多樣化保護系統(tǒng)在核電站中的應(yīng)用及運行探討

林家偉 童奇?zhèn)b

摘 要：隨著可持續(xù)發(fā)展社會經(jīng)濟的推進，核電的發(fā)展越來越受到重視。在國家撐到可持續(xù)發(fā)展的前提下，中國能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整也帶來了核電的新發(fā)展，核電站的存在地位也逐漸加強，一些過去被人們忽視的問題也就隨之提到日程上。核電站的反應(yīng)堆保護系統(tǒng)實行了數(shù)字化后，一些概率比較低的軟件共因故障可能會導(dǎo)致整個反應(yīng)堆系統(tǒng)功能的喪失。在這種背景下，采用一種基于不同軟件平臺的多樣化保護系統(tǒng)就是刻不容緩的了。本文主要是從多樣化保護系統(tǒng)的設(shè)計類型和設(shè)計準(zhǔn)則等方面進行探討，來深入分析多樣化保護系統(tǒng)在核電站中的應(yīng)用和運行方面的問題。

關(guān)鍵詞：多樣化保護系統(tǒng);運行分析;縱深防御

眾所周知，隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，人們在提高物質(zhì)水平的同時也對生存環(huán)境提出了更高的要求，我國由于經(jīng)濟起步較晚，所以在經(jīng)濟發(fā)展方式上存在一定的問題，對傳統(tǒng)能源的使用大多是過于消耗的狀態(tài)，這就帶來了日益嚴(yán)峻的環(huán)境問題。在可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的背景下，新型能源的發(fā)展和使用也就是必然的了。核電作為新能源以其獨有的優(yōu)勢受到了越來越廣泛的關(guān)注和認(rèn)可，和傳統(tǒng)的火電相比核能發(fā)電既不需要氧氣，也不會排放二氧化碳等有害氣體，對環(huán)境的污染大大減少。再與水電相比較，核電站的建設(shè)一般都在原理居民的地區(qū)基本上對居民的生活不會造成太大的影響。這些方面的優(yōu)勢就決定了很能將會以其干凈經(jīng)濟等優(yōu)點在發(fā)電領(lǐng)域中占有更加重要的地位。

在我國大力發(fā)展核電的時候，也要清楚地意識到核電站存在的問題。對于核電站來說可靠性和安全性是十分重要的，核電是在用核裂變物質(zhì)作為燃料的，而核燃料在裂變的過程中以及裂變產(chǎn)物的衰變過程中都會釋放出放射性物質(zhì)，一旦發(fā)生泄漏后果將不堪設(shè)想，因此必須嚴(yán)加控制。在人類的發(fā)展史上，出現(xiàn)過多次核泄漏事件，比如切爾諾貝利核電站事件，三里島以及近幾年的福島核事故，都對人們的生產(chǎn)生活造成了嚴(yán)重影響，這也就說明了在核電的發(fā)展中安全是第一位的，是處于經(jīng)濟利益之上的。

我國自從修建了秦山核電站后，就標(biāo)志了我國在核電方面的能源發(fā)展，相應(yīng)的安全監(jiān)管體系也隨之建立。作為核電站不可或缺的一部分，儀控系統(tǒng)的主要作用是保證核電站在正常工況下運行。而在儀控系統(tǒng)中采用的數(shù)字控制技術(shù)，對核電站的良好運行起著重要作用，也預(yù)示著核電站控制系統(tǒng)能夠早日全部實現(xiàn)數(shù)字化。

1 多樣化保護系統(tǒng)的概述

1.1 多樣化保護系統(tǒng)的內(nèi)容

多樣化保護系統(tǒng)是核電廠反應(yīng)堆保護系統(tǒng)中的一個自動的邏輯保護系統(tǒng)，包括了一套裝置。他將依據(jù)核電廠的一些物理參數(shù)的變化，通過向控制棒驅(qū)動機構(gòu)電源柜發(fā)出指令，即發(fā)出反應(yīng)堆急停堆指令以及向安全驅(qū)動器發(fā)出專設(shè)驅(qū)動指令。從而在反應(yīng)堆保護系統(tǒng)發(fā)生軟件共因故障，無法向核電廠提供必要的保護功能時，同相關(guān)的手動保護功能以其將反應(yīng)堆維持在安全狀態(tài)。

