秦山核電二廠堆芯冷卻監測系統數字化改造

楊 鵬，姚 彤，蔡昊廷

（中核核電運行管理有限公司 維修三處，浙江 海鹽 314300）

0 引言

堆芯冷卻監測系統（Inadequate Core Cooling Monitoring System，簡稱為ICCMS）是核電廠重要的事故后監測系統之一。依據國家核安全法規的要求，堆芯冷卻監測系統作為1E安全級系統，在正常工況、事故工況，以及事故后工況不間斷地監測堆芯溫度分布、堆芯過冷裕度與壓力容器水位等參數。如果失去對這些堆芯狀態參數的監測，機組將面臨退防的風險，對機組的安全運行和穩定發電有著重要的影響，因此堆芯冷卻監測系統必須要保證處于可用狀態。

秦山核電二廠的堆芯冷卻監測系統在運行將近20年后，可靠性已顯現出了明顯的弱化，穩定性大大降低，影響了對堆芯狀態的監測。為了應對這種情況，提升性能和可靠性，對該系統實施了數字化升級改造。

1 系統簡介

秦山核電二廠堆芯冷卻監測系統分為完全相同且冗余的A、B兩列，在電氣和實體上實現完全隔離，彼此之間互相獨立，各自實現對堆芯狀態的監測功能[1]。

1.1 堆芯溫度監測

堆芯冷卻監測系統每列各包括15支鎧裝K型熱電偶，測量燃料組件出口冷卻劑的溫度，并對區域內熱電偶的偏差值進行監測，還將堆芯熱電偶溫度數據傳輸到數據集中處理系統（KIT）進行計算分析，用以監測堆芯徑向功率偏移，以及檢測棒控棒位系統（RGL）控制棒組中分離的棒束[1]。

1.2 過冷裕度監測

堆芯冷卻監測機系統接收來自過程儀表系統（SIP）的2個主回路壓力和3個穩壓器壓力，進行篩選校核后，再計算得到一回路的絕對壓力，然后計算出堆芯飽和溫度，并與環路熱段溫度和堆芯熱電偶溫度進行比較，計算并監測基于實際堆芯冷卻劑溫度的最低過冷裕度[1]。

1.3 壓力容器水位監測

堆芯冷卻監測系統每列分別采用3臺差壓變送器（窄量程、寬量程、參考量程），并接受來自過程儀表系統的環路的熱管段溫度、冷管段溫度、主回路壓力、穩壓器壓力等模擬量信號，同時接受來自保護系統（RPR）的P10信號和來自堆芯冷卻劑系統（RCP）機架的主泵運行狀態這兩個開關量信號，通過對這些輸入信號進行處理和運算，實現對反應堆壓力容器水位的監測和指示[1]。

2 改造范圍

目前由于秦山核電二廠尚未引入核電廠狀態導向規程（SOP），堆芯冷卻監測仍基于事故導向規程（EOP），因此，在同時兼顧技術實現難度和改造效益的前提下，保留現場的一次儀表，保持現有的與其他系統或機架的通訊方式、接線方式不變，僅對系統的處理機柜部分進行改造[2]。

3 新系統概述

秦山核電二廠堆芯冷卻監測系統改造采用的是北京廣利核工程有限公司基于安全級Firmsys平臺開發的系統。

改造后的堆芯冷卻監測系統同樣分為A、B兩列，由硬件部分和軟件部分組成。硬件主要包括機柜、機箱、卡件、電源、電纜等，整體設備為K3級。軟件集成在主處理單元模塊中，主要包括系統軟件和應用軟件，系統軟件負責管理計算機系統中各種獨立的硬件協調工作，應用軟件是根據工藝需求設計的運算程序。系統通過信號輸入/輸出模塊采集現場傳感器的模擬量信號和開關量信號，再由主處理單元運行應用軟件進行運算處理后，進行輸出和顯示。應用軟件和系統軟件進行不間斷的周期循環運行以完成所有系統功能[3]。

圖1 新系統結構Fig.1 New system composition

改造后的系統由電源子系統、信號處理子系統、顯示記錄子系統構成，系統結構示意圖如圖1所示。

3.1 電源子系統

電源子系統由220VAC/24VDC電源模塊、24V DC/5V DC電源模塊、熱敏電阻、浪涌保護器和濾波器等硬件設備組成，為整個系統提供可靠的交流電源、直流電源和接地保護。

220VAC/24VDC電源模塊采用三重冗余方式，24VDC/5VDC電源模塊采用雙重冗余方式，任何單獨一個電源模塊故障都不會對供電造成影響，當系統失電不超過10 ms時，不會產生故障或者電源重啟的虛假報警信號，充分保證了供電功能的可靠。

