方家山核電工程核儀表系統改進

王銀麗 羅 煒 陳 樂 李 高 楊戴博 沈 峰

（中國核動力研究設計院核反應堆系統設計技術重點實驗室，四川 成都 610041）

0 引言

核儀表系統通過設置在反應堆壓力容器外的多個中子探測器來測量堆芯泄漏的中子注量率，以實現對反應堆功率、功率變化率和功率分布的連續監測，為操縱員提供堆芯裝料、停堆、啟堆和功率運行期間的反應堆狀態信息；同時在中子注量率及其變化超過安全分析確定的整定值時，向反應堆保護系統提供用于反應堆緊急停堆的信號。此外，核儀表系統還向反應堆棒控棒位系統（RGL）提供控制聯鎖信號，向多樣化反應堆保護系統（DAS）和堆芯控制系統（CCS）提供核功率信號。

與參考電站核儀表系統采用的模擬技術相比，秦山核電廠擴建項目（方家山核電工程）核儀表系統機柜采用了基于Rolls-Royce Civil Nuclear 的SPINLINE 3 的數字化技術。下面從系統總體結構、系統接口設計、系統自檢及定期試驗、經驗反饋等方面介紹方家山核電工程核儀表系統相對于參考電站的改進情況。

1 系統結構

方家山核電工程核儀表系統總體結構如圖1 所示。整個系統主要由8 支中子探測器、4 個保護機柜、1 個控制機柜和1 個LSS 機柜組成。

1.1 保護機柜

保護機柜由4 個基于SPINLINE 3 的標準機柜組成，分別隸屬于4 個保護儀表組IP、IIP、IIIP、IVP。保護機柜IP、IIP 分別由SR、IR 和PR 信號調理和處理設備組成，保護機柜IIIP、IVP 分別由PR 信號調理和處理設備組成。與參考電站采用的模擬技術不同，方家山核電工程核儀表系統的信號處理功能由軟件完成，包括信號調理設備的信號的采集，計數率、中子倍增時間、中子注量率水平、功率水平、軸向功率偏差等參數的計算和處理，將相關參數與整定值進行比較，并產生相應的保護或控制邏輯信號。

數字技術的應用從一定程度上精簡了設備配置，提高了保護通道的精度，但保護通道的響應時間相比模擬技術要略慢些。對于RPN 送往反應堆保護系統的核功率“局部脫扣”信號，為了滿足保護通道響應時間的要求（分配給RPN 和反應堆保護系統Tricon 設備的響應時間只有200ms），每個信號在RPN 機柜側設計為4 路輸出，經隔離分配后同時送至四個保護組對應的多樣性子組，這種設計確保了每個保護組均直接從每個保護組RPN 機柜獲得了與RPN 探測器冗余度相對應的“局部脫扣”信號，從而節約了由一個保護組的Tricon處理單元采集之后再轉發給其他三個保護組的響應時間。

1.2 控制機柜

參考電站中控制機柜采用的是模擬技術，參數在控制機柜側的顯示通過切換開關來選擇需要的參數，相關的報警邏輯則通過繼電器機架實現。方家山核電工程核儀表系統控制機柜采用數字技術后，由控制計算機實現對保護通道的監測和相關報警邏輯的處理，并通過網絡通信將核儀表系統用于主控制室信息顯示、記錄、報警的信息送至DCS，具備24h 數據存儲保護，同時管理源量程計數率的音頻輸出，并提供良好的人-機接口（HMI）功能，簡化設備的同時大大提高了設備的可用性和操縱人員的可操作性。

參考電站中，LSS 機柜僅在主控制室配置有一套顯示器和鍵盤，送往主控制室的監測信息均通過布置在臺盤上的專用顯示、記錄和報警設備來實現，同時在臺盤上設置有允許修改LSS 機柜內部參數的鑰匙開關。方家山核電工程中LSS 機柜就地和主控制室均設置了顯示器和鍵盤，便于信息的監測和設備的維修，LSS 機柜內部參數的修改通過在軟件中設置相應的操作權限即可進行。

同時主控制室設計采用數字化儀控平臺后，LSS 機柜送往主控制室的監測信息均集成在DCS 系統中，并設計有專門的監測畫面，精簡主控制室的設備的同時提高了操縱人員的可操作性。

1.3 維護設備

相比參考電站，本項目核儀表系統還設計有專用的維修試驗裝置（MTE）和就地顯示單元（LDU）。MTE 主要由工控計算機、輸入/輸出板卡、電流/脈沖信號發生器、顯示器、鍵盤鼠標和打印機組成，用于核儀表系統保護通道的定期試驗、探測器的曲線繪制以及高壓和甄別閾值等的定值調節，MTE 的使用使得定期試驗的操作簡單化。LDU 是一臺標準的筆記本電腦，用于執行與保護通道安全級軟件相關的任務，包括連接通道軟件的識別、軟件故障的查看、軟件變量和參數的顯示、軟件參數的修改、描述文件的裝入、log 事件的查閱等。

2 系統接口設計

與參考電站不同，方家山核電工程數字技術的應用，使得RPN 系統的內、外部信號接口設計不再只采用單一的硬接線技術，同時采用了網絡通信技術。其中，RPN 保護機柜與RPN 控制機柜之間的內部信號連接采用光纖通信Nervia 網，RPN 保護機柜與外部系統機柜之間的信號連接采用硬接線，RPN 控制機柜與外部系統機柜之間的連接采用RS485 串口通信和硬接線。

