某研究堆水冷同位素監控系統改造設計

高 婷，段 曉

（中國原子能科學研究院 核工程設計研究所，北京 102413）

本系統改造的對象是一座多用途、高性能的大型研究堆。該研究堆采用輕水冷卻、重水慢化，可以有效利用反應堆產生的高品質中子場進行燃料材料考驗、中子散射實驗、放射性核素輻照生產、中子活化分析、核物理基礎研究、核數據測量，以及中子照相等研究與實驗。

為滿足國內對于某材料的需求，通過本次改造項目的實施，需在現有一條靶件堆外冷卻回路系統的基礎上，新增一條靶件堆外冷卻回路系統，以使得新增回路和舊回路同時運行時滿足所有10個水冷同位素孔道內全部裝載某材料靶件時的冷卻能力。兩條回路分別命名為C3回路和C4回路。為了滿足以上改造設計，需對現有及新增冷卻回路系統的監控系統進行改造。

1 原回路監控系統現狀

本研究堆設計的主要目的是在反應堆專用孔道內利用中子進行各類實驗研究，放射性同位素生產，開展燃料元件的輻照考驗和結構材料的耐輻照試驗等。其中5#～11#垂直實驗孔道為水冷同位素孔道，主要用于靶件輻照，配套有輻照裝置及冷卻回路（即水冷同位素冷卻回路）。為開展某靶件的輻照并減少輻照過程中放射性物質對環境的釋放量，2012年對水冷同位素冷卻回路進行了技術改造，將該系統由“開式”回路改造為“閉式”回路（以下簡稱C3回路）。

C3回路監控系統由先進的計算機控制系統組成，現場SCADA服務器采用國際上流行的SCADA組態軟件iFIX。系統的I/O現場控制站硬件采用成熟的施耐德Quantum系列PLC，完成工藝系統數據的采集、處理、上傳等任務。

2 監控系統改造方案

2.1 改造目的

通過將原有1條C3回路改造為2條獨立運行的回路即C3、C4回路并配備相應的儀表、控制、電氣和輻射防護設備，實現2條水冷回路的獨立運行且由1E級應急供電系統供電，達到滿足10個水冷同位素孔道內全部裝載某材料靶件進行輻照時的正常工況和應急工況下的冷卻能力的目的。

2.2 改造范圍

1）上游工藝系統

◇對C3回路進行改造，實現2臺水冷泵的并聯運行，冷卻10個水冷同位素孔道中的5個孔道。

◇新建C4回路，冷卻余下的5個水冷孔道。

◇新建1E級不間斷電源系統，負責4臺水冷泵的供電，確保外電源喪失時水冷泵能不間斷運行以導出靶件的余熱。

◇配置靶件破損監測系統以在線監測靶件破損。

2）儀控系統

①監控系統上游

◇新建用于C3/C4回路的保護變量監測單元。

◇新建用于C3/C4回路的儀表系統。

②監控系統

◇基于以上改造措施，新增一套監控系統，用于對C3、C4回路所有設備狀態及新增電氣設備的參數監測與控制。

2.3 監控系統改造方案

水冷同位素冷卻回路系統原有1套冷卻回路及1套冷卻回路監控系統。本次改造內容包括：C3回路在原有靶件生產回路的基礎上，通過適應性改建以達到輻照某靶件的能力要求的回路，新增1套冷卻回路（C4回路），拆除原有冷卻回路監控系統硬件設備，新增1套水冷同位素監控系統，監控兩套回路系統工藝、電氣、靶件破損監測系統參數及設備狀態，為運行人員提供信息，如圖1所示。

圖1 水冷同位素監控系統控制原理框圖Fig.1 Control principle block diagram of water-cooled isotope monitoring system

原有冷卻回路監控系統硬件設備包括：1臺監控系統控制柜、1臺工程師站、1臺服務器（以上設備均布置于回路控制室）。新增冷卻回路監控系統硬件設備包括：1臺I/O現場控制站、1臺電源服務器柜、1臺工程師站、1臺打印機（以上設備均布置回路控制室）；1臺遠程操作員站、1臺打印機（以上設備均布置于主控制室）。

1）電氣設備狀態監控

①水冷泵、閥門等電氣設備狀態監測

監控系統可以監控冷卻水泵的工作狀態：監視運行、停止、就地/遠控、通電及故障狀態；控制啟動、停止。監控電動閥的工作狀態：監視開、關狀態、就地/遠控、通電及故障狀態；控制閥門打開、停止。監控電磁閥的工作狀態：監視全開、全關、就地/遠控、通電狀態；控制閥門打開、關閉。

