反應堆保護系統專設冗余方案的研究及維護

章雨 武有光 水璇璇 楊斐

【摘 要】專設安全驅動系統是核電廠安全級儀控系統重要組成之一，承擔著重要的專設安全設備驅動功能。為了提高反應堆在維護期間的安全性，提出了具有2個冗余子組結構的專設冗余方案。通過對其結構分析，表明了專設冗余系統的的特點，維護方便，不影響安全功能。

【關鍵詞】專設安全系統;DCS;冗余系統;在線維護

中圖分類號： TL371 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）06-0117-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.06.043

【Abstract】Engineered Safety Features Actuation System（ESFAS）is one of important part of instrument control system in nuclear power plant，carrying out significant functions to actuate equipment.In order to improve the safety of nuclear power plant during the maintenance，redundancy engineered safety features actuation system proposal is submitted.Through analysis on its construction，it is indicated it could be maintained on line，helping operator run and maintain and improving the safe and reliable operation of nuclear power plant.

【Key words】Engineered safety features actuation system;DCS;Redundancy system;Online maintenance

0 前言

專設安全驅動系統（ESFAS）是反應堆保護系統的重要組成之一，用來控制專設安全驅動設施，保證反應堆安全的運行。隨著數字化技術的發展，當前新建反應堆的專設安全驅動系統一般采用數字化控制系統進行實現。采用數字化的專設安全驅動系統分為2個邏輯序列，每一個邏輯序列通常需要一個現場控制站就可以實現。當其中一個現場控制站出現故障，或者進行維護、定期試驗、在線下裝時，此時，不僅需要考慮不能影響安全功能，同時還要考慮現場維護人員的工作效率和系統的易維護性。

本文以典型的3通道2邏輯系統的反應堆，結合反應堆保護系統構架，同時考慮提高現場維護人員的工作效率，提出了具有2個冗余子組結構的專設冗余方案，并且進行了相關可靠性的計算。

1 專設驅動系統系統概述

圖1是典型的反應堆保護系統的示意圖，主要包括：1）探測器;2）緊急停堆系統（RTS）;3）專設安全驅動系統（ESFAS）;4）現場驅動設備。專設安全驅動系統是反應堆保護系統（RPS）系統的一部分，它包括了那些為了保護反應堆，根據測量參數變化而造成的專設安全設施執行機構的全部電氣設備[1]。主要實現安全注入功能、蒸汽管線隔離、安全殼隔離A階段、主給水系統隔離、輔助給水系統啟動及輔助給水隔離、安全殼噴淋、安全殼隔離B階段、REB啟動以及主泵停運功能。

當反應堆出現穩壓器壓力低低、蒸汽管道壓差高等現象時，就需要專設安全驅動系統產生安全注入信號、輔助給水信號等信號驅動相應的設備，維持反應堆在安全狀態。專設安全驅動系統的可靠運行對反應堆的安全穩定運行起著非常重要的作用。

2 專設冗余系統結構設計特點

典型的3通道2個邏輯系列反應堆保護系統結構如圖2所示。主要包括由信號采集預處理單元、邏輯處理單元、信號傳輸單元等構成的緊急停堆系統和專設安全驅動系統，包含3個測量通道，A和B兩個邏輯系列。緊急停堆系統包含具有3重冗余通道（保護組IP、保護組IIP和保護組IIIP），執行反應堆停堆功能。專設安全驅動系統分為A、B兩列，執行專設安全設施設備驅動功能。緊急停堆系統3個邏輯處理單元之間以及與專設安全驅動系統之間通過點對點通信進行數據交互。

其中，反應堆保護系統中的專設冗余系統主要包含以下單元：

1）RTS和ESFAS共用的部分-信號采集和預處理單元

來自反應堆的壓力、溫度、流量、堆芯物理參數等信號，通過信號采集處理單元傳送至RTS的邏輯處理單元中。同時，參與專設安全驅動系統的信號經過工程量到物理量的轉換、閾值比較后周期性的傳送至ESFAS的邏輯處理單元中。

