使得升負荷期間，當(dāng)汽機功率升高到96%FP時閉鎖汽機自動升負荷，以防止由于汽機負荷增加過快而引起反應(yīng)堆功率超調(diào)。

除了以上四個信號外，高中子通量變化率停堆信號在方家山機組里做了動作限制。這是由于方家山機組棒控系統(tǒng)控制方式與30萬機組不同。方家山機組棒控分為功率棒組和溫度棒組，其中功率棒棒位會自動跟蹤汽機負荷而變化。為了防止甩負荷時功率棒組快速下插引起高中子通量變化率停堆信號誤動作，特別加上主泵轉(zhuǎn)速校正信號和平均溫度校正信號來該停堆信號。校正信號的極性、大小和延時加入的時間都是根據(jù)甩負荷時中子通量過渡過程曲線經(jīng)試驗決定的。堆功率低于10%FP時，校正自動閉鎖。任何功率下都可以通過選擇開關(guān)手動閉鎖。

5 LSS系統(tǒng)和運行梯形圖

5.1 LSS系統(tǒng)功能

LSS系統(tǒng)是LOCA后事故監(jiān)測系統(tǒng)，它的主要功能是連續(xù)監(jiān)測反應(yīng)堆的運行狀態(tài)。通過連續(xù)計算，并且將計算結(jié)果用圖形、數(shù)值、曲線等方式實時或延遲顯示出來，對異常運行情況發(fā)出報警和控制信號，幫助操縱人員有效地監(jiān)視堆芯運行情況，提高反應(yīng)堆運行的安全性。LSS系統(tǒng)與我廠30萬機組的事故后監(jiān)測儀表和秦山二期的RPDM（反應(yīng)堆功率分布監(jiān)測系統(tǒng)）相似之處為三者都有事故后監(jiān)測的能力。不同的是LSS系統(tǒng)具有對輸入數(shù)據(jù)進行計算處理的功能，而后兩者只能測量數(shù)據(jù)或讀取其他系統(tǒng)計算后的參數(shù)數(shù)據(jù)而不能對數(shù)據(jù)進行計算。LSS系統(tǒng)利用來源于RPN模擬部分產(chǎn)生的通道測量值進行計算，計算的參數(shù)和信息有：LOCA裕度相關(guān)計算；堆芯中子注量率分布相關(guān)計算；監(jiān)視運行點變化計算；運行梯形圖越帶計算和決定運行梯形圖左限線和絕對線設(shè)定的計算等。

5.2 運行梯形圖

方家山機組運行梯形圖和30萬機組以及秦山二期機組均有很大區(qū)別。正常運行帶在運行梯形圖（見圖1）的左限線和右限線是通過LSS系統(tǒng)的LOCA計算機設(shè)定的，其值來自于核設(shè)計報告。設(shè)計計算條件是：一回路失水事故發(fā)生時必須保證燃料包殼溫度小于1204℃。由此可以決定最大線功率密度＜480W/cm。經(jīng)一系列的模擬實驗、研究和計算表明：如果在該梯形內(nèi)運行，熱點因子不超過允許值，從而確定了運行梯形的左、右限制線。

梯形圖右邊的絕對線是由三條線段組成的折線，根據(jù)在發(fā)生喪失主給水或中、小破口失水事故時堆芯上部不熔化以及保證最小DNBR＞1.3等條件計算出來的。

圖1運行梯形圖

5.3 運行梯形圖對運行工況的限制

方家山機組運行梯形圖對機組運行工況的限制與30萬機組有較大差別。30萬機組是按照技術(shù)規(guī)格書的要求，對有越帶現(xiàn)象的工況按規(guī)定步驟進行退防。方家山機組梯形圖除了退防要求外，還有如下一些自動或手動控制信號：

當(dāng)△I超出左限線或△I超出右限線且堆功率＞50%FP時觸發(fā)C21信號，C21會觸發(fā)RUNBACK信號，汽機自動降負荷；

當(dāng)堆功率P＜15%FP時，C21自動閉鎖；

右限線、絕對線、15%功率線及50%功率線所圍成的區(qū)域為計時區(qū)。壽期末緊急停堆后碘坑下再啟堆時，由于硼稀釋能力的限制，必須強行抽出功率補償棒，而不遵守其限制線規(guī)定。這時允許工作點落在此區(qū)內(nèi)，但為了減少出現(xiàn)不可控氙振蕩的風(fēng)險，必須計時。四個功率量程核儀表測量的并經(jīng)計算出來的工作點只要有一個進入此區(qū)域就開始計時，12小時內(nèi)累積計時時間不超過90分鐘。為防止超過這個限值，在累積計時達約1小時后，就應(yīng)采取降負荷措施。

6 結(jié)論

方家山RPN系統(tǒng)功能相當(dāng)于我廠30萬機組的堆外核測系統(tǒng)，兩者產(chǎn)生的許多核測保護信號和控制信號都相同。但方家山RPN系統(tǒng)在信號處理流程、事故后監(jiān)測、部分邏輯控制信號上和30萬機組均有很大不同。從明年開始公司就要對方家山機組進行操縱員培訓(xùn)，希望系統(tǒng)培訓(xùn)的重點應(yīng)放在我廠原有機組和新機組對應(yīng)系統(tǒng)差異性對比方面，這樣培訓(xùn)可以做到融會貫通、事半功倍的效果。

［1］秦山核電有限公司培訓(xùn)中心編.300MW壓水堆核電站培訓(xùn)系列教材[Z].浙江海鹽：秦山核電有限公司,1998(12)．

［2］孔昭育,龔云峰,編校.核電廠培訓(xùn)教程[M].北京：原子能出版社,1990(7).

［3］廣東核電培訓(xùn)中心編.900MW壓水堆核電站系統(tǒng)與設(shè)備[M].北京：原子能出版社,2008(10)．

［4］李高,王銀麗,編.方家山核儀表系統(tǒng)手冊[Z].成都：核動力研究設(shè)計院.2008(3)．

［5］謝仲生,吳宏春,張少泓,編.核反應(yīng)堆物理分析[M].北京：原子能出版社,2004(7)．