中國(guó)先進(jìn)研究堆高溫高壓試驗(yàn)回路數(shù)字化保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

賈玉文，段 曉，張明葵，徐啟國(guó)，李 松

（中國(guó)原子能科學(xué)研究院，北京 102413）

0 引言

中國(guó)先進(jìn)研究堆（China Advanced Research Reactor，CARR）是一座多用途高性能研究堆，可用于中子散射和核物理研究、核燃料和反應(yīng)堆材料輻照試驗(yàn)、放射性同位素輻照生產(chǎn)、中子活化分析、中子照相等[1,2]。CARR高溫高壓試驗(yàn)回路是CARR實(shí)驗(yàn)研究平臺(tái)之一，目的是利用CARR開展反應(yīng)堆燃料元件和結(jié)構(gòu)材料的輻照性能研究。試驗(yàn)回路模擬壓水堆燃料元件運(yùn)行的高溫、高壓、水化學(xué)等條件，可為壓水堆燃料組件、反應(yīng)堆燃料元件的穩(wěn)態(tài)綜合輻照考驗(yàn)和瞬態(tài)性能試驗(yàn)提供基本的試驗(yàn)條件[1,2]。

試驗(yàn)回路由主回路系統(tǒng)、二回路系統(tǒng)、三回路系統(tǒng)、安全注水系統(tǒng)、事故余熱排出及噴淋系統(tǒng)、噴淋水再循環(huán)系統(tǒng)、設(shè)備冷卻系統(tǒng)等12個(gè)子系統(tǒng)組成。CARR設(shè)計(jì)有保護(hù)系統(tǒng)，用于保護(hù)反應(yīng)堆的安全[3]。運(yùn)行工況參照核動(dòng)力廠，運(yùn)行和事故狀態(tài)分為正常運(yùn)行、預(yù)計(jì)運(yùn)行事件和事故工況，根據(jù)試驗(yàn)回路事故分析，專門設(shè)置獨(dú)立于中國(guó)先進(jìn)研究堆保護(hù)系統(tǒng)（下文簡(jiǎn)稱CARR保護(hù)系統(tǒng)）的試驗(yàn)回路保護(hù)系統(tǒng)（下文簡(jiǎn)稱保護(hù)系統(tǒng)），既能保護(hù)試驗(yàn)回路又能保護(hù)反應(yīng)堆，對(duì)可能引起預(yù)計(jì)運(yùn)行事件/事故的假設(shè)始發(fā)事件設(shè)置了相應(yīng)的保護(hù)變量。當(dāng)所監(jiān)測(cè)的保護(hù)變量超過整定值時(shí)，自動(dòng)給出觸發(fā)信號(hào)，觸發(fā)相應(yīng)的保護(hù)動(dòng)作，用來防止試驗(yàn)回路工況超過安全限值，中止事故發(fā)展或緩解事故引起的后果，使反應(yīng)堆（CARR）與試驗(yàn)回路進(jìn)入安全狀態(tài)。

1 系統(tǒng)功能

保護(hù)系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)觸發(fā)CARR停堆、觸發(fā)專設(shè)安全設(shè)施和事故監(jiān)測(cè)功能。

1.1 觸發(fā)CARR停堆功能

當(dāng)所監(jiān)測(cè)的保護(hù)變量（主回路流量、主回路壓力、主回路溫度）超過保護(hù)動(dòng)作整定值時(shí)，自動(dòng)給出觸發(fā)信號(hào)。該信號(hào)作為CARR保護(hù)系統(tǒng)輸入的停堆保護(hù)變量，分別送往CARR堆保護(hù)系統(tǒng)的A、B、C 3個(gè)通道，觸發(fā)反應(yīng)堆停堆保護(hù)動(dòng)作。

1.2 觸發(fā)專設(shè)安全設(shè)施功能

保護(hù)系統(tǒng)具有觸發(fā)6個(gè)專設(shè)安全設(shè)施的功能，用于中止和緩解試驗(yàn)回路事故的后果。專設(shè)安全設(shè)施觸發(fā)功能如下：

