秦山核電二期堆芯溫度水位測量系統改造

李翰宇，杜澤榮，胡昌森，姚 彤

（中核核電運行管理有限公司 技術二處，浙江 海鹽 314300）

0 引言

秦山核電二期1、2 號機組堆芯溫度水位測量系統自投運以來，已經運行10 余年時間，其中由于國外生產廠家倒閉，備件供應和技術服務已停止多年。近幾年，由于設備的可靠性下降及備件的缺乏，導致系統出現故障的次數明顯上升，并且每次故障處理會使機組產生I0，使得其他預防性維修及糾正性維修工作停滯，降低了工作效率也影響了機組安全穩定。

為確保堆芯溫度水位系統能夠連續穩定運行，不會因為系統故障導致電廠降功率或退防，影響電廠的安全及經濟性，同時考慮到整個系統后續維護和持續的備件供應，需要對秦山核電二期1、2 號機組堆芯溫度水位測量系統的堆芯冷卻監測機柜進行整體升級替換。

表1 堆芯冷卻監測機柜采集信號清單Table 1 List of signals collected by the core cooling monitoring cabinet

1 系統概述

秦山核電二期1、2 號機組堆芯溫度水位監測系統由反應堆堆芯溫度和壓力容器水位監測兩部分組成，其功能是采集來自現場傳感器、SIP 系統和RPR 系統的信號（見表1），通過以上信號計算堆芯飽和溫度、過冷裕度、最高堆芯溫度及壓力容器水位，并將計算結果向KIT 系統和KSA系統發送，以及在主控室顯示和報警。

根據單一故障準則，堆芯溫度水位監測系統采用冗余設計，所有設備分為A/B 兩列，它們在電氣上和實體上均是隔離的，主要分為兩個部分。溫度和水位測量的探測部分位于核島內，信號二次處理部分位于電氣廠房，由兩個堆芯冷卻監測機柜（RIC011AR、RIC012AR），以及主控室的顯示儀表（RIC001PP、RIC002PP）組成。

2 國內改造情況

目前國內電廠中，大亞灣核電站1、2 號機組已率先完成了對堆芯冷卻監測系統（即堆芯溫度水位監測系統）的升級改造，新系統使用廣利核公司的FIRMSYS 平臺(和睦系統)實現原有系統的全部功能，并且為了滿足其升級SOP 規程的需要，對原系統功能有所加強和優化，系統改造至今運行效果良好，有效解決了因部件老化、備件無法采購導致的系統工作不穩定及故障報警閃發的問題，提高了電廠運行的可靠性和經濟性[1]。

圖1 秦山核電二期1、2號機組熱電偶布置圖Fig.1 The thermocouple layout of Qinshan Nuclear Power Phase II Unit 1 and Unit 2

秦山核電二期擴建工程3、4 號機組目前使用的堆芯冷卻監測系統是在1、2 號機組基礎上改進的。由于1、2 號機組使用的堆芯冷卻監測系統機柜當時已經停產，在綜合了技術、成本和未來發展等因素后，選擇使用西門子公司的TXS 核級軟硬件平臺[2]，該平臺是較為成熟的DCS 平臺，具有多年應用經驗。系統投用后運行正常，設備運行穩定性良好[3]。

基于多方面考慮，秦山核電二期1、2 號機組堆芯溫度水位監測系統改造最終選擇參考大亞灣核電站改造經驗使用FIRMSYS 平臺進行設計。

3 改造范圍及系統結構

本次改造雖參考大亞灣核電站1、2 號機組改造經驗，但未對核島內探測部分進行改動，由于秦山核電二期1、2號機組目前采用的是EOP 規程且未來過渡到SOP 規程的可能性極小，綜合實施風險和實際效果，未參考大亞灣核電站改造經驗，10 號和21 號堆芯出口熱電偶未上提至壓力容器上封頭位置，如圖1 所示。

所以本次改造僅對信號二次處理部分進行替換，改造范圍如圖2 所示。改造后的系統由兩臺機柜（RIC011AR、RIC012AR）、一面盤臺（P10 盤）組成。P10 盤上安裝RIC001PP、RIC002PP 兩塊顯示設備。其中，RIC011AR、RIC001PP 屬 于A 列，RIC001PP 是ICCMS-A 的 遠 程 顯示 設 備；RIC012AR、RIC002PP 屬 于B 列，RIC002PP 是ICCMS-B 的遠程顯示設備。RIC011AR、RIC012AR 安裝在L709/L749 房間，P10 盤安裝在L710/L750 房間。

圖2 系統改造范圍Fig.2 Scope of system transformation

ICCMS-A、ICCMS-B 通過光纖與KIT 通信站連接，通過硬接線和繼電器機架與KSA、KIT 系統連接。KIT 系統的機柜（包含通信站）安裝在L709/L749 房間。服務單元（維護工具）用于系統調試期間讀取/修改系統參數，調試時，服務單元具有讀取中間信號以及輸入輸出信號的功能。電站運行期間，禁止服務單元與ICCMS-A、ICCMS-B 連接。

改造后的系統由如下子系統構成：

1）電源子系統。其功能是為整個系統提供交流、直流電源。其中，A 列輸入電源來自于LNA，B 列輸入電源來自LND，均為單路供電。

2）信號處理子系統。主要功能包括：信號調理、信號輸入輸出、數據處理及通信等單元。結構如圖4 所示。

3）顯示和記錄子系統。功能包括：遠程顯示、就地顯示及記錄。

4）KIT 通信站。功能是實現系統與KIT 間通訊，通過安裝在工控機的通訊協議轉換軟件將ICCMS 端的SN4 協議轉換成RS-422 協議實現，具體如圖5 所示。

