CPR1000 核電廠棒位指示系統(tǒng)改進(jìn)建議

商 靜 董 威 茍曉龍

(深圳中廣核工程設(shè)計(jì)有限公司，廣東 深圳 518172)

0 引言

法國(guó)90 萬(wàn)kW 壓水堆核電廠系統(tǒng)設(shè)計(jì)和建造準(zhǔn)則RCC-P 第2.1.1.3.3 章節(jié)中針對(duì)核電站中反應(yīng)性控制明確規(guī)定:堆芯反應(yīng)性控制方案應(yīng)具有功能多樣性，即能保證在各種正常運(yùn)行工況下(包括從臨界到功率運(yùn)行，再到停堆過(guò)程)使用功能多樣化的兩種手段控制堆芯反應(yīng)性。一種手段是由控制棒組件構(gòu)成，另一種手段是通過(guò)一回路冷卻劑中可溶毒物的濃度變化來(lái)實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，第2.1.1.3.6 章節(jié)中要求能夠給出有關(guān)反應(yīng)性控制的信息，即給出控制棒位置的明確信息。2.1.1.3.3 章節(jié)針對(duì)緊急停堆狀況，要求控制棒落入堆芯的速度應(yīng)足夠快，以保證符合各種設(shè)計(jì)基準(zhǔn)運(yùn)行工況的有關(guān)準(zhǔn)則?？刂瓢舻穆浒魰r(shí)間應(yīng)小于在這些設(shè)計(jì)基準(zhǔn)工況分析中所采用的時(shí)間［1］。為滿足上述要求，法系的核電站中均設(shè)計(jì)了控制棒控制、指示系統(tǒng)，系統(tǒng)在控制堆芯反應(yīng)性的同時(shí)，獲取控制棒在堆芯的位置信息并進(jìn)行落棒時(shí)間測(cè)量。

CPR1000 核電廠中棒位指示系統(tǒng)RPI 作為棒控棒位系統(tǒng)RGL 的一個(gè)子系統(tǒng)，用于指示控制棒在堆芯內(nèi)部的實(shí)際高度，并將棒位及其相關(guān)的報(bào)警信息送到主控室內(nèi)供操縱員參考，引導(dǎo)操縱員正確操作。同時(shí)，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)了落棒時(shí)間測(cè)量功能，通過(guò)測(cè)量落棒時(shí)控制棒驅(qū)動(dòng)桿在棒位探測(cè)器初級(jí)線圈中的感生電動(dòng)勢(shì)來(lái)反映落棒時(shí)間。本文首先簡(jiǎn)要介紹RPI 系統(tǒng)的功能以及硬件設(shè)備組成，然后針對(duì)現(xiàn)有設(shè)計(jì)方案的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析、總結(jié)，并提出針對(duì)性的改善建議。

1 棒位指示系統(tǒng)RPI 簡(jiǎn)介

根據(jù)RCC-P 的要求，棒位指示系統(tǒng)RPI 不執(zhí)行核安全功能，僅在機(jī)組正常運(yùn)行工況下對(duì)堆芯內(nèi)部控制棒的棒位進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并對(duì)控制棒的落棒時(shí)間進(jìn)行測(cè)量。因此，CPR1000 核電廠將該系統(tǒng)定義為非安全級(jí)系統(tǒng)。

1.1 RPI 系統(tǒng)功能

CPR1000 中RPI 的功能可分為4 個(gè)部分:首先負(fù)責(zé)61 組控制棒的棒位信息采集及計(jì)算;其次將上述信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給操縱員及其他接口系統(tǒng);此外負(fù)責(zé)棒位相關(guān)的信息處理以及故障管理，如需求棒位和測(cè)量棒位間的偏差、控制棒失步報(bào)警等;最后在換料后起堆過(guò)程中配合專用工具測(cè)量落棒過(guò)程中各階段(t4、t5、t5+ t6)的時(shí)長(zhǎng)，檢查是否滿足安全分析的要求。

1.2 RPI 的硬件組成

CPR1000 中RPI 的硬件設(shè)備主要由61 根棒位探測(cè)器、棒位測(cè)量設(shè)備(PME 機(jī)柜)、棒位處理裝置(PPE 機(jī)柜)及其之間的電纜、服務(wù)器組成［2］，如圖1所示。

圖1 CPR1000 堆型RPI 的整體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 General architecture of RPI in CPR1000