1.2.1 啟動(dòng)處于備用狀態(tài)的主回路主泵

當(dāng)主回路主泵發(fā)生故障時(shí)，主回路流量降低。為防止主回路流量低導(dǎo)致的輻照燃料棒束熱量無法有效帶出，當(dāng)主回路流量降至低整定值時(shí)，除給出觸發(fā)停堆的保護(hù)動(dòng)作信號(hào)外，還給出專設(shè)安全設(shè)施觸發(fā)信號(hào)，觸發(fā)啟動(dòng)處于備用狀態(tài)的主回路主泵，將輻照燃料棒束的釋熱帶出。

1.2.2 啟動(dòng)事故余熱排出

CARR堆ATWS，僅通過排重水進(jìn)行事故緩解，正常供電喪失。此時(shí)二三回路泵停運(yùn)，主回路溫度升高。當(dāng)二回路流量低于低整定值且同時(shí)主回路溫度高于高整定值時(shí)，保護(hù)系統(tǒng)將觸發(fā)關(guān)閉正常冷卻閥，截?cái)嘀骰芈窊Q熱器二回路冷卻劑的冷卻通道；同時(shí)啟動(dòng)余熱排出泵，開啟余熱排出閥，驅(qū)動(dòng)冷卻水流經(jīng)主回路熱交換器二次側(cè)，為主回路系統(tǒng)提供緊急冷卻，實(shí)現(xiàn)事故余熱排出功能，保證CARR和試驗(yàn)回路安全停運(yùn)。

1.2.3 啟動(dòng)主回路工藝間噴淋發(fā)生LOCA事故時(shí)，主回路系統(tǒng)失水，穩(wěn)壓器壓力、主泵出口壓力迅速下降，同時(shí)伴隨主回路工藝間壓力迅速升高。房間壓力升高至整定值時(shí)，保護(hù)系統(tǒng)將觸發(fā)噴淋閥開啟降溫降壓，保證主工藝間的完整性。

1.2.4 停止中壓安注

發(fā)生LOCA事故時(shí)，主回路系統(tǒng)失水，穩(wěn)壓器壓力、主泵出口壓力迅速下降。當(dāng)安注水箱壓力下降至4.0MPa時(shí)，安全注入系統(tǒng)（中壓安注）非能動(dòng)自動(dòng)投入。安注水箱中的水全部進(jìn)入主回路后，安注水箱壓力下降到低整定值，此時(shí)安注水箱水量接近為零。為防止高壓氣體進(jìn)入主回路系統(tǒng)中影響傳熱，保護(hù)系統(tǒng)此時(shí)觸發(fā)關(guān)閉中壓安注閥，停止中壓安注。

表1 保護(hù)變量及其信號(hào)類型Table 1 Protection viable and signal type

1.2.5 啟動(dòng)低壓安注

發(fā)生LOCA事故時(shí)，主回路壓力繼續(xù)下降至低低整定值時(shí)，保護(hù)系統(tǒng)觸發(fā)啟動(dòng)事故余熱排出及噴淋系統(tǒng)中余熱排出泵，同時(shí)觸發(fā)開啟低壓安注閥，向主回路緊急注水。

1.2.6 啟動(dòng)小流量安注

當(dāng)主回路溫度降至低低整定值后，保護(hù)系統(tǒng)觸發(fā)開啟小流量安注閥，開始小流量安注，此時(shí)僅靠小流量便能保證系統(tǒng)的安全。

1.3 事故后監(jiān)測(cè)功能

事故后監(jiān)測(cè)系統(tǒng)用來監(jiān)測(cè)試驗(yàn)回路事故期間和事故后保護(hù)變量的變化，使運(yùn)行人員掌握和跟蹤事故的進(jìn)程，為分析事故和評(píng)價(jià)事故提供依據(jù)。

保護(hù)系統(tǒng)6個(gè)保護(hù)變量的信號(hào)進(jìn)入保護(hù)系統(tǒng)之前，被隔離分配出一路信號(hào)送往安裝在控制室控制臺(tái)上冗余的兩臺(tái)安全級(jí)事故后監(jiān)測(cè)記錄儀，該信號(hào)具備事故期間和事故后監(jiān)測(cè)功能。