②供電狀態監測

◇系統可以監視用電設備的供電狀態

通過開關量輸入信號監視回路破損探測系統、γ監測儀等設備的通電狀態。

◇監控系統可以監視應急供電系統供電參數

監視UPS-D及UPS-E的主電源開關狀態、運行、停機、旁路運行、電壓/電流、蓄電池故障等參數；監視UPS-D及UPS-E電壓、電流等供電參數；監視UPS-D及UPS-E蓄電池供電參數；監視部分低壓開關柜的開關柜進線斷路器跳閘等狀態。UPS-D及UPS-E的相關參數采用RS485接口傳送至水冷同位素監控系統。

2）輻射監測

靶件破損監測系統功能是監測靶件破損取樣回路中冷卻劑γ劑量率，信號通過靶件冷卻水監測儀將被測γ射線由探測器轉換為電信號，經就地處理箱處理為標準模擬量信號送水冷同位素監控系統顯示、報警、存儲。

3）熱工參數監測

C3/C4回路設置了足夠的過程測量參數，以監測系統的正常運行及事故工況的參數變化，為運行人員提供信息。與現有冷卻系統相比，改造中在每個輻照孔道的冷卻劑出口設置了兩副熱電偶溫度測點和1E級流量計，用以實時監測靶件冷卻劑出口溫度和每個孔道的冷卻流量。系統出口進堆母管設有壓力及流量測點，出堆母管設置了壓力測點，衰變箱出口設置了壓力測點，水冷泵進出口設置了壓力測點，水冷泵上設置了溫度測點，穩壓罐上設置了液位和壓力測點，輕水換熱器進出口設置了溫度測點以及輕水換熱器進口總管上設置了壓力測點，二次水側進出口設置了壓力和溫度測點，出口設置了流量測點。以上測點的設置有效地保障了系統的正常運行。

熱工過程測量系統實現對C3/C4回路的流量、壓力、液位、溫度、電導率等參數的監測，并將這些參數的監測信息分別送至專用水冷同位素監控系統。

4）保護系統監測比較單元

由于本研究堆的保護系統沒有備用通道，且修改現有保護系統軟件存在難度，改造設計中，新增保護系統監測比較單元，C3/C4回路的保護變量通過保護系統監測比較單元進行擴展，擴展后的信號送入原保護系統的3個通道進行邏輯處理。

保護系統比較單元設置3個冗余、獨立的比較單元機柜。對于所有輸入的保護變量，均電氣隔離后擴展出1個相應標準電信號，送往監控系統進行顯示及報警。

冷卻回路運行模式包括C3單獨運行、C4單獨運行、雙回路運行3種模式，比較單元機柜應設置選擇開關，可進行回路運行模式選擇，并將模式選擇結果送往水冷同位素監控系統進行顯示。

2.4 系統結構

水冷同位素監控系統由計算機監控系統組成，上位機組態軟件采用國際上流行的過程可視化及過程監控功能的高性能的工業自動化軟件。系統的I/O現場控制站硬件采用成熟的工業監控系統，完成工藝系統數據的采集、處理、上傳等任務。系統網絡采用1000M冗余以太網雙光纖網絡，實現操作員站、打印機等HMI設備、服務器與I/O控制站之間的通訊。系統配置見圖2水冷同位素監控系統網絡結構圖。

圖2 水冷同位素監控系統網絡結構圖Fig.2 Network structure diagram of water-cooled isotope monitoring system

目前在建的核電機組中，其儀控系統已大都采用分散控制系統DCS產品[1]。水冷同位素監控系統的結構即按當前主流的DCS架構[2,4]進行設計，即：

◇0層，工藝系統接口層。包括測量設備（傳感器、變送器、位置開關等）和驅動器接口設備（先導閥及其附屬接口繼電器，電動-啟動轉換器、驅動器、開關柜、電源設備等）。

◇1層，自動控制和保護層。包括負責不同反應堆監控系統的信號調制和處理設備。

◇2層，操作和管理信息層。包括可以使人員能夠操作反應堆（手動控制和信息手段），能夠監督反應堆狀態并對反應堆I&C實施運行服務的常規設備和計算機設備。

◇3層，全廠技術管理層。包括支持現場管理應用以及與場外設施通訊的計算機設備。

改造后的結構如圖2所示，主要由操作級、系統服務級、現場控制級設備、網絡通訊及其他設備構成。

1）操作級設備

主要包括工程師站、操作員站。

系統設置1臺工程師站（位于回路控制室）、1臺遠程操作員站（位于主控制）。

工程師站，用于軟件設計和管理人員對水冷同位素孔道冷卻回路系統進行軟件及系統運行的監督、控制和維護，還可以用于開發和調試操作員站軟件。其主要功能是對DCS進行組態，配置工作的組態軟件，在DCS運行過程中實時監視DCS網絡中各個節點的運行狀態，使系統工程師可以通過工程師站及時調整系統配置和修改設定參數。