（1）光纖通信Nervia 網。由于RPN 控制機柜對信號的響應時間要求不高，故采用光纖Nervia 網實現數據通信，且數據只由RPN 保護機柜流向RPN 控制機柜，滿足隔離要求，保證控制機柜的故障不會影響保護機柜功能的實現，同時極大地減少了保護機柜和控制機柜之間連接電纜的數量。

（2）RS-485 串口通信。同樣針對信號的接收方對響應時間要求不高的情況，外部系統所需數據經網關送入電廠總線網絡，目標系統從電廠總網線上獲取所需的信息。如從RPN 控制機柜和LSS 機柜送往主控制室電廠計算機和控制系統（KIC）進行顯示和報警的信號。

（3）硬接線。主要針對對信號響應時間要求高、信號接收方無法與RPN 系統進行網絡通信或信號數量很少的情況。如由于緊急停堆信號響應時間要求高，RPN 送往邏輯保護系統（RPR）用于緊急停堆的信號采用了硬接線連接。對于硬接線傳輸的信號，在RPN 保護機柜側均設計有隔離輸出模塊，以確保信號接收設備的故障不會對RPN 保護機柜產生影響。如對于開關量信號，在RPN 側設計為電磁繼電器輸出，以實現與信號接收設備的電氣隔離。

3 系統自檢和定期試驗

作為核電廠安全儀控系統，為檢驗系統設備的可用性，必須對核儀表系統的功能和性能進行檢查。由于本項目采用了數字化技術，相比參考電站，在系統故障檢測（含自檢和定期試驗）方面存在一些變化。

3.1 自檢

參考電站采用的是模擬技術，系統提供的自檢能力很少，設備部件的運行狀態主要通過就地的二極管指示燈來識別。

由于本項目采用了數字技術，核儀表系統通過信號處理單元采集設備部件自身產生的邏輯狀態來實現設備運行狀況的自檢，并將相關報警和監測信息通過Nervia 網送往控制機柜，使得下列核儀表系統設備的運行狀態通過系統的在線自檢即可識別：

當檢測到部件故障時，系統將產生故障安全輸出，同時發出相應的報警信號。維修人員根據控制機柜產生的報警信號，并結合系統運行維修手冊，即可完成設備的故障診斷。

3.2 定期試驗

對于在線自檢不能覆蓋的部分，則需要通過定期試驗的方式進行檢驗。

參考電站中，核儀表系統定期試驗需借助安裝在保護機柜內的相應的信號發生器來完成，維修人員通過測量相應的信號輸出來逐一判斷試驗結果是否滿足要求。

由于本項目采用了數字技術，定期試驗主要通過使用專用的維修試驗裝置（MTE）來進行。試驗時，只需將MTE 通過Nervia 網連接到相應的試驗通道上，通過人機接口操作即可完成試驗，試驗完成后MTE自動產生試驗結果報告，維修人員通過查看試驗報告即可判斷試驗是否滿足要求。

定期試驗內容主要包括：探測器試驗、信號調理單元試驗、信號處理單元試驗、系統信號輸出及與外部系統連接電纜試驗及外部系統輸入信號的連接電纜試驗。

4 經驗反饋

4.1 中間量程探測器輸出信號量程切換問題

中間量程探測器輸出電流信號范圍為（10-11～10-3）A，為滿足如此寬量程信號線性測量的需要，中間量程信號調理設備設計了一個電流/電壓（I/U）轉換裝置，通過自動切換量程來跟蹤電流信號的變化，將輸入的電流信號轉換成（0～10）V 電壓輸出信號。設計中共設置有7 個量程檔位，中間量程探測器輸出電流的計算公式則為：電流（A）=輸出電壓（V）/10(11-量程檔位)（Ω）。

為避免量程切換過程中由于電流的誤計算而導致信號的誤觸發，在中間量程的信號處理軟件設計中對電流信號的有效性進行了管理。軟件設計中對量程的有效性、量程切換所需的時間（含相關卡件的延遲時間）、計算處理軟件的周期、信號處理設備是否故障等進行了充分考慮，在未完成量程切換時輸出電流保留上一個值。

4.2 部分定值可調節范圍過小問題

參考電站中，核儀表系統相關的定值調節是通過在機柜側調節電位器實現的，中間量程緊急停堆定值、C1、功率量程緊急停堆高定值、C2 的可調節范圍分別為（5～30）%FP、（5～25）%FP、（50～120）%FP、（75～120）%FP。

在方家山核電工程中，采用了數字化技術，核儀表系統相關的定值調節是通過連接就地顯示單元（LDU）修改參數實現的。在調試中發現，上述定值的調節下限設置的過高，且中間量程緊急停堆定值、C1的調節上限設置的過低，不滿足啟堆過程中的定值調節要求。在本電站中對中間量程緊急停堆定值、C1、功率量程緊急停堆高定值、C2 的可調節范圍分別調整為為（0～100）%FP、（0～100）%FP、（0～120）%FP、（0～120）%FP，并要求設備供貨商對相應的軟件參數進行了相應的修改。

5 結束語

本文簡述了核儀表系統的功能和結構，同時將本系統及設備與參考電站進行了差異對比，對本系統相關的設備和設計改進情況進行了較為全面的總結，通過采取必要的改進使得設計更為合理，系統的功能得以更好實現，希望能對今后本系統的設計起到很好的借鑒作用。