2 保護(hù)變量、假設(shè)始發(fā)事件與保護(hù)邏輯

2.1 保護(hù)變量

保護(hù)系統(tǒng)設(shè)有6個(gè)保護(hù)變量，其類型見表1。

2.2 假設(shè)始發(fā)事件與保護(hù)邏輯

保護(hù)系統(tǒng)假設(shè)始發(fā)事件與保護(hù)變量的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以及保護(hù)系統(tǒng)做出的保護(hù)動(dòng)作見表2。

表2 試驗(yàn)回路保護(hù)動(dòng)作控制邏輯Table 2 Control logic of the test loop protect action

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

保護(hù)系統(tǒng)由A、B、C 3個(gè)獨(dú)立的保護(hù)通道組成。

單個(gè)通道完成各個(gè)保護(hù)變量的測(cè)量、定值比較后，將本通道的閾值比較結(jié)果通過點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)通訊傳送給其他兩個(gè)通道進(jìn)行局部2/3符合后，生成變量級(jí)觸發(fā)信號(hào)；各個(gè)保護(hù)變量再進(jìn)行1/N總體符合，生成通道級(jí)觸發(fā)信號(hào)；通道級(jí)觸發(fā)信號(hào)通過IO設(shè)備輸出到由繼電器搭建的硬邏輯進(jìn)行通道級(jí)的2/3邏輯符合，最終輸出系統(tǒng)級(jí)的觸發(fā)信號(hào)送出保護(hù)系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)停堆。

至于專設(shè)安全設(shè)施的觸發(fā)，單個(gè)通道完成各個(gè)保護(hù)變量的測(cè)量、定值比較后，將本通道的閾值比較結(jié)果通過點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)通訊傳送給其他兩個(gè)通道進(jìn)行局部2/3符合后，生成變量級(jí)觸發(fā)信號(hào)。因絕大部分專設(shè)僅一個(gè)保護(hù)變量，故不必再進(jìn)行1/N總體符合（對(duì)于事故余熱排出專設(shè)，主回路溫度高與二回路流量低還需進(jìn)行與邏輯），生成通道級(jí)觸發(fā)信號(hào)；通道級(jí)觸發(fā)信號(hào)通過IO設(shè)備輸出到A、B通道，由繼電器搭建的硬邏輯進(jìn)行通道級(jí)的2/3邏輯符合，最終A、B通道輸出系統(tǒng)級(jí)的觸發(fā)信號(hào)分別送往A序列專設(shè)安全設(shè)施電氣驅(qū)動(dòng)電路和B序列專設(shè)安全設(shè)施電氣驅(qū)動(dòng)電路。

保護(hù)系統(tǒng)采用數(shù)字化技術(shù)，保護(hù)系統(tǒng)每個(gè)通道采用單機(jī)柜配置，每個(gè)機(jī)柜配置交直流轉(zhuǎn)換設(shè)備、信號(hào)調(diào)理分配單元、信號(hào)采集單元、邏輯處理單元以及光電轉(zhuǎn)換單元等，柜內(nèi)控制站為熱備冗余結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)的基本架構(gòu)如圖1所示。

信號(hào)調(diào)理分配單元接收試驗(yàn)回路保護(hù)變量傳感器的信號(hào)，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)理和擴(kuò)展分配。其中，一路信號(hào)送往保護(hù)系統(tǒng)，一路信號(hào)送往監(jiān)控系統(tǒng)，一路信號(hào)送往事故后記錄儀（送記錄儀信號(hào)的僅A、B通道，C通道不送），以上信號(hào)均以硬接線形式連接。

圖1 數(shù)字化保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Sketch of digital protection system

信號(hào)采集單元負(fù)責(zé)保護(hù)系統(tǒng)的信號(hào)的輸入和輸出，邏輯處理單元采用雙MPU設(shè)計(jì)，主要實(shí)現(xiàn)邏輯判斷、報(bào)警、系統(tǒng)控制等功能。MPU可通過專用通訊網(wǎng)絡(luò)連接，維護(hù)計(jì)算機(jī)完成相關(guān)設(shè)備的維護(hù)工作。

