基于數字化DCS平臺的核電廠反應堆控制系統可靠性分析

王巖 李洪光 高云飛

福建福清核電有限公司 福建福清 350318

核電廠功率調節系統（CCS）的主要功能是實現反應堆控制，反應堆控制的目的是使一回路所產生的功率與二回路所吸收的功率相等，同時保證一、二回路的溫度、壓力等熱工參數及堆芯功率分布等參數能滿足各方面要求。

CCS系統主要包括反應堆功率調節系統和平均溫度控制系統，它與多個系統存在接口。它接收來自汽機控制系統（GRE）的信號、堆外核測系統（RPN）、主冷卻劑系統（RCP）等工藝系統的參數，進行邏輯處理并輸出控制棒升、降和棒速信號。同時通過網絡或硬接線向主控室傳輸相關報警、顯示監測結果[1]。

CCS系統依托DCS Tricon平臺實現，它是具有三重組合式冗余結構的分散控制系統，通過識別其中引起非預期功率波動或停機停堆事件潛在風險的單一設備、部件，并提出優化措施，以提高系統和設備可靠性。

1 CCS系統可靠性分析

依據CCS系統功能和結構。主要對控制邏輯輸入采集失效對系統運行的影響進行分析。對于其中用于報警監測及輸出部分（故障不會導致系統誤動作）不進行分析排查。具體如下。

1.1 反應堆冷卻劑溫度測量回路

（1）功能實現。CCS系統采集RCP系統的三個環路的冷、熱段溫度信號，并完成R棒控制及一回路過冷邏輯運算。在Tricon軟件中，環路溫度最大值和最小值由模擬量表決模塊（AI_VOTER）實現，該模塊可以實現故障通道切除和全失效輸出缺省值的設計。

（2）故障模式分析及緩解措施。環路溫度信號由同一塊模擬量輸入卡件采集，如卡件故障，可能導致所有的信號失效。質量位邏輯保證通道故障并被切除的情況下不會導致環路平均溫度最大值或最小值波動。但該設計無法預防通道精度漂移的情況。另外系統中未設計質量位報警或環路切除報警，因此無法直接從主控獲取信號存在故障或環路已被切除的信息。建議增加質量位報警及通道元器件定期檢查的預防性維修項目。

1.2 最終功率整定值的生成

（1）功能實現。最終功率整定值用于汽機旁路系統運行時汽輪機負荷增加時的快速跟蹤。其輸入包括模擬信號汽機進氣壓力、旁排系統設定壓力及汽機遮斷信號、超高壓斷路器打開等開關量信號。

（2）故障模式分析及緩解措施。最終功率整定值的生成對機組出現非預期的瞬態下或低功率水平下的控制至關重要。對其控制邏輯輸入采集信號故障分析如下：①汽機進氣壓力模擬量輸入信號：Tricon系統中設置選擇器（VT模塊），采用質量位設計及全部輸入無效時輸出缺省值，因此不存在信號失效導致汽機負荷波動的問題[2]。②P模式下旁排系統設定壓力輸入信號由操縱員設定，其輸入模塊在軟件中設置限值（0-10bar）。如果信號通道斷路或卡件故障，輸入壓力值被置為0或10Mpa，對應的功率值被置成35%FP或0。如果R棒或G棒處于自動模式，最終功率整定值的波動會造成棒束非預期的動作。因此旁排系統設定壓力出現通道或卡件故障，可能導致最終功率整定值變化，從而影響R棒和G棒的控制邏輯。但由于機組正常上下行過程P模式下R棒及G棒均處于手動狀態，因此無影響。另外對于一回路過冷信號（C22），15%FP功率以下C22信號被手動閉鎖，因此無影響。在15%FP-25%FP（25%FP后R棒，G棒投自動），P模式下旁排系統設定壓力出現通道或卡件故障導致最終功率整定值變化及參考溫度變化，但通過仿真器模擬設定壓力變化對參考溫度的影響，發現在上述假設條件下，影響很小，可以忽略。③旁排閥未全關信號在旁排閥未全關時為1，如果此時出現了通道或卡件故障，最終功率整定值則切至0或由汽機負荷和30%FP的低選數值，在控制棒打手動期間對控制無影響。

因此，上述分析得出了最終功率整定值輸入信號故障對系統運行的影響。建議增加GCT設定壓力質量位報警用于提醒操縱員通道狀態。模擬輸入通道的電子元器件也需要進行定期檢查。

1.3 平均溫度控制系統

（1）功能實現。平均溫度控制系統通過測量計算一回路平均溫度用于驅動R棒組，改變反應堆的反應性，從而維持一、二回路功率的匹配。它的上游輸入包括：①功率量程中子注量率最大值計算；②平均溫度最大值信號和最終功率整定值信號，該部分已分析過，不再進行分析。

（2）故障模式分析及緩解措施。功率量程中子注量率輸入信號由同一塊輸入卡件采集，會同時采集通道試驗故障信號；如出現質量位壞或故障試驗信號，則該通道切除，如果所有通道質量位壞，則輸出上次的好值。因此對功率修正值計算無影響。但建議增加模擬量輸入通道質量位信號及RPN功率量程故障試驗報警。用于提示操縱員通道狀態[3]。

1.4 反應堆功率控制系統

（1）功能實現。反應堆功率控制系統的基本原理是根據二回路功率需求控制功率補償棒的棒位。它的最終目標是使功率補償棒的位置與功率需求對應。

（2）故障模式分析及緩解措施。參與G棒控制的信號都有冗余通道設置，并且冗余信號未設置在同一塊卡件當中，因此不存在單點故障導致的信號失效。同時有質量位設計及全輸入故障輸出缺省值的設計。因此不存在單點失效產生后果的設備。設計滿足要求。

2 結語

本文介紹了核電廠反應堆控制系統的功能及結構；并結合系統設計及設備，對系統控制邏輯上下游信號失效影響進行了分析。同時結合分析提出了優化建議，旨在提高系統運行的可靠性。另外對于CCS系統控制邏輯及上下游信號的全面梳理分析，也對系統運行和維護工作提供了參考。