閉鎖源量程導致RPN報警的優化研究及應用

姚立民 劉 琢 賴厚晶 陳衛華

(中廣核工程有限公司，廣東 深圳 518124)

0 引言

核功率測量系統(nuclear instrumentation system，RPN)是通過測量反應堆外中子注量率來計算反應堆堆芯功率的核級儀控系統。嶺澳二期3號機組升功率運行期間，當機組功率超過10－5%額定功率時，按照核電站的運行規程，主控操作員應通過操作控制開關手動閉鎖源量程(source range，SR)，切除源量程的中子探頭高壓，并在10 s后閉鎖源量程停堆信號。在完成閉鎖工作后，RPN系統將自動產生源量程通道I/II故障報警(簡稱RPN447/450KA)。但通過檢測RPN系統的實際運行情況發現，此時的RPN系統仍正常工作，系統兩路源量程通道均處于正常的待命工況。由此可知主控報警信號RPN447/450KA為誤報警，它未能正確反映當前RPN系統的工作狀況，這給機組的安全運行帶來了潛在的技術風險［1－3］。

1 運行風險

按照核電站運行規程，在機組正常功率運行階段，RPN源量程會被閉鎖，直至功率下降并低于P6閾值后，源量程緊急停堆功能才能自動恢復，源量程重新投運。這就意味著，整個功率運行期間，源量程通道的故障報警在功率運行階段一直長期存在，且無法對后續的其他故障報警信號進行疊加反映，因此主控室無法對RPN系統的源量程實際運行情況作出準確的判斷。

根據嶺澳二期核電站運行技術規范，在功率運行和熱備用工況下，RPN系統的源量程、中間量程和功率量程必須可用。這一情況的存在，就長期運行而言，會導致真正的故障問題被掩蓋，對機組的運行安全具有潛在風險。

2 系統分析

2.1 源量程通道分析

RPN系統的源量程通道的主要功能是:①為源量程的中子探頭提供高壓;②為反映堆芯的實際功率設置甄別電壓，消除γ射線的影響;③接收中子探頭的信號，經脈沖放大、濾波后為信號的處理部分提供整形的信號;④可接受全廠儀控系統(簡稱為DCS系統)機柜送來的“探頭高壓切除”邏輯量信號，切除源量程探頭高壓。

源量程通道的主要功能模塊包括電源供應和轉換模塊(簡稱為Alim Ana7)、中子探頭信號調理模塊(簡稱為AIMP5)以及帶隔離功能的二進制數據邏輯處理模塊(簡稱為16ITOR)等，源量程通道布置圖如圖1所示。

圖1 源量程通道布置圖Fig.1 Layout of SR channel

源量程通道的中子探頭信號調理模塊中包含一個高壓監測單元，用來監測中子探測器的工作高壓。正常運行期間，工作電壓設定為800 V。為了保護中子探頭及保證中子探頭的探測準確性，在板卡中增設了工作高壓的閾值監測功能，分別設置有高限值和低限值。如果在正常運行階段，探頭的高壓值超過設定的高限值和低限值，即表明出現高壓異常，探頭將發出相關報警。同時，中子探頭信號調理模塊還具備接受DCS系統送入的高壓恢復和高壓切除信號，并根據當前堆功率水平的需求實現源量程中子探頭的投運和熱備狀態的遠程控制功能。中子探頭信號調理模塊可以通過特定設備進行工作高壓值、高壓高限值和低限值以及中子探頭甄別閾電壓的現場設定，但其信號數據的處理邏輯不帶軟件控制處理功能，板卡的內部邏輯均為硬件邏輯。

帶隔離功能的二進制數據邏輯處理模塊是整個源量程通道的數據輸入輸出接口，其主要功能是進行輸入信號的邏輯關系處理、通過內部處理提供帶邏輯結果的隔離輸出信號。二進制數據邏輯處理模塊是源量程通道的信號接口，系統中的報警信號邏輯管理也由此模塊實現。但二進制數據邏輯處理模塊為硬件邏輯設計，不具有軟件邏輯處理功能，無法在現場通過軟件方式修改其內部邏輯。

源量程通道信號結構如圖2所示。

圖2 源量程通道信號結構圖Fig.2 Structure of SR channel signal

2.2 報警分析

RPN系統的源量程通道故障報警信號是一個綜合報警信號，報警可由如下信號觸發:①源量程通道板卡狀態;②中子探頭甄別閾電壓低限值;③中子探頭高壓高限值;④中子探頭高壓低限值。