光電轉(zhuǎn)換單元用于實(shí)現(xiàn)3個(gè)通道機(jī)柜之間信號(hào)傳輸功能，3個(gè)通道之間信號(hào)傳輸以安全級(jí)網(wǎng)絡(luò)為主，光電轉(zhuǎn)換單元實(shí)現(xiàn)了通道間的物理隔離，實(shí)現(xiàn)了保護(hù)系統(tǒng)通道間獨(dú)立性的要求。僅系統(tǒng)級(jí)觸發(fā)信號(hào)，因需要繼電器搭建硬邏輯而采用硬接線的形式進(jìn)行連接，同樣實(shí)現(xiàn)了通道間的物理隔離。

4 手動(dòng)觸發(fā)

為避免試驗(yàn)回路保護(hù)系統(tǒng)由于共因故障失效，除自動(dòng)觸發(fā)外，還設(shè)置手動(dòng)觸發(fā)功能。在試驗(yàn)回路控制室內(nèi)兩個(gè)獨(dú)立的控制臺(tái)上，各設(shè)有一個(gè)“手動(dòng)觸發(fā)保護(hù)”按鈕，只要按動(dòng)其中任何一個(gè)按鈕，則直接觸發(fā)停堆信號(hào)，同時(shí)給出報(bào)警信號(hào)。

手動(dòng)觸發(fā)保護(hù)信號(hào)送監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行記錄。

5 系統(tǒng)報(bào)警

當(dāng)所監(jiān)測(cè)的保護(hù)變量越限或觸發(fā)保護(hù)動(dòng)作時(shí)，在控制臺(tái)提供相應(yīng)的聲光報(bào)警信號(hào)，給予操縱員相應(yīng)提示。聲光報(bào)警指示由試驗(yàn)回路監(jiān)控系統(tǒng)采用軟件方式實(shí)現(xiàn)。

1）參數(shù)警告報(bào)警：所有輸入的保護(hù)變量均通過信號(hào)調(diào)理分配單元擴(kuò)展出標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)，經(jīng)電氣隔離送往監(jiān)控系統(tǒng)。當(dāng)保護(hù)變量中任一變量測(cè)量值達(dá)到相應(yīng)的報(bào)警定值時(shí)，由監(jiān)控系統(tǒng)給出警告報(bào)警信號(hào)。

2）事故停堆報(bào)警：當(dāng)保護(hù)系統(tǒng)觸發(fā)事故停堆保護(hù)動(dòng)作信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)擴(kuò)展隔離輸出各保護(hù)變量的事故停堆信號(hào)及系統(tǒng)級(jí)停堆信號(hào)，由監(jiān)控系統(tǒng)給出事故停堆報(bào)警信號(hào)。

3）專設(shè)觸發(fā)報(bào)警：當(dāng)保護(hù)系統(tǒng)觸發(fā)專設(shè)保護(hù)動(dòng)作信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)擴(kuò)展隔離輸出專設(shè)觸發(fā)信號(hào)，由監(jiān)控系統(tǒng)給出專設(shè)觸發(fā)信號(hào)。

6 系統(tǒng)設(shè)備

系統(tǒng)有3臺(tái)冗余、獨(dú)立的保護(hù)系統(tǒng)機(jī)柜A、B、C，內(nèi)部安裝執(zhí)行系統(tǒng)功能要求的全部單元部件。機(jī)柜底部安裝有機(jī)柜基礎(chǔ)支架，保護(hù)系統(tǒng)及其底座支架做成的整體滿足抗震I類的要求。

試驗(yàn)回路保護(hù)系統(tǒng)3個(gè)機(jī)柜分別布置在3個(gè)相互獨(dú)立的3個(gè)房間，滿足獨(dú)立性要求。

7 總結(jié)

隨著核電行業(yè)進(jìn)入數(shù)字化時(shí)代，基于數(shù)字化技術(shù)，針對(duì)CARR高溫高壓試驗(yàn)回路設(shè)計(jì)了一套全數(shù)字化保護(hù)系統(tǒng)，該保護(hù)系統(tǒng)采用三通道系統(tǒng)架構(gòu)，具備觸發(fā)CARR停堆功能、觸發(fā)專設(shè)安全設(shè)施功能和事故后監(jiān)測(cè)功能，具有可靠性高，維護(hù)、試驗(yàn)方便等優(yōu)點(diǎn)。設(shè)計(jì)滿足保護(hù)系統(tǒng)導(dǎo)則標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于獨(dú)立性、單一故障準(zhǔn)則等方面的要求。