4 改造實施及效果

秦山核電二期1、2 號機組改造分別在113、212 大修進行實施。主要有以下5 個部分內容：

1）原外部電纜記錄，熱電偶電纜的絕緣性和連續性檢查。

2）舊機柜移除，新機柜底座焊接、打磨及PT 檢查。

3）新增電纜敷設，光纖的敷設、熔接。

圖3 系統結構圖Fig.3 System structure diagram

圖4 信號處理子系統結構圖Fig.4 The structure diagram of the signal processing subsystem

圖5 通訊鏈路圖Fig.5 Communication link diagram

4）新機柜焊接及無損探傷，機柜外部電纜連接以及新機柜卡件恢復。

圖6 新機柜現場布置Fig.6 Site layout of the new cabinet

圖7 冷端補償可用性相關邏輯及修改部分內容Fig.7 Logic related to cold end compensation availability and some modifications

5）機柜上電調試。

其中，調試按照調試方案對系統整體功能的測試，內容包括：①數據顯示頁面檢查；②堆芯溫度監視畫面檢查；③電氣測量值頁面檢查；④系統狀態頁面檢查；⑤數據顯示頁面；⑥遠程堆芯溫度監視畫面；⑦遠程狀態顯示畫面；⑧與KIT 的通訊檢查；⑨綜合報警功能及報警信號檢查；⑩機柜參數修改、強制等功能測試。

所有測試均未發現異常。其中，重點對熱電偶通道的精度進行了測試，每個通道選擇了5 個點分別進行測試：0℃、307.03℃、602.23℃、904.36℃、1200℃，結果都能夠滿足設計要求。

5 問題及解決

5.1 冷端補償溫度信號不可用

在集成報警功能測試中，發現3 個冷端補償電阻中的任何一個電阻斷線后，其顯示3 個冷端補償均不可用，計算出的冷端補償溫度也不可用，最終導致所有經過補償后的堆芯熱電偶溫度信號在畫面顯示上均為不可用狀態。

經過分析，上述問題屬于質量位傳遞的問題。現有的算法塊在運算過程中會將初始的質量位狀態持續傳遞下去，如圖7 中邏輯所示，當2 個冷端補償溫度可用，另1 個冷端補償溫度不可用時，如果不可用的冷端補償溫度質量位為好（0 表示質量好），則圖中邏輯與冷端補償溫度的校驗方案相符；如果不可用的冷端補償溫度質量位為壞（1 表示質量壞），則經過圖中的“與”“或”等邏輯后，質量位將直接傳遞給3 個V_TCOLD（即冷端補償溫度可用性信號），使3 個V_TCOLD 信號的質量位均為壞，進而會影響到所有堆芯熱電偶補償后溫度的可用性信號質量位為壞，導致最終的輸出結果質量位壞而影響正確的結果指示。實際上通過V_TCOLD 的數值位已經完全體現了冷端補償信號的可用性，不需要V_TCOLD 的質量位來進行輔助判斷。

針對上述問題，提出的解決方案如圖7 所示。增加3個BSR 算法塊，修改后，對3 個冷端補償熱電阻的可用性信號本身無影響，如1 個冷端補償信號的質量位為壞，則其可用性信號的數值位即為0（不可用狀態），而質量位在后續邏輯中被BSR 算法塊置為好，其冷端補償信號壞的質量位將不會被傳遞到后續的組態中，僅數值位的不可用信號值0 會送到后續組態中，完成其冷端補償功能。

圖8 回路中串聯熱敏電阻示意圖Fig.8 Schematic diagram of series thermistor in the loop

5.2 機柜上電電流沖擊過大

系統改造前，機柜上電時存在電流沖擊過大的問題，該問題會導致上游LNALND 切換到旁路供電，根據對設備的調研，該問題主要來源是橫河記錄儀，廠家提供的數據表明單個記錄儀上電的瞬時電流可達到40A。

針對該問題，本次改造提出解決的措施是：

1）機柜卡件需具備在線熱插拔功能。在日常出現故障時能夠在線更換卡件，從源頭減少正常運行期間機柜上電的可能性。

2） 機柜內負荷需具備分別上電的功能，減少同時送電時對總開關造成過大的電流沖擊。

3）在記錄儀供電回路中串聯具有負溫度系數的熱敏電阻，減小上電瞬間的沖擊[4]，如圖8 所示，通過記錄儀上電時先閉合110JA，待回路電流基本穩定后，閉合101JA、斷開110JA 實現。

6 結束語

本次改造在原系統設計基礎上，不改變系統接口和功能設計，不改變設備的安全級別，對實現系統功能的設備進行更新替代，從根本上提高設備的可靠性，使其各項性能指標得以有效提升，確保了堆芯溫度和水位等參數處于更好的監測狀態，系統處于安全可靠的狀態。改造后，堆芯溫度水位監測系統具有以下優點：

1）系統采用多重冗余，具有模擬系統不具備的自診斷功能、高可靠性、高精度等優點。

2）系統采用多重顯示，實現對堆芯溫度水位的重要參數進行全方位監測。

3）系統使用了更加直觀、便捷的維護功能及定期試驗功能，操作和維護人員更易于了解系統狀態并進行系統維護檢修。

4）系統改造總結吸收原系統現場運行經驗，增加了兩個熱敏電阻，有效解決了以往機柜上電時上游電源跳閘問題，穩定性提高。

5）系統改造解決了備件采購問題，充足的備件為系統的穩定提供保障。

本次改造整體提升了系統的功能及穩定性，使得機組運行和維護的效率得到提高，而故障率的降低使得系統維護開支減少，維護難度降低，機組的效益與收益得到顯著增加，也為今后國內核電廠的堆芯溫度水位系統改造提供參考。