分析系統模塊的硬件接線圖可知，任意信號均可觸發源量程通道故障信號。報警邏輯圖如圖3所示。

圖3 報警邏輯圖Fig.3 Alarm logical diagram

通過邏輯分析可以看出，在報警設計上，RPN系統的源量程通道無法識別高壓是正常切除還是異常下降觸發高壓低限報警。當手動切除源量程中子探頭高壓后，中子探頭高壓從設定值(如800 V)降為0 V;RPN系統的源量程高壓監測單元在監測到這一情況后，會自動觸發“中子探頭高壓低限值”信號，使RPN系統產生源量程通道的故障報警信號。機組在功率運行期間，當源量程退出運行后，兩路源量程通道故障的報警信號一直存在，這將影響日常運行期間對源量程通道故障信號的正常監測。

3 方案分析

為保證RPN系統的源量程通道運行狀態監控，針對這一情況，提出了以下兩種方案，分別介紹如下。

3.1 維持現有系統設計

雖然源量程通道故障信號因中子探頭的高壓丟失而被觸發，導致源量程通道的其他自動故障報警功能被屏蔽，但源量程通道的運行情況可以通過人工定期打開柜門巡檢的方式驗證，從而代替系統的自動報警功能。

該方案的優點是無需改動RPN系統硬件，維持現有系統設計，它可作為保證機組安全運行的重要方式。但是該方案不能解決實際問題，在機組正常運行階段，主控仍長期存在報警信號，容易對主控人員直觀判斷源量程狀態造成困難;同時，增加了機組維修人員的工作負荷，不利于人力資源的合理分配。

3.2 改變現有系統設計

若要解決功率運行期間主控長期存在RPN447/450KA源量程通道I/II故障報警的問題，需要對現有設備的系統設計進行優化和改進。

設計改造的目的是為了解決原RPN源量程報警觸發設計中的缺陷，即無法識別高壓是正常切除還是異常下降而觸發高壓低限報警。當P＞P6時，主控操作員通過操作反應堆保護系統開關手動閉鎖源量程，切除源量程的中子探頭高壓;并在10 s后閉鎖源量程停堆信號，RPN系統不會產生RPN447/450KA源量程通道I/II故障報警。同時，原有設計中的源量程通道板卡狀態、中子探頭甄別閾電壓低限值、中子探頭高壓高限值、中子探頭高壓低限值等自動監測報警功能需要保留。

3.2.1 外部系統改動

報警邏輯優化方案如圖4所示。

圖4 報警邏輯優化方案Fig.4 Optimizing scheme of alarm logic

在保持現有RPN系統硬件設備不變的情況下，通過修改與RPN系統相連接的DCS系統來實現。在DCS系統中，需要在DCS機柜中增加三位繼電器，用于表示DCS系統中的切高壓命令狀態。將高壓切除命令的狀態指示信號送至RPN系統，參與報警輸出的邏輯判斷。RPN系統以此信號為判斷依據，確認當前的高壓丟失是否屬于正常工作狀態。

該方式的優點是不改動RPN系統硬件，可以在確?，F有RPN系統的穩定性的基礎上，滿足現有機組的運行需要，同時可以解決正常切高壓時出現的主控報警問題。但是該方式需要修改DCS機柜硬件設計，并且需要在RPN-DCS系統之間增加新的信號電纜，同時需要在DCS系統的軟件組態中增加新的信號輸出點，這將對DCS系統的軟硬件帶來影響。同時，根據修改方案，DCS系統的相關文件如接口文件、接線圖、信號流程圖等均需要升級。

RPN系統自身存在設計缺陷，通過采用修改外部系統(如DCS系統)的方案可以解決問題，但由此帶來的更改工作不僅代價太大，而且需要第三方系統的配合才能實現。

3.2.2 RPN 系統改動

既然外部系統改動代價過大，那么只有從RPN系統自身的設計入手，對系統進行改動。改動的原則是保持現有的輸入輸出接口信號不變，通過修改RPN系統的內部邏輯，實現對高壓的正常切除和異常下降的識別，從而完善源量程通道的高壓低限報警邏輯。

繼電器K7邏輯如圖5所示。

圖5 繼電器K7邏輯圖Fig.5 Logic of relay K7

4 結束語

采用硬件方式的設計修改，可以在保證原有RPN系統故障監測功能不受影響的前提下，最完美地實現RPN系統的源量程高壓監測單元對故障高壓異常和人為控制切除高壓的識別。因此，嶺澳核電站二期選用了RPN系統改動的方案作為系統技術升級。

為了避免同類事件的發生，在后續核電項目中，應在RPN系統設計階段明確處理方案，在系統設備出廠前實現機柜的相關設計優化，并進行相關的整體試驗。這樣既可以保證系統的總體性能，也不會對現場的施工、調試、運行工作帶來任何影響，同時對后續核電站項目也具有極大的借鑒價值和意義。

［1］廣東核電培訓中心.900MW壓水堆核電站系統與設備［M］.上冊.北京:原子能出版社，2006:255－267.

［2］陳濟東.大亞灣核電站系統及運行［M］.北京:原子能出版社，1995.

［3］法國電力公司.RCC-P法國900Mwe壓水堆核電站系統設計和建造規則［M］.4版.北京:國家核安全局，1991.