PME 機(jī)柜是一個(gè)三聯(lián)柜，柜內(nèi)設(shè)有21 個(gè)CMPB20機(jī)架、61 個(gè)電源模塊MCP10以及61 個(gè)譯碼器MCP22。每個(gè)CMPB20機(jī)架內(nèi)可以安裝3 個(gè)MCP10和3 個(gè)MCP22(其中有1 個(gè)機(jī)架內(nèi)僅裝1 個(gè)MCP10和1 個(gè)MCP22)。MCP10模塊負(fù)責(zé)給棒位探測(cè)器初級(jí)線圈供電，MCP22負(fù)責(zé)接收和整形來(lái)自61 個(gè)棒位探測(cè)器的測(cè)量信號(hào)，將其轉(zhuǎn)換成為葛萊碼形式的棒位信號(hào)，送給棒位處理機(jī)柜。

PPE 機(jī)柜使用的是配有冗余CPU 和I/O 模塊的PLC，負(fù)責(zé)接收來(lái)自PME 的葛萊碼棒位測(cè)量信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行邏輯處理，如當(dāng)需求棒位和測(cè)量棒位存在偏差時(shí)產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)等。同時(shí)該機(jī)柜需要將上述棒位及報(bào)警等信號(hào)傳遞到其他相關(guān)接口系統(tǒng)上，如KIC、BUP、RCS 等。棒位處理柜與外部接口傳遞信號(hào)的方式有以下幾種:一是硬接線，二是系統(tǒng)自身組建的環(huán)網(wǎng)，三是通過(guò)本機(jī)柜內(nèi)部的網(wǎng)關(guān)與DCS 進(jìn)行通信。

CPR1000 中使用的棒位探測(cè)器是由1 個(gè)初級(jí)線圈和31 個(gè)次級(jí)線圈組成的差分變壓器型的棒位探測(cè)裝置，棒位探測(cè)器測(cè)量原理如圖2 所示。初級(jí)線圈內(nèi)是正弦交流電，用來(lái)提供一個(gè)穩(wěn)恒的磁場(chǎng)。31 個(gè)次級(jí)線圈等間距地分布在初級(jí)線圈外，次級(jí)線圈的平面垂直于初級(jí)線圈的中軸線方向。任意兩個(gè)相鄰次級(jí)線圈間距為P(如圖2 中S1和S2的距離［3］)，當(dāng)金屬控制棒驅(qū)動(dòng)桿從左向右移動(dòng)時(shí)，S1與S2線圈內(nèi)的感生電動(dòng)勢(shì)U1、U2就會(huì)隨著控制棒驅(qū)動(dòng)桿的位置X 而變化。如果S1與S2線圈的繞線反向相反，將U1與U2的差值作整形后的信號(hào)即為圖2 中的輸出信號(hào)。由圖2 可知，當(dāng)控制棒驅(qū)動(dòng)桿的位置X ＜-p 或者X ＞+p 時(shí)，輸出信號(hào)為0，當(dāng)-p ＜X ＜+p 時(shí)，輸出信號(hào)為1。這31 個(gè)次級(jí)線圈分為A、B、C、D、E 共5 組，每個(gè)組內(nèi)的線圈彼此串聯(lián)，如圖3 所示［4］。這5 組線圈的輸出信號(hào)就組成了一個(gè)5 位的葛萊碼，其中每組線圈分別代表5 位代碼系統(tǒng)中的1 位。葛萊碼編碼方式的最大優(yōu)勢(shì)在于清楚、明確，不易出錯(cuò)，棒位在連續(xù)變化的過(guò)程中每一次只需有一位代碼進(jìn)行跳變，這樣大大降低了控制棒移動(dòng)過(guò)程中由于多位代碼同時(shí)跳變而出錯(cuò)的幾率。由于31 個(gè)線圈彼此間距P 為127 mm(8 個(gè)機(jī)械步)，則理論上該種類型探測(cè)器的分辨率為±p/2 = ±64 mm(±4 個(gè)機(jī)械步)。