2）ESFAS系統

a.邏輯處理單元

ESFAS分成邏輯系列A、B，每一個邏輯系列中包含2個子組：A1和A2，B1和B2。每個邏輯系列的2個子組具有相同的邏輯處理功能，接收RTS信號，完成3取2表決邏輯及專設安全設施驅動系統相關的其他邏輯運算。ESAFS-A1和ESFAS-A2的專設安全設施設備驅動指令經過硬件的“或”門后輸出至優先級控制模塊，并在其中與來自其他安全等級的控制命令進行優選后送往現場驅動設備。

b.優先級控制模塊

優先級控制模塊位于專設安全驅動系統的末端，接收安全級硬邏輯信號、安全級軟邏輯信號、非安全級控制信號、就地控制驅動信號，對信號的優先級進行判斷，輸出正確的驅動設備指令。正常運行情況下，安全級硬邏輯信號具有最高優先級，優于其它信號。當安全級軟邏輯指令不可信或者需要進行維護干預時，采用閉鎖指令閉鎖信號，以防止維護期間誤觸發安全設備動作。

3 維護方案

基于反應堆專設安全驅動系統冗余子組的結構設計方案，在設計時，已經充分考慮儀控系統的可靠性和可維護性，采取了多重冗余的結構設計避免了一定的維護風險。但是，維護行為作為反應堆保護系統運行中不可避免的行為，在維護期間，反應堆保護系統不可用的風險或者導致發出虛假的指令的可能性增高，削弱反應堆保護系統的功能。因此，基于反應堆專設安全驅動系統冗余子組的結構設計，提出了以下在線維護方案。

3.1 反應堆保護系統維護方案設計原則

1）維護行為不應導致反應堆保護系統發出虛假指令;

2）同一時間只允許對同一冗余度進行維護并且需要告知相關的反應堆維護人員。

3.2 在線維護方案

在線維護方案可以分成預防性維護、定期維護和事后維護。預防性維護是指在系統正常運行時，對系統進行在線監視，及時掌握系統運行狀態;采用定期維護，定期檢查潛在故障，消除系統故障隱患，保證系統長期穩定可靠性運行。事后維護是指系統在發生故障后進行的維護。

3.2.1 預防性維護方案

1）在線監視

安全級儀控系統不同于其它工藝設備，在反應堆正常運行期間，儀控系統需要進行面對設備老化和故障等問題，因此，需要采用維護措施對儀控系統的狀態進行監視。目前，在系統的維護方式中，在線監視作為一種對系統干擾性小的維護方式，是首先的預防性質的在線維護方案。反應堆維護人員通過維護工程師站等人機接口，可以判斷設備的狀態和發展趨勢，并在發生故障時快速定位，判斷故障類型，合理安排故障維護時間。

2）定期維護

系統的潛在故障是指故障在發生后，維護人員無法通過相關的報警指示等信息察覺相關功能已經喪失，進而可能導致出現嚴重的后果發生。安全級儀控系統通過定期試驗來探測設備的運行狀態、驗證預期的系統可用性，探測系統的潛在性故障。主要有測量通道驗證、邏輯功能試驗、響應時間試驗、輸出通道及相關驅動器試驗、盤臺指示燈以及報警窗口的試驗。試驗范圍覆蓋整個DCS系統全部覆蓋，每段試驗之間相互重疊，保證了試驗的完整性，在整個儀控系統內排除了潛在故障。同時，對備品備件進行上機測試，檢查備件的可用性，以便事故后可以更換使用。

3.2.2 事故后維護方案

專設系統多重冗余的系統設計保證了在發生單一模塊故障的時候，儀控系統仍能保證功能的完整性。同時自診斷和在線監視的特點保證了在事故發生后能夠快速定位故障位置，在線更換模塊，提高了事故后維護的效率。

4 結束語

綜上所述，本文提出的專設安全驅動系統冗余結構的設計，具有以下優點：1）專設冗余驅動系統中每個邏輯系列的2個子組相互冗余獨立，異步計算，減輕了對設備的依賴性，增強了系統的可維護性。2）提供符合人因工程的人機接口，對DCS系統的每個硬件的狀態進行在線監視，快速定位故障，提高了調試人員的效率。3）調試人員對專設安全驅動系統的一個子組進行維護或者定期試驗時，另一個子組認可執行專設安全驅動設施，保證了故障具有足夠的維護時間。

【參考文獻】

[1]廣東核電培訓中心.900MW壓水堆核電廠系統與設備[M].原子能出版社.

[2]周海翔.核電廠數字化反應堆保護系統結構與可靠性研究.工學博士論文.哈爾濱工程大學.2007.

[3]孫娜，齊敏，謝逸欽.核電站數字化保護系統維護系統設計[J].核安全.2016，15（04），27-33+47.