1.2 多樣化保護系統(tǒng)的功能

多樣化保護系統(tǒng)在核電的發(fā)展過程中，起著越來越多的保護功能，具體說來有以下幾方面。蒸汽管道的隔離和安全注入，汽機剎車，以及通過驅(qū)動控制棒驅(qū)動機構(gòu)電源柜切斷控制棒動力電源，使得控制棒插入堆芯。這些功能的充分發(fā)揮使得核電能源在我國能源結(jié)構(gòu)中的比重越來越多，更有利于可持續(xù)經(jīng)濟的發(fā)展和環(huán)境的保護。

1.3 多樣化保護系統(tǒng)的系統(tǒng)流程

多樣化保護系統(tǒng)的具體系統(tǒng)流程是，上端接收儀表組的信號進行邏輯處理，在達到邏輯組合的要求時做出保護動作來觸發(fā)信號。多樣化保護系統(tǒng)的下端鏈接控制棒驅(qū)動機構(gòu)電源柜，以及優(yōu)先邏輯處理模塊進而連接到安全驅(qū)動器，他們在接受到保護動作后觸發(fā)信號來完成系統(tǒng)的保護功能。

2 多樣化保護系統(tǒng)的必要性

隨著近年來計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展，數(shù)字化控制系統(tǒng)在核電站的應(yīng)用也越來越成熟起來。我國目前的核電站非安全級控制系統(tǒng)已然實現(xiàn)了數(shù)字化，這才促進核電站的發(fā)展同時也帶來了不容忽視的問題。

數(shù)字化系統(tǒng)依靠的是微處理器運行軟件的應(yīng)用，因此會存在共因故障的風(fēng)險。共因故障的發(fā)生可能會導(dǎo)致核電站安全及控制系統(tǒng)的某些安全功能失效，也就是說當(dāng)核電站發(fā)生參數(shù)異常時，不能夠使反應(yīng)堆安全緊急停堆或者是觸發(fā)相關(guān)的安全功能，從而會導(dǎo)致安全事故的發(fā)生。

在目前我國的核電站反應(yīng)堆保護系統(tǒng)中，大多具有緊急停堆系統(tǒng)功能和專設(shè)安全設(shè)施驅(qū)動系統(tǒng)的功能。反應(yīng)堆保護系統(tǒng)采用了基于功能多樣性的應(yīng)用軟件多樣化設(shè)計，通常來說就是其保護功能是分別由兩個不同的多樣性子組實現(xiàn)的。即當(dāng)其中一個子組的應(yīng)用軟件因為共因故障導(dǎo)致不可用時，另一個沒有收到影響的子組還能繼續(xù)提供相應(yīng)的保護功能能，從而可以應(yīng)對反應(yīng)堆保護系統(tǒng)的應(yīng)用軟件共因故障。但是由于一些不可預(yù)知的軟件錯誤或系統(tǒng)層面的故障的存在，在反應(yīng)堆保護系統(tǒng)發(fā)生軟件共因故障時，上面所提到的兩個多樣性子組的功能都會失去，無法為反應(yīng)堆保護系統(tǒng)提供相應(yīng)的必要的保護功能，這時就需要多樣化保護系統(tǒng)的使用，已達到核電站的安全使用。

3 多樣化保護系統(tǒng)的設(shè)計特點

多樣化保護系統(tǒng)是核電廠反應(yīng)堆保護系統(tǒng)為了防御共因故障的發(fā)生而設(shè)置的預(yù)防措施，它既包括保護系統(tǒng)內(nèi)部的多樣性，也包括了保護系統(tǒng)和控制系統(tǒng)之間的多樣性。多樣化保護系統(tǒng)是核電安全運行的需要，是縱深防御原則的補充，必須要按照相應(yīng)法規(guī)的要求在設(shè)計中予以充分的考慮。