圖2 棒位探測(cè)器測(cè)量原理Fig.2 The measuring principle of rod position detector

圖3 葛萊碼產(chǎn)生原理圖Fig.3 The generation principle of GRAY code

2 RPI 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的不足與分析

2.1 RPI 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

目前，二代核電CPR1000 中RPI 為非安全級(jí)系統(tǒng)，其棒位信號(hào)僅做指示和報(bào)警功能，不參與其他系統(tǒng)的邏輯處理。相比之下，三代核電某些堆型中RPI 系統(tǒng)除了用于處理控制棒棒位的測(cè)量，將棒位測(cè)量結(jié)果提供給反應(yīng)堆控制、監(jiān)測(cè)和限制系統(tǒng)以及落棒時(shí)間測(cè)量設(shè)備以外，它的棒位測(cè)量信號(hào)已經(jīng)開始用于保護(hù)系統(tǒng)(PS)中［5］。隨著棒控系統(tǒng)功能的多樣化，棒位信號(hào)的應(yīng)用也變得越來(lái)越廣泛，棒位探測(cè)也顯得尤為重要。在自主研發(fā)三代堆型時(shí)，可以充分開發(fā)棒位信號(hào)的利用價(jià)值，使之在控制系統(tǒng)和保護(hù)系統(tǒng)中有更加廣泛的應(yīng)用。如當(dāng)反應(yīng)堆出現(xiàn)跳堆時(shí)，棒位指示系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)進(jìn)行落棒探測(cè)，給出落棒時(shí)間測(cè)量值;此外可以考慮用棒位測(cè)量信號(hào)參與反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)或者反應(yīng)堆控制系統(tǒng)的相關(guān)邏輯，如用棒位信號(hào)來(lái)產(chǎn)生ATWS 信號(hào)，參與化學(xué)容積控制系統(tǒng)的隔離等。不過(guò)，如果將棒位信號(hào)應(yīng)用于保護(hù)系統(tǒng)，則需要提高系統(tǒng)的安全級(jí)別以及硬件設(shè)備的等級(jí)，其造價(jià)也會(huì)相應(yīng)地提高。設(shè)計(jì)人員需要找到系統(tǒng)功能以及成本間的平衡點(diǎn)，綜合考慮最優(yōu)方案。

2.2 RPI 系統(tǒng)YK 處理設(shè)備的實(shí)現(xiàn)

CPR1000 中的RPI 作為第三方系統(tǒng)獨(dú)立于DCS平臺(tái)，與DCS 間的通信需要通過(guò)雙方的網(wǎng)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)，這樣容易出現(xiàn)較多的接口問題。工程中遇到的典型事例就是RPI 系統(tǒng)最初設(shè)計(jì)了對(duì)自身網(wǎng)關(guān)狀態(tài)監(jiān)測(cè)的報(bào)警信號(hào)，然而到貨的設(shè)備發(fā)現(xiàn)該報(bào)警無(wú)法觸發(fā)。究其原因是RPI 自身設(shè)計(jì)的兩個(gè)冗余的網(wǎng)關(guān)無(wú)法彼此進(jìn)行監(jiān)視，以至于正常工作的網(wǎng)關(guān)無(wú)法將異常網(wǎng)關(guān)的信息傳遞出去，而異常的網(wǎng)關(guān)本身自然也無(wú)法將報(bào)警信號(hào)傳遞給DCS。該問題最后只能通過(guò)修改DCS 的組態(tài)方案，用DCS 來(lái)監(jiān)測(cè)兩者間的通信異常狀態(tài)并觸發(fā)相關(guān)報(bào)警來(lái)解決。雖然該問題不難解決，但是會(huì)涉及設(shè)計(jì)、采購(gòu)、廠家等多方人員，尤其牽涉合同變更的問題，給工程項(xiàng)目帶來(lái)不必要的麻煩。另一個(gè)案例CPR1000中，RPI 系統(tǒng)沒有設(shè)計(jì)時(shí)鐘授時(shí)，而是通過(guò)將送給DCS的信號(hào)在DCS 網(wǎng)關(guān)內(nèi)打時(shí)間標(biāo)簽，再記錄于KIC 日志中的方式解決日志時(shí)間同步問題。用戶對(duì)此提出異議，用戶認(rèn)為與DCS 存在通信的第三方系統(tǒng)均需要授時(shí)，以確保系統(tǒng)內(nèi)的時(shí)間日志和DCS 嚴(yán)格保持同步。由此可見，將RPI 作為一個(gè)單獨(dú)的第三方系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，引入的接口問題眾多，難以規(guī)避。

調(diào)研其他三代堆型，將RPI 的棒位處理功能放在DCS 平臺(tái)中實(shí)現(xiàn)是一種常態(tài)化的設(shè)計(jì)。如EPR 中RPI放在安全級(jí)DCS 平臺(tái)TXS 中實(shí)現(xiàn)，可以避免眾多接口問題，使設(shè)計(jì)更為簡(jiǎn)單，也降低了硬件設(shè)備的成本。因此未來(lái)新堆型的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要設(shè)計(jì)人員對(duì)此問題進(jìn)行深入思考。

