控制棒棒位指示器故障分析

唐 銳

（海南核電有限公司，海南昌江 572732）

0 引言

2019 年8 月7 日，海南昌江核電廠1 號(hào)機(jī)組650 MW 滿功率運(yùn)行期間，出現(xiàn)反應(yīng)堆棒控系統(tǒng)B2-1 棒束棒位指示器故障，導(dǎo)致電廠主控室操縱員無(wú)法監(jiān)視B2-1 棒束棒位。排查故障信號(hào)來(lái)源，確認(rèn)故障點(diǎn)在反應(yīng)堆廠房，需停機(jī)并將反應(yīng)堆后撤至正常冷停堆實(shí)施檢修，但僅為處理此故障停機(jī)，將影響電廠經(jīng)濟(jì)效益。根據(jù)電廠規(guī)范要求，棒位指示故障需執(zhí)行緩解措施：每8 h 測(cè)量一次堆芯中子注量率，輔助監(jiān)測(cè)故障棒束棒位。文章主要分析通過(guò)補(bǔ)充緩解措施，確保B2-1 棒束棒位指示故障不影響電廠安全生產(chǎn)，電廠可維持滿功率運(yùn)行到壽期末，停機(jī)處理此故障。

1 故障情況和相關(guān)規(guī)范

1.1 故障情況

2019 年8 月7 日，主控室報(bào)警1RGL013KA 閃發(fā)時(shí)，B2-1棒束棒位指示為0 步，現(xiàn)場(chǎng)檢查機(jī)箱電源柜中B2-1 束棒存在電壓低、電流高報(bào)警。從故障現(xiàn)象判斷為機(jī)箱輸出至原邊線圈的電流不穩(wěn)定所致。B2-1 棒束棒位信號(hào)回路見(jiàn)圖1，依次檢查機(jī)柜相關(guān)信號(hào)處理卡件MCP10（主電流控制器）、MCP22（葛萊碼處理器）、供電機(jī)箱及機(jī)柜側(cè)航空插頭、貫穿件均正常，測(cè)量機(jī)柜側(cè)航空插頭阻值結(jié)果見(jiàn)表1。

圖1 棒束棒位信號(hào)回路示意圖

表1 各線圈機(jī)柜側(cè)航空插頭阻值

根據(jù)表1 測(cè)量結(jié)果，故障點(diǎn)排除電氣廠房側(cè)，而是位于島內(nèi)連接板或反應(yīng)堆堆頂，功率運(yùn)行期間該區(qū)域輻射劑量超100 msv 量級(jí)，檢修人員無(wú)法抵達(dá)該區(qū)域從事檢修。根據(jù)電廠《運(yùn)行技術(shù)規(guī)范》RGL5 條款要求，1 束控制棒棒位指示故障需執(zhí)行緩解措施：每8 h 測(cè)量一次堆芯中子注量率，輔助監(jiān)測(cè)故障棒束棒位。正常情況下，堆芯中子注量率測(cè)量周期為1 個(gè)月，檢測(cè)設(shè)備的設(shè)計(jì)使用壽命為3000 次，可覆蓋電廠整個(gè)使用壽期，而8 h 測(cè)量一次的頻率將損耗設(shè)備使用壽命并耗費(fèi)大量人力。

1.2 電廠《運(yùn)行技術(shù)規(guī)范》中不可運(yùn)行事件RGL5 條款

堆功率大于50%FP，一個(gè)棒位指示器故障，產(chǎn)生第二組不可運(yùn)行事件，需采取緩解措施：每8 h 或者相應(yīng)的控制棒移動(dòng)超過(guò)8 步時(shí)，需要測(cè)量一次堆芯注量率，監(jiān)測(cè)故障控制棒棒位。

1.3 電廠《運(yùn)行技術(shù)規(guī)范》中不可運(yùn)行事件RGL6 條款

如果一個(gè)分組棒有2 個(gè)棒位指示器不可運(yùn)行，或一組棒上有3 個(gè)棒位指示器不可運(yùn)行，產(chǎn)生第一組不可運(yùn)行事件，需采取緩解措施：2 h 內(nèi)機(jī)組后撤到熱停堆狀態(tài)。

1.4 電廠《運(yùn)行技術(shù)規(guī)范》中不可運(yùn)行事件RIC1 條款

堆功率大于50%FP，無(wú)法在“30 個(gè)等效滿功率天”完成一次通量圖測(cè)量，產(chǎn)生第二組不可運(yùn)行事件，需采取緩解措施：24 h內(nèi)降功率至低于50%FP 功率水平，并調(diào)整中子注量率高緊急停堆整定值為55%FP。

