基于數模混合方案的核電站保護系統設計

(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)

反應堆保護系統作為核電站重要的安全系統,它的功能是實時監測與反應堆安全有關的重要參數,如果這些參數達到安全分析確定的整定值時就自動觸發緊急停堆和/或啟動專設安全設施,從而限制事故的發展和減輕事故后果,以保證反應堆及核電站設備和人員的安全、防止放射性物質向周圍環境釋放。

巴基斯坦卡拉奇核電站K2、K3項目全廠DCS系統采用數模混合方案,NC和NC*系統采用和利時HOLLiAS-N來實現,IAW、IDA、ITI采用綜合控制NicSys2000平臺實現,保護系統采用模擬技術實現,因此在保護系統設計上要結合這種混合型全廠DCS的設計做適應性的應對設計。

1 總體結構

反應堆保護系統(RRP)包括A、B兩個在實體和電氣上隔離的獨立系列,任何一個系列發出保護動作信號都觸發反應堆停堆或專設驅動動作。每個系列在內部又分為兩個在電氣上是隔離的“半邏輯”(X、Y半邏輯),當兩個“半邏輯”都發出保護動作信號時才能觸發系統級的保護動作信號。在電氣隔離的設計上,保護系統與其他系統、保護系統內部各機柜之間都是隔離的。

RRP的部件設計放置在上鎖的機柜中,機柜門打開時在控制室將發出柜門打開報警。電纜從機柜頂部進出。去耦組件采用光電耦合器;邏輯器件采用CMOS集成電路;保護動作觸發信號的輸出部件采用繼電器,繼電器分為有自保持功能(雙穩態)和無自保持功能(單穩態)兩種。報警和指示信號通過光電耦合器輸出到非安全級DCS。反應堆保護系統包括：

1)測量儀表(探測器、傳感器、計算模塊和閾值繼電器等),監測核電廠變量,由閾值繼電器將模擬量轉換為開/關量信號,送到保護邏輯；

2)保護邏輯,接受儀表組送來的開/關量信號,進行邏輯處理,由輸出繼電器向停堆斷路器及安全驅動器發送保護動作指令；

3)信號處理,接受半邏輯X、Y送來的信號,經邏輯處理后,向控制室提供報警、指示等信息。

保護系統的總體結構如圖1所示。設計了兩個完全獨立的邏輯系列A和B用于緊急停堆系統和專設安全設施驅動系統。A系列和B系列的輸出信號提供給相應系列的安全驅動器,設計了兩套完全獨立的執行機構以保證獨立性,一個系列動作即能完成保護任務,A系列和B系列都安裝在分隔的房間,并且由不同的電源供電。每個系列的機柜分為緊急停堆系統機柜和專設安全設施系統機柜。這兩類機柜按功能又分為：

1)X半邏輯柜;

2)Y半邏輯柜;

3)功能輸出柜;

4)T3試驗柜;

5)繼電器及電源分配柜。

圖1 保護系統結構Fig.1 Overall structure of the reactor protection system

在電站正常運行時,邏輯單元的信號通常為高電平。每個邏輯部件輸入信號的狀態在插件面板上都有顯示。

在儀表部分的設計上其冗余方式與邏輯部分不同,設計了四套冗余的保護儀表組。每個參數用冗余的3或4個探測器監測,經過與由安全分析確定的整定值比較,超過定值時給出保護動作初始啟動信號。由閾值繼電器送出的啟動信號經去耦組件隔離后分兩路分別送到半邏輯X、Y,信號分別在X、Y邏輯線路中進行邏輯處理,邏輯處理后的信號經放大器放大驅動輸出繼電器。由輸出繼電器接點實現X和Y邏輯輸出信號的“與”,最后將保護動作觸發信號送到停堆斷路器和專設安全設施驅動器。

在保護邏輯線路中,針對不同情況采用失激勵(失去電壓)動作和激勵(接通電壓)動作兩種邏輯處理方式。

失激勵動作：用于緊急停堆系統和專設安全設施驅動系統的邏輯線路和停堆斷路器。激勵動作：用于專設安全設施驅動器的控制和禁止保護動作的聯鎖。

2 設計特點

K2、K3項目反應堆保護系統的設計應用模擬技術(電阻、電容、二極管、三極管、CMOS集成電路、光電耦合器、繼電器、開關、按鈕等)來實現以往工程項目基于數字化平臺設計的所有RRP保護功能,相對于以前秦山二期擴建工程核電站的模擬系統來說功能有所增加,相應的邏輯柜和輸出柜的信號以及T3試驗柜的設計都要做相應的改進。ATWS系統則在DCS部分實現。