2.3 棒位探測(cè)器的改進(jìn)

前文已經(jīng)對(duì)CPR1000 中使用的棒位探測(cè)器作了詳細(xì)的介紹。從前文可知，此種棒位探測(cè)器只能給出以葛萊碼為基礎(chǔ)的數(shù)字量棒位信號(hào)，但無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)棒位的連續(xù)測(cè)量，其測(cè)量精度僅在±8 步之間。在未來(lái)的新堆型中，可以考慮提高棒位探測(cè)器的測(cè)量精度，甚至可以使探測(cè)器對(duì)棒位實(shí)現(xiàn)連續(xù)測(cè)量。目前，某些三代堆型中的棒位探測(cè)器已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)上述功能，此種探測(cè)器由1 個(gè)初級(jí)線圈和3 個(gè)次級(jí)線圈組成，其中兩個(gè)次級(jí)線圈(輔助次級(jí)線圈)用來(lái)指示控制棒在堆內(nèi)最頂端和最底端;第三個(gè)次級(jí)線圈(主次級(jí)線圈)覆蓋整個(gè)棒位探測(cè)器的有效測(cè)量范圍，棒位測(cè)量信號(hào)就來(lái)自于這個(gè)線圈與初級(jí)線圈內(nèi)磁場(chǎng)的耦合作用。當(dāng)初級(jí)線圈內(nèi)通以穩(wěn)定的正弦交流電時(shí)，次級(jí)線圈內(nèi)即可測(cè)到感生電壓，即從次級(jí)線圈中可得到一個(gè)連續(xù)測(cè)量的模擬量棒位信號(hào)，該電壓信號(hào)大小基本正比于控制棒驅(qū)動(dòng)桿的位置。經(jīng)過(guò)棒位處理模塊的計(jì)算與修正后，該類型的棒位探測(cè)器測(cè)量精度有顯著提高。也有些三代核電堆型中雖然仍然延續(xù)了數(shù)字量棒位信號(hào)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，但其設(shè)計(jì)了兩組棒位探測(cè)線圈，A 組和B 組線圈，這樣既提高了系統(tǒng)的可靠性(冗余設(shè)計(jì))，又提高了棒位測(cè)量信號(hào)的精度。

正常情況下，兩組探測(cè)線圈同時(shí)使用，棒位指示的分辨率能達(dá)到±3 步。即使其中一組線圈出現(xiàn)故障，僅使用另一組探測(cè)線圈，損失一半的精度，分辨率也可以達(dá)到±6 步，同樣也能保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行［6-9］?？梢姡穗娭羞M(jìn)一步提高棒位探測(cè)器的穩(wěn)定性以及精度是業(yè)界的發(fā)展趨勢(shì)。

2.4 I/O 卡件內(nèi)棒位信號(hào)分配方案

以往工程項(xiàng)目中曾發(fā)現(xiàn)CPR1000 使用的棒位處理機(jī)柜PPE 中設(shè)有兩個(gè)I/O 機(jī)架，每個(gè)I/O 機(jī)架配置1 塊電源模塊給整個(gè)機(jī)架的I/O 卡件提供工作電源。其中，I/O 機(jī)架1 負(fù)責(zé)處理溫度棒和停堆棒共33 束控制棒的棒位信息，I/O 機(jī)架2 負(fù)責(zé)處理28 束功率棒的棒位信息。而同一塊I/O 卡件內(nèi)常常分配了同一子棒組內(nèi)的4 束棒位信號(hào)，甚至是同一子組內(nèi)的6 束棒位信號(hào)。這樣的信號(hào)分配方案，在I/O 機(jī)架的電源模塊掉電時(shí)會(huì)丟失約一半(28 束或者33 束)的棒位信號(hào)，如果其中某一I/O 卡件故障也會(huì)導(dǎo)致同一子組的4 ～6 束棒位信號(hào)丟失。根據(jù)現(xiàn)有CPR1000 核電廠運(yùn)行技術(shù)規(guī)范的規(guī)定，如果一個(gè)子棒組有2 個(gè)棒位指示器不可用或一個(gè)棒組內(nèi)有3 個(gè)棒位指示器不可用，這種狀態(tài)將被定義超出運(yùn)行技術(shù)規(guī)范，記為第一組I/O 和LOE 事件［10］。即上文所述棒位信號(hào)丟失的問題一旦發(fā)生，造成第一組I/O 24 h 內(nèi)無(wú)法恢復(fù)，機(jī)組將進(jìn)行后撤，這直接影響反應(yīng)堆的運(yùn)行品質(zhì)和經(jīng)濟(jì)效益。為此，工程人員增加了2 個(gè)I/O 機(jī)架，將其修改成冗余配置，避免上述棒位丟失的風(fēng)險(xiǎn)。類似問題有必要在未來(lái)國(guó)產(chǎn)化設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮，予以避免。如可以考慮設(shè)計(jì)兩個(gè)冗余的棒位數(shù)據(jù)處理機(jī)柜，電子控制柜部分配有冗余的控制器，配備冗余電源、雙冗余網(wǎng)絡(luò)接口等，這些措施都可以作為解決上述問題的良好方案。