1.5 電廠《運(yùn)行技術(shù)規(guī)范》中對(duì)于產(chǎn)生計(jì)劃性第一組不可運(yùn)行事件的要求

只有在安全相關(guān)系統(tǒng)和設(shè)備定期試驗(yàn)監(jiān)督要求，或物理試驗(yàn)監(jiān)督要求中明確甄別的，為執(zhí)行定期試驗(yàn)產(chǎn)生的第一組事件才是允許的，而且該試驗(yàn)遵守了國(guó)家核安全局批準(zhǔn)的定期試驗(yàn)實(shí)施條件。

2 B2-1 棒束棒位顯示故障對(duì)電廠生產(chǎn)運(yùn)行的影響分析

2.1 故障對(duì)控制棒功能的影響

棒位測(cè)量系統(tǒng)用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和顯示控制棒位置，并在棒運(yùn)行出現(xiàn)異常（失步、偏離要求位置、提棒不足、插棒太深）時(shí)給出報(bào)警。棒位測(cè)量系統(tǒng)與棒控系統(tǒng)各自獨(dú)立，無(wú)邏輯連鎖，棒位指示故障不影響控制棒動(dòng)作，棒位指示故障不會(huì)導(dǎo)致B2-1 棒束意外動(dòng)作或卡棒，只影響操縱員獲取該棒束的棒位信息。

2.2 故障對(duì)機(jī)組運(yùn)行和安全的影響

昌江核電1 號(hào)機(jī)組控制棒共33 束，分為停堆棒組S（8束）、調(diào)節(jié)棒組A（8 束）、B（8 束）、C（5 束）、D（4 束），其中D 棒組為主調(diào)節(jié)棒組。功率運(yùn)行期間D 棒組部分插入堆芯，其他棒組位于堆頂。B2-1 棒束長(zhǎng)期位于堆頂位置，功率運(yùn)行與功率升降不涉及到該棒束的動(dòng)作，僅執(zhí)行定期試驗(yàn)PT1RGL002《正常運(yùn)行期間非活動(dòng)棒束功能檢查》時(shí)，會(huì)移動(dòng)該棒束8 步，對(duì)機(jī)組正常運(yùn)行不產(chǎn)生影響。運(yùn)行期間只有當(dāng)保持線圈電源喪失時(shí)，該棒束才會(huì)發(fā)生落棒現(xiàn)象，電源喪失是可監(jiān)控的，系統(tǒng)將觸發(fā)棒控系統(tǒng)運(yùn)行故障報(bào)警。機(jī)組正常停運(yùn)后撤，操縱員以“手動(dòng)”方式下插D、C、B、A 棒組到5 步位置，故障不影響B(tài)2-1 動(dòng)作，可正常下插至5 步，停堆功能正常。B2-1 棒束下插到5步前，可通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)B2-1 棒束提升、傳遞、保持線圈的電流波形，驗(yàn)證B2-1 棒束動(dòng)作的步數(shù)。緊急停堆時(shí)，該棒束將失去工作電源落入堆底，設(shè)計(jì)院的計(jì)算分析表明，即使該棒束發(fā)生卡棒并疊加最大價(jià)值一束棒發(fā)生卡棒，也不影響控制棒在緊急停堆狀態(tài)下需提供的負(fù)反應(yīng)性，該故障僅影響操縱員判斷該棒束是否已落入堆底。

2.3 故障對(duì)電廠定期試驗(yàn)的影響

《控制棒位置測(cè)量信號(hào)回路檢查》試驗(yàn)周期為1 個(gè)月，試驗(yàn)?zāi)康氖球?yàn)證棒位測(cè)量通道的正確性。試驗(yàn)方法是從棒控機(jī)柜的連接接頭注入信號(hào)，驗(yàn)證主控室的顯示與注入信號(hào)一致。對(duì)單束棒檢查期間，被檢查棒束無(wú)法顯示實(shí)際棒位，此時(shí)應(yīng)進(jìn)入《運(yùn)行技術(shù)規(guī)范》中RGL5 條款。當(dāng)B2-1 棒位指示器故障，在執(zhí)行B2-2、B2-3、B2-4 棒束信號(hào)回路檢查時(shí)，將導(dǎo)致B2 分組2 個(gè)棒位指示器不可用，進(jìn)入《運(yùn)行技術(shù)規(guī)范》中RGL6 條款，該條款為第一組事件。顯然未能在《安全相關(guān)系統(tǒng)和設(shè)備定期試驗(yàn)監(jiān)督要求》中提前被甄別，由此違反了1.4 節(jié)中的要求，目前B2-1 棒位顯示故障情況下執(zhí)行該定期試驗(yàn)已得到國(guó)家核安全局特許批準(zhǔn)。