3.1 系統(tǒng)采用冗余設(shè)計

在安全系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)和安裝運行以及維護上，人為因素是不容忽視的。要消除運行中的人為差錯，就要在設(shè)計上作出改進。通過雙路電源供電，雙處理器配置和配置卡件配置的冗余度，以及接受和發(fā)出信號的冗余等方面進行設(shè)計，提高系統(tǒng)的可靠性和防御功能。還可以讓不同的維修人員來矯正安全儀表通道，有效的避免相同的系統(tǒng)誤差出現(xiàn)，減少安全系統(tǒng)中潛在的相同錯誤出現(xiàn)。

3.2 不需要滿足單一的故障準(zhǔn)則

由于不需要考慮多樣化保護系統(tǒng)與主保護系統(tǒng)同時失效的問題，系統(tǒng)設(shè)計不要求多樣化保護系統(tǒng)的設(shè)計滿足單一故障準(zhǔn)則。這就意味著即使系統(tǒng)發(fā)生了故障多樣化保護系統(tǒng)不能提供保護功能時，主保護系統(tǒng)也可以提供保護。

首先是多樣化保護系統(tǒng)所發(fā)出的所有動作信號都設(shè)計成電動作，即使出現(xiàn)機柜或卡件失電不會觸發(fā)緊急停堆，多樣化保護系統(tǒng)也會在送出緊急停堆的信號后產(chǎn)生觸發(fā)控制棒保持勾爪線的打開，從而導(dǎo)致控制棒插入堆芯中以觸發(fā)緊急停堆。其次是當(dāng)處理器與輸出卡件之間發(fā)生通訊中斷時，多樣化保護系統(tǒng)會繼續(xù)輸出卡件不輸出的動作信號。最后是多樣化保護系統(tǒng)輸出到專設(shè)安全設(shè)施驅(qū)動器的控制信號與反應(yīng)堆保護系統(tǒng)相同，采用的是有點動作的原則。主要是因為專設(shè)安全設(shè)施驅(qū)動器的動作經(jīng)常是有源的，與此同時也要考慮到誤動的風(fēng)險。

3.3 降低多樣化保護系統(tǒng)的誤操作及提高可靠性

首先是多樣化保護系統(tǒng)對來自不同傳感器的輸入信號，會采用不同的輸入卡采集，從而使單個卡件的故障不會帶來全部輸入信號的故障，也不會導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)誤操作。其次是多樣化保護系統(tǒng)輸出的緊急停堆信號，分別是從不同的輸出模塊送出去的，這就提高了保護系統(tǒng)的可靠性。再者是多樣化保護系統(tǒng)的輸出用于啟動安注的信號也是從不同的卡件中輸出的，因此單個輸出信號的故障時不會啟動整個安注系統(tǒng)的。

3.4 與反應(yīng)堆保護系統(tǒng)的隔離

多樣化保護系統(tǒng)的設(shè)計與反應(yīng)堆保護系統(tǒng)之間，要最大限度的保證實體分隔與電氣的隔離。多樣化保護系統(tǒng)不接受經(jīng)過反應(yīng)堆系統(tǒng)軟件處理過的信號，與此同時也不會輸出信號參與到反應(yīng)堆保護系統(tǒng)的軟件處理中。

3.5 多樣化系統(tǒng)具備定期試驗?zāi)芰?/p>

多樣化系統(tǒng)應(yīng)該具備定期試驗?zāi)芰Γ簿褪沁壿嫴糠忠约疤幚砟K應(yīng)該具備系統(tǒng)自我檢查的能力，與此同時輸出通道也要進行定期試驗。