2.5 施工設(shè)計(jì)中的優(yōu)化

目前CPR1000 中RPI 機(jī)柜放在標(biāo)高為15.5 m 的電氣廠房，61 根測(cè)量電纜從堆頂棒位探測(cè)器出發(fā)經(jīng)過(guò)反應(yīng)堆水池旁邊的電纜轉(zhuǎn)接板走橋架到電氣貫穿件，再經(jīng)過(guò)電氣廠房最終到達(dá)棒位測(cè)量柜，整條路徑61 根電纜需要走約140 m 的長(zhǎng)度，這無(wú)疑給本就電纜托盤密布、空間緊張的電氣廠房帶來(lái)不小的壓力。未來(lái)可以考慮從電纜選型、信號(hào)傳輸方式、機(jī)柜布置位置等方面予以優(yōu)化，以期減少電纜的數(shù)量，降低施工工作量，進(jìn)一步降低成本。如可以考慮將棒位測(cè)量柜與棒位處理柜在空間上分開布置，使測(cè)量柜盡量靠近貫穿件殼外附近，這樣既可以縮短電纜路徑，又可以降低信號(hào)被干擾的風(fēng)險(xiǎn)。此外，棒位測(cè)量柜和棒位處理柜之間也可以考慮換用網(wǎng)絡(luò)信號(hào)通信，這樣也可以大規(guī)模減少測(cè)量柜和處理柜間的電纜數(shù)量?？傊O(shè)計(jì)人員要在確保系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行的前提下，盡量減少施工工作量，降低建造成本。

2.6 落棒時(shí)間測(cè)量的優(yōu)化

目前，CPR1000 中落棒時(shí)間測(cè)量采用的方案是:同時(shí)測(cè)量CRDM 中保持線圈SG 中的電流值以及控制棒下落過(guò)程中驅(qū)動(dòng)桿在棒位探測(cè)器初級(jí)線圈中生成的感生電流，從上述兩條電流曲線中用軟件或者手動(dòng)截取t4、t5、t5+t6時(shí)間。這種測(cè)量方式受現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和電流采集設(shè)備的影響較大，如果測(cè)出的電流曲線不夠標(biāo)準(zhǔn)，則難以界定控制棒下落各階段的時(shí)間點(diǎn)，這會(huì)給測(cè)量結(jié)果帶來(lái)較大誤差。另外，該測(cè)量方法需要將棒位探測(cè)器的初級(jí)線圈斷電，即落棒時(shí)間測(cè)量與棒位測(cè)量互相沖突，無(wú)法同時(shí)進(jìn)行。因此，在未來(lái)進(jìn)行新堆型設(shè)計(jì)時(shí)，可以考慮進(jìn)一步完善該功能，實(shí)現(xiàn)隨時(shí)監(jiān)測(cè)落棒時(shí)間，另外可以考慮引入開關(guān)量信號(hào)作為落棒時(shí)間測(cè)量的時(shí)間點(diǎn)。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，目前CPR1000 核電廠中棒位指示系統(tǒng)RPI 總體運(yùn)行狀況良好，可靠性尚可，可以滿足RCC -P 的相關(guān)要求，但仍存在較大的完善和提升空間。今后我國(guó)在自主研發(fā)三代核電技術(shù)之時(shí)，針對(duì)該系統(tǒng)可以從功能設(shè)計(jì)方案優(yōu)化、儀控硬件設(shè)備開發(fā)與選型、施工設(shè)計(jì)改進(jìn)等多方面予以考慮，尤其在實(shí)現(xiàn)棒位探測(cè)器的國(guó)產(chǎn)化過(guò)程中，要充分考慮探測(cè)器工作原理的優(yōu)化與改進(jìn)，既要提高測(cè)量精度，又要保證信號(hào)的抗干擾能力，這也是業(yè)界的發(fā)展趨勢(shì)。

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