《正常運(yùn)行期間非活動(dòng)棒束功能檢查》試驗(yàn)周期為1 個(gè)月，試驗(yàn)?zāi)康臑轵?yàn)證長(zhǎng)期處于堆頂?shù)母骺刂瓢羰纯?。試?yàn)方法為依次插入、提升處于堆頂?shù)母靼羰?，?dāng)棒位指示按預(yù)期變化時(shí)，證明各棒束動(dòng)作正常無(wú)卡澀。B2-1 棒束試驗(yàn)期間，可通過(guò)該棒束電源機(jī)柜上各個(gè)線圈的動(dòng)作電流波形正常的方式驗(yàn)證B2-1 棒束動(dòng)作正常無(wú)卡澀，試驗(yàn)結(jié)束后通過(guò)堆芯中子注量率測(cè)量輔助推斷B2-1 棒束回到堆頂位置，該故障不影響該試驗(yàn)正常執(zhí)行。

2.4 頻繁監(jiān)測(cè)堆芯中子注量對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的影響

堆芯中子注量率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)動(dòng)作頻繁導(dǎo)致探測(cè)器指套管磨損加劇。正常情況，堆芯中子注量率監(jiān)測(cè)頻度是1 次/月，根據(jù)RGL5 條款要求變?yōu)? 次/8 h。指套管作為一回路壓力邊界發(fā)生破損后，增加一回路放射性物質(zhì)泄漏的風(fēng)險(xiǎn)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)頻繁動(dòng)作還將加速探測(cè)器老化，增加驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)故障風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不可用?！哆\(yùn)行技術(shù)規(guī)范》要求“如果核功率大于50%FP，堆芯中子注量率測(cè)量系統(tǒng)必須可運(yùn)行”。

2.5 針對(duì)當(dāng)前RGL5 條款的分析

根據(jù)《運(yùn)行技術(shù)規(guī)范解釋》的說(shuō)明，功率運(yùn)行與熱備用期間一束棒棒位指示器不可用的操作措施要求每8 h 測(cè)量堆芯中子注量率，其目的是監(jiān)督堆芯象限功率傾斜，間接驗(yàn)證各棒束同步，防止堆內(nèi)出現(xiàn)功率分布不平衡，導(dǎo)致局部過(guò)熱燒毀燃料元件。但每次執(zhí)行堆芯中子注量率測(cè)量后還需離線進(jìn)行數(shù)據(jù)處理才得到象限功率傾斜數(shù)據(jù)以監(jiān)督棒位，無(wú)法在線及時(shí)發(fā)現(xiàn)棒位異常。使用RPN 堆外探測(cè)器與RIC 熱電偶可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)QPTR，當(dāng)控制棒異常提、插時(shí)，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)并作出響應(yīng)。

2.6 電廠堆芯熱電偶溫度對(duì)控制棒移動(dòng)的實(shí)際響應(yīng)

2019 年8 月2 日，執(zhí)行定期試驗(yàn)PT1RGL002《正常運(yùn)行期間非活動(dòng)棒束功能檢查》，在失步校正1 模式下，下插B2 子組棒束7 步，B2-1 棒束所在通道G5 附近的堆芯熱電偶（1RIC015KM）示值從333.1 ℃下降到331.9 ℃。B2 子組提升到225 步后，1RIC015KM 回升到333.1 ℃，期間B2-1 棒束所在通道G5 附近的RIC 熱電偶溫度示值下降了1.2 ℃。上述現(xiàn)象表明：堆芯熱電偶溫度對(duì)附近位置的控制棒移動(dòng)有明顯響應(yīng)，在B2-1 棒束棒位指示失效情況下，堆芯溫度參數(shù)可輔助操縱員判斷該故障棒束是否出現(xiàn)異常插入現(xiàn)象。

2.7 控制棒動(dòng)作時(shí)機(jī)柜線圈電流波形監(jiān)測(cè)

控制棒正常插入一步的時(shí)序動(dòng)作：保持線圈大電流→提升線圈大電流→傳遞線圈大電流→提升線圈小電流→保持線圈零電流→提升線圈零電流→保持線圈大電流→傳遞線圈零電流→保持線圈零電流。在完整插入步序中，輸出波形實(shí)際反饋保持及傳遞線圈勾爪的吸合點(diǎn)，如控制棒無(wú)法按插入命令正常動(dòng)作，其電流波形將與圖2 所示標(biāo)準(zhǔn)電流輸出波形不一致，并且機(jī)柜將會(huì)出現(xiàn)棒控報(bào)警。由此可見(jiàn)，雖然B2-1 棒束棒位無(wú)法顯示，運(yùn)行人員仍能通過(guò)線圈電流波形輔助監(jiān)測(cè)控制棒動(dòng)作。