3.2 信號處理子系統

信號處理子系統完成信號調理隔離、信號輸入和輸出、數據處理、數據通信功能，信號處理子系統整體結構圖如圖2所示。

3.2.1 信號調理隔離功能

信號調理功能由信號調理板卡實現。對于模擬量信號如K型熱電偶、冷端補償熱電阻、1V～5V標準信號，信號調理板卡對其進行隔離和線性調理，將其轉換成4mA～20mA的標準信號；對于P10信號和主泵運行狀態的這些開關量信號，信號調理板卡則將其進行隔離處理。這些經過隔離調理后的信號通過硬接線連接的方式傳輸給信號輸入部分。

圖2 信號處理子系統結構Fig.2 Signal processing subsystem structure

3.2.2 信號輸入和輸出功能

信號輸入和輸出功能由模擬量輸入、模擬量輸出、開關量輸入、開關量輸出板卡實現，分別完成4mA～20mA直流信號的輸入和輸出以及無源觸點信號輸入和輸出。

3.2.3 數據通信

數據通信功能由通信單元執行，實現主處理單元、信號輸入/輸出單元之間的信息交換，同時也為系統與外部交換信息提供接口。處理機柜與顯示單元直接通過安全級網絡SN4通信，增加了將SN4協議轉換為RS-422網絡協議的協議轉換機箱，實現了到KIT系統的單向通信。

3.2.4 數據處理功能

數據處理功能由主處理單元板卡完成。主處理單元板卡通過通信單元獲得數據后，按照程序和邏輯，對數據進行運算處理，計算得到堆芯飽和溫度、堆芯過冷裕度、壓力容器水位等結果，并把運算后的結果通過通信單元進行輸出、顯示和記錄。系統算法流程圖如圖3所示。

3.3 顯示記錄報警系統

顯示功能由兩塊顯示器來完成，以通信方式從信號處理子系統獲得實時數據，可按照數據顯示、輸入與中間變量、電氣測量值、系統狀態等多個頁面進行顯示，利用按鈕實現各頁面的切換。

記錄功能由無紙記錄儀實現，通過硬接線的方式接受來自信號處理子系統的熱電偶溫度、最低過冷裕度和壓力容器水位等重要數據，保存在可移動存儲介質，供離線查詢。

系統產生的開關量報警信號發送至繼電器機架，最終在主控產生聲光報警，實現報警功能。

4 系統優化

堆芯冷卻監測系統改造完成后，運行情況穩定可靠，并且在多個方面進行顯著優化：

圖3 算法流程圖Fig.3 Algorithm flowchart

1）抑制啟動電流。電源子系統中設置了熱敏電阻回路，當上游220VAC進入機柜后，通過熱敏電阻回路對啟動電流進行有效抑制，確保機柜上電瞬間峰值電流保持在20A以下，從而避免了給上游電路帶來電流沖擊。

2）優化穩壓器壓力有效性判斷。在算法中需要對每一個輸入信號的可用性進行檢查，對于模擬信號有效性的檢查是通過判斷信號是否在量程范圍內，所設置的判斷閾值考慮了上游通道和傳感器的誤差。一旦發現超出量程范圍的模擬輸入信號，將進行報警、剔除和提示，不參加到隨后的計算中。對于穩壓器壓力儀表來說，其量程范圍為11MPa～18MPa，在機組停堆期間狀態下行階段的降溫降壓過程中，實際堆芯壓力會超出穩壓器壓力變送器的量程范圍，原系統會判斷穩壓器壓力信號失效而觸發報警。新系統在進行有效性判斷時則結合了兩個主回路壓力變送器的測量結果，這兩個變送器的量程為0MPa～20MPa，覆蓋了穩壓器壓力儀表的測量范圍，可以避免在正常情況下產生穩壓器壓力失效報警。

3）散熱方式優化。在機柜中未采用風扇散熱，而是采用自然循環的散熱方式，在機柜內形成了一個自下而上的通風通道，保證有足夠空氣流量和風速通過發熱源，防止器件過熱。這樣不僅保證機柜可靠散熱，也減少了故障點。

4）人機交互功能和可擴展性優化。系統的安全級顯示設備可提供大量數據的便捷查詢，新增了移動式服務單元，可與主處理單元連接，實現數據交換、軟件下裝、試驗測試等功能，且提供了編程接口，大大提高了人機交互性能，且具備足夠的開發裕度，在有需要時不必對硬件進行大規模的改動，就能夠實現系統改進。

5 結束語

堆芯冷卻監測系統在核電站中起著極為重要的作用，其可靠性對電廠的安全穩定運行有著至關重要的作用。在改造后，系統運行穩定可靠，不僅有效實現了原有的監測功能，并且在諸多方面得到優化提升，也為其他儀控系統設計和改造提供了一定的借鑒價值。