工程師站功能包括：

①應用軟件組態與生成軟件

◇系統配置生成

◇實時數據庫生成

◇流程畫面生成

◇報表生成

◇控制算法、順序邏輯生成

②數據文件下載

③系統運算狀態的監視

操作員站，為系統的運行操作人員提供人機界面，使操作員可以通過操作員站及時了解反應堆的運行狀態，以及是否有異常事件發生等。

操作員站主要功能包括：

①監視和操作

◇日期、時間顯示

◇報警顯示

◇總貌顯示

◇流程畫面顯示

◇趨勢顯示

◇操作指示顯示

◇控制調節、參數整定

◇事件顯示

◇屏幕拷貝

◇表格日志查詢

◇自動和手動控制方式選擇

②打印功能

◇報表定時打印和手動打印

◇報警事件打印

◇操作記錄打印

2）系統服務級設備

系統設置1臺電源服務器柜。

原監控系統共有約70多個I/O測點，改造后的系統測點擴展到245個。由于現有廠房空間位置有限，監控系統在硬件配置設計中，必須將機柜數量控制在2臺，其中電源與服務器布置在1臺電源服務器柜中。

2臺服務器1用1備，完成實時數據庫及歷史數據庫的管理和存取、數據處理和通訊處理功能，以確保整個應用系統數據的高可靠性。每個服務器通過冗余的交換機連接到網絡，因此即使1個交換機出現故障將不會導致服務器數據的丟失。服務器采用現近、最新的、高性能國際知名品牌服務器，支持雙電源冗余供電，冗余磁盤陣列。

此2臺服務器具有通訊服務器、歷史服務器、計算服務器的功能，既能完成1、2層間的數據交換，又能整理并長期存儲歷史數據，還具備全局計算功能。

3）現場控制級設備

系統設置1套I/O現場控制站，配備冗余的數據處理單元，用于對水冷同位素孔道冷卻回路系統及相關供電母線及設備進行監測。

現場I/O控制站是完成對過程輸入輸出信號處理并實現數字控制的網絡節點。現場I/O控制站具備不依賴DCS其他部分獨立運行的能力，在DCS其他部分失效時，仍能對現場設備執行最基本的控制。

現場控制站主要完成下列功能：

◇數據采集

◇信號預處理

◇邏輯處理

◇控制算法運算

◇產生自動控制指令

◇通信

4）通訊網絡

網絡通訊設備用于連接監控系統中操作員站、工程師站、服務器、現場I/O控制站等設備。它采用1000M的Ethernet TCP/IP通訊協議，通過工業級光纖交換機連接形成冗余光纖網絡，滿足大量數據的高速傳輸和控制監測的要求，并且具備良好的開放性，以實現同其它系統的連接。

系統配備了適量的Modbus-RTU、Modbus-TCP通訊接入模塊以及配套通訊所需的轉換模塊（例如光轉RS485/RS232[5,6]轉換模塊、光纖接續盒等）備用。

5）其他設備

系統配置有打印機等外圍設備。

本監控系統在位于主控室的遠程操作員站上設置報警光子牌，用于對反應堆運行重要的信號報警。如果某種監測參數越限，立即觸發該類總軟光字牌報警。軟光字牌報警提供光報警、聲報警、消音、確認等相應功能。

3 結論

水冷同位素監控系統遵循盡可能保留原有控制策略，盡可能減少升級所花費的停工事件，盡可能降低升級后新系統所需的培訓成本[7]等原則，進行適應性改造。本系統采用分布式控制系統實現，具有可靠性[8,9]、開放性、可維修性及可擴展性，遵循核電站控制系統的單一故障、多樣性、獨立性、冗余性[10]等設計原則，完成熱工測量、靶件破損監測、電氣監控等系統數據的巡檢、顯示、報警、存儲，為系統異常運行趨勢進行預報和報警等，使運行人員能及時得到系統的各種數據，從而監視整個系統的運行狀態，保證運行人員方便而準確地完成期望操作。