2.1 接口方式的設計

由于接口系統有數字化也有模擬化的系統,在保護系統的接口方式上相對于模擬和數字化的系統來說都有所不同。在采用模擬技術實現的系統接口來說,邏輯信號處理按失電動作的原理來設計。而采用數字技術實現的系統接口來說,采用得電動作原理來設計,一般設計成為輸入高電平有效。這就需要設計人員要做系統接口上的區分,具體表現在采用的閾值比較器不同。

另外一個大的變化就是信號柜取消帶來的設計變更導致的接口變化。在保護系統的設計中,要區分是從邏輯柜直接輸出還是輸出柜輸出,此兩類信號送給DCS后的處理方式不一樣,從邏輯柜輸出給DCS的信號由于X和Y半邏輯的處理分為X和Y,將影響到相關設計文件,從輸出柜輸出的信號除送給DCS外也有直接通過繼電器機架送給相應的下級控制設備。

2.2 定期試驗的設計

整個反應堆保護系統的定期試驗分三段進行：T1、T2和T3試驗。試驗范圍見圖2。其中,T1試驗是測量儀表通道的試驗,它不屬于RRP。RRP的邏輯功能的試驗由T2試驗裝置(保護邏輯定期試驗裝置)來完成,RRP的輸出功能的試驗由T3試驗柜來完成。

根據K2、K3項目RRP功能圖,參考秦山二期擴建工程反應堆保護系統的T3定期試驗設計,對于K2、K3項目RRP系統T3定期試驗的類型劃分為以下6類型：

1)類型1：從ⅡC上觸發的專設驅動器不閉鎖成組T3試驗；

2)類型2：從BUP上觸發的控制棒落棒試驗；

3)類型3：從T3試驗柜試驗面板上觸發的停堆斷路器試驗；

4)類型4：從T3試驗柜試驗面板上觸發的不閉鎖型T3試驗；

5)類型5：從T3試驗柜試驗面板上觸發的閉鎖型T3試驗；

6)類型6：從T3試驗柜試驗面板上觸發的采用帶Feedback反饋信號的試驗。

在K2、K3項目中,總體來說T3試驗分為采用模擬技術實現和數字化技術實現的兩類T3試驗。由于在主控室的設備采用的是類似于FQ56核電站的數字化設計,原有模擬系統不閉鎖的成組T3試驗位于電子設備間的CC開關用主控室的KC/KG開關來替代,T3試驗路徑發生變化,來自二層的KC/KG信號直接送到RRP中的邏輯柜進行處理,再輸出到對應的接口設備,此過程不經過T3試驗柜,試驗信號反饋在主控室可見。對于閉鎖的成組試驗仍然在電子設備間實現,試驗路徑同秦山二期擴建工程。

圖2 T1、T2和T3試驗范圍Fig.2 The test range of T1,T2 and T3

2.3 采用8個停堆斷路器實現更可靠的停堆

考慮到“2/4”的表決邏輯在誤動率和拒動率的指標都要優于“1/2”表決邏輯,為了提高緊急停堆的可靠性和減少誤停堆概率,相對于秦山二期核電站采用主斷路器和旁通斷路器的結構設計來說,K2、K3反應堆保護系統設計了如圖3所示的8個停堆斷路器,反應堆保護系統有兩個系列共8個緊急停堆斷路器(每個系列4個)。其中A系列對應AX、AY,B系列對應BX、BY。四組斷路器采取“2/4”的方式控制停堆,當AX,AY,BX,BY中有任何兩組或者兩組以上斷路器打開,控制棒線圈將失去供電,打開控制棒保持鉤爪,控制棒受重力影響插入堆芯,從而實現安全停堆。

圖3 反應堆停堆斷路器的連接Fig.3 Connection of reactor shutdown circuit breaker

3 結 論

巴基斯坦卡拉奇核電站K2、K3項目反應堆保護系統設計充分考慮到了全廠數模混合方案相對于純模擬技術所帶來的設計變更,對整個電廠來說比模擬技術在安全性和經濟性上都有所提高,同時又吸收了數字化的優點。作為我國自主設計的第一個基于全廠數模混合DCS的反應堆保護系統設計,為我國核電技術走出國門樹立了一個良好的樣板效應。