4 多樣化保護系統(tǒng)的實際應(yīng)用

4.1 多樣化保護系統(tǒng)在機組正常工況下的運行

在機組正常運行的工況下，首先要確認(rèn)多樣化保護系統(tǒng)沒有報警出現(xiàn)，閉鎖以及復(fù)位開關(guān)的狀態(tài)都正確。為了保證多樣化保護系統(tǒng)功能的滿足，需要每兩個月定期對系統(tǒng)進行試驗。由于多樣化保護系統(tǒng)在設(shè)計之初，就考慮了獨立于反應(yīng)堆保護系統(tǒng)之外的信號，這就需要在不同的功率階段對上述信號進行確認(rèn)，以確保相關(guān)的保護功能的投入，而這些信號的檢查都應(yīng)該在機組的正常啟動停用的規(guī)程中體現(xiàn)出來。

而對于多樣化保護系統(tǒng)的穩(wěn)定器低壓安注功能，在特定的信號出現(xiàn)后，就需要對安注功能進行閉鎖防止繼續(xù)降壓而導(dǎo)致的誤安注，這些操作同樣是需要在機組的正常工況條件下進行的。

4.2 多樣化保護系統(tǒng)在機組事故工況下的運行

多樣化保護系統(tǒng)在機組事故工況下的運行，也是分為兩種情況的，分別是事故工況下反應(yīng)堆保護系統(tǒng)的動作正常和系統(tǒng)動作不正常兩方面。

首先是事故工況下反應(yīng)堆系統(tǒng)動作正常。在出現(xiàn)機組停堆和汽機停機的工況下，反應(yīng)堆保護系統(tǒng)動作正常，反應(yīng)堆停堆以及汽機停機。由于多樣化保護系統(tǒng)的動作定值比較保守，對于功率量程中的不穩(wěn)定流量的會觸發(fā)反應(yīng)堆保護系統(tǒng)停堆停機的信號。如果保護參數(shù)得到進一步的惡化，那么多樣化保護系統(tǒng)就會啟動。

在安全注入工況下，反應(yīng)堆保護系統(tǒng)動作正常，安全注入則啟動。如果安全注入是因為穩(wěn)壓器壓力低所引起的，而且壓力還在進一步的降低，那么多樣化保護系統(tǒng)就會發(fā)出按住信號，以允許手動控制的專設(shè)設(shè)施在規(guī)程中增加系統(tǒng)的安注復(fù)位操作等內(nèi)容。

其次是事故工況下反應(yīng)堆系統(tǒng)動作不正常。在機組停堆和汽機停機工況下，反應(yīng)堆保護系統(tǒng)由于軟件共因故障不猛正常動作時，一些保護信號就會觸發(fā)多樣化保護系統(tǒng)的停堆停機動作，以使驅(qū)動控制棒驅(qū)動機構(gòu)電源柜在切斷控制棒動力電源后，使控制棒插入到堆芯中。

在安全注入的工況下，反應(yīng)堆保護系統(tǒng)由于軟件共因故障不能正常動作時，穩(wěn)壓器壓力低信號就會使多樣化保護系統(tǒng)觸發(fā)安注，并根據(jù)實際情況判斷是否需要手動啟動安注。

4.3 多樣化保護系統(tǒng)的誤動分析

盡管在當(dāng)下的多樣化保護系統(tǒng)設(shè)計中，已經(jīng)采取了一系列的防止誤動的措施，但是還是會有系統(tǒng)誤動情況的不時發(fā)生。這就需要在系統(tǒng)動作后，無論是否發(fā)生誤觸，都要首先確認(rèn)動作序列的正常，防止因為誤動作導(dǎo)致的安全功能不可用，以至于影響到反應(yīng)堆的安全。應(yīng)該在機組狀態(tài)穩(wěn)定之后，在判斷多樣化保護系統(tǒng)是否出現(xiàn)誤動，進而采取下一步的措施。

5 結(jié)語

隨著我國可持續(xù)發(fā)展的推進，核電在以后的生活中所占的比重也會越來越多，如何安全高效的利用核電以及保證核電站的正常運行需要我們繼續(xù)不停的深入探究。從多樣化的保護系統(tǒng)著手，結(jié)合我國的實際情況尋找出更科學(xué)合理的解決方法，從實踐中找尋經(jīng)驗，為社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展做出貢獻。

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