3 設(shè)計(jì)院的技術(shù)評(píng)價(jià)

圖2 控制棒線圈電流波形

2019 年8 月9 日，海南核電委托中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院對(duì)B2-1 棒束指示器故障進(jìn)行技術(shù)評(píng)價(jià)，經(jīng)分析論證給出評(píng)價(jià)結(jié)果：B2-1 棒束意外移動(dòng)時(shí)，QPTR 變化明顯，堆芯焓升因子滿足限值要求，具體見(jiàn)表2。表2 分析顯示，B2-1 棒束若失步12步，操縱員雖無(wú)法看到棒位，但象限功率傾斜將變化0.29%，即QPTR 顯示約1.0079，該值雖絕對(duì)變化量小，但相對(duì)滿功率下QPTR 指示穩(wěn)定在1.005 的現(xiàn)象來(lái)說(shuō)，可通過(guò)QPTR 趨勢(shì)變化發(fā)現(xiàn)異常后再做堆芯中子注量率測(cè)量。此外，以B2-1 棒束失步12 步進(jìn)行數(shù)據(jù)分析是保守的，此時(shí)象限功率傾斜小于規(guī)范要求的限值1.02，堆芯焓升因子也小于滿功率下的限值1.538，不會(huì)造成堆芯功率超限或功率分布不均導(dǎo)致局部過(guò)熱的安全隱患。

表2 B2-1 棒束失步的影響

4 優(yōu)化RGL5 條款的緩解措施

4.1 通過(guò)RIC 堆芯熱電偶與RPN 堆外探測(cè)器監(jiān)督

操縱員監(jiān)視堆芯熱電偶與RPN 堆外探測(cè)器的象限功率傾斜變化趨勢(shì)，當(dāng)象限功率傾斜超出設(shè)置的臨時(shí)報(bào)警值1.0079 時(shí)，立即執(zhí)行堆芯注量率測(cè)量，核查B2-1 棒束的位置是否異常。

4.2 輔助通過(guò)棒束提升、傳遞、保持線圈的電流波形監(jiān)督

監(jiān)督B2-1 棒束提升、傳遞、保持線圈的電流波形（棒束移動(dòng)時(shí)，波形將產(chǎn)生變化），如發(fā)現(xiàn)非預(yù)期波形立即執(zhí)行堆芯中子注量率測(cè)量。執(zhí)行PT1RGL002 定期試驗(yàn)或當(dāng)機(jī)組需要后撤至操縱員手動(dòng)下插B2-1 棒束時(shí)，重點(diǎn)監(jiān)測(cè)B2-1 棒束提升線圈、傳遞線圈、保持線圈的電流波形圖，判斷其是否可靠動(dòng)作。

4.3 使用RIC 堆芯注量率測(cè)量監(jiān)督

每7 天執(zhí)行一次堆芯中子注量率測(cè)量，輔助判斷B2-1 棒束位于堆頂。每月一次的《正常運(yùn)行期間非活動(dòng)棒束功能檢查》定期試驗(yàn)后，執(zhí)行一次堆芯中子注量率測(cè)量，輔助判斷B2-1 棒束位于堆頂。每月一次的《控制棒位置測(cè)量信號(hào)回路檢查》定期試驗(yàn)前，執(zhí)行一次堆芯中子注量率測(cè)量，輔助判斷B2-1 棒束位于堆頂。

4.4 通過(guò)RCS 運(yùn)行故障報(bào)警（1RGL005KA）監(jiān)測(cè)

當(dāng)主控室觸發(fā)RCS 運(yùn)行故障報(bào)警（1RGL005KA），立即檢查確認(rèn)報(bào)警原因，并執(zhí)行堆內(nèi)注量率測(cè)量。

5 結(jié)論

通過(guò)上述分析，昌江電廠在滿功率平臺(tái)出現(xiàn)單束控制棒棒位顯示故障不會(huì)威脅反應(yīng)堆安全穩(wěn)定運(yùn)行。操縱員可通過(guò)其他輔助監(jiān)測(cè)手段判斷B2-1 棒束棒位，無(wú)需每隔8 h 監(jiān)測(cè)堆芯中子注量率。昌江核電針對(duì)該故障向國(guó)家核安全局提出RGL5 條款緩解措施優(yōu)化意見(jiàn)特許申請(qǐng)也得到批準(zhǔn)。