方家山核電工程核儀表系統(tǒng)改進(jìn)

王銀麗 羅 煒 陳 樂(lè) 李 高 楊戴博 沈 峰

（中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610041）

0 引言

核儀表系統(tǒng)通過(guò)設(shè)置在反應(yīng)堆壓力容器外的多個(gè)中子探測(cè)器來(lái)測(cè)量堆芯泄漏的中子注量率，以實(shí)現(xiàn)對(duì)反應(yīng)堆功率、功率變化率和功率分布的連續(xù)監(jiān)測(cè)，為操縱員提供堆芯裝料、停堆、啟堆和功率運(yùn)行期間的反應(yīng)堆狀態(tài)信息；同時(shí)在中子注量率及其變化超過(guò)安全分析確定的整定值時(shí)，向反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)提供用于反應(yīng)堆緊急停堆的信號(hào)。此外，核儀表系統(tǒng)還向反應(yīng)堆棒控棒位系統(tǒng)（RGL）提供控制聯(lián)鎖信號(hào)，向多樣化反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)（DAS）和堆芯控制系統(tǒng)（CCS）提供核功率信號(hào)。

與參考電站核儀表系統(tǒng)采用的模擬技術(shù)相比，秦山核電廠擴(kuò)建項(xiàng)目（方家山核電工程）核儀表系統(tǒng)機(jī)柜采用了基于Rolls-Royce Civil Nuclear 的SPINLINE 3 的數(shù)字化技術(shù)。下面從系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)、系統(tǒng)自檢及定期試驗(yàn)、經(jīng)驗(yàn)反饋等方面介紹方家山核電工程核儀表系統(tǒng)相對(duì)于參考電站的改進(jìn)情況。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

方家山核電工程核儀表系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。整個(gè)系統(tǒng)主要由8 支中子探測(cè)器、4 個(gè)保護(hù)機(jī)柜、1 個(gè)控制機(jī)柜和1 個(gè)LSS 機(jī)柜組成。

1.1 保護(hù)機(jī)柜

保護(hù)機(jī)柜由4 個(gè)基于SPINLINE 3 的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜組成，分別隸屬于4 個(gè)保護(hù)儀表組IP、IIP、IIIP、IVP。保護(hù)機(jī)柜IP、IIP 分別由SR、IR 和PR 信號(hào)調(diào)理和處理設(shè)備組成，保護(hù)機(jī)柜IIIP、IVP 分別由PR 信號(hào)調(diào)理和處理設(shè)備組成。與參考電站采用的模擬技術(shù)不同，方家山核電工程核儀表系統(tǒng)的信號(hào)處理功能由軟件完成，包括信號(hào)調(diào)理設(shè)備的信號(hào)的采集，計(jì)數(shù)率、中子倍增時(shí)間、中子注量率水平、功率水平、軸向功率偏差等參數(shù)的計(jì)算和處理，將相關(guān)參數(shù)與整定值進(jìn)行比較，并產(chǎn)生相應(yīng)的保護(hù)或控制邏輯信號(hào)。

數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用從一定程度上精簡(jiǎn)了設(shè)備配置，提高了保護(hù)通道的精度，但保護(hù)通道的響應(yīng)時(shí)間相比模擬技術(shù)要略慢些。對(duì)于RPN 送往反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)的核功率“局部脫扣”信號(hào)，為了滿足保護(hù)通道響應(yīng)時(shí)間的要求（分配給RPN 和反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)Tricon 設(shè)備的響應(yīng)時(shí)間只有200ms），每個(gè)信號(hào)在RPN 機(jī)柜側(cè)設(shè)計(jì)為4 路輸出，經(jīng)隔離分配后同時(shí)送至四個(gè)保護(hù)組對(duì)應(yīng)的多樣性子組，這種設(shè)計(jì)確保了每個(gè)保護(hù)組均直接從每個(gè)保護(hù)組RPN 機(jī)柜獲得了與RPN 探測(cè)器冗余度相對(duì)應(yīng)的“局部脫扣”信號(hào)，從而節(jié)約了由一個(gè)保護(hù)組的Tricon處理單元采集之后再轉(zhuǎn)發(fā)給其他三個(gè)保護(hù)組的響應(yīng)時(shí)間。

1.2 控制機(jī)柜

參考電站中控制機(jī)柜采用的是模擬技術(shù)，參數(shù)在控制機(jī)柜側(cè)的顯示通過(guò)切換開(kāi)關(guān)來(lái)選擇需要的參數(shù)，相關(guān)的報(bào)警邏輯則通過(guò)繼電器機(jī)架實(shí)現(xiàn)。方家山核電工程核儀表系統(tǒng)控制機(jī)柜采用數(shù)字技術(shù)后，由控制計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)保護(hù)通道的監(jiān)測(cè)和相關(guān)報(bào)警邏輯的處理，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信將核儀表系統(tǒng)用于主控制室信息顯示、記錄、報(bào)警的信息送至DCS，具備24h 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)保護(hù)，同時(shí)管理源量程計(jì)數(shù)率的音頻輸出，并提供良好的人-機(jī)接口（HMI）功能，簡(jiǎn)化設(shè)備的同時(shí)大大提高了設(shè)備的可用性和操縱人員的可操作性。

參考電站中，LSS 機(jī)柜僅在主控制室配置有一套顯示器和鍵盤(pán)，送往主控制室的監(jiān)測(cè)信息均通過(guò)布置在臺(tái)盤(pán)上的專用顯示、記錄和報(bào)警設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)，同時(shí)在臺(tái)盤(pán)上設(shè)置有允許修改LSS 機(jī)柜內(nèi)部參數(shù)的鑰匙開(kāi)關(guān)。方家山核電工程中LSS 機(jī)柜就地和主控制室均設(shè)置了顯示器和鍵盤(pán)，便于信息的監(jiān)測(cè)和設(shè)備的維修，LSS 機(jī)柜內(nèi)部參數(shù)的修改通過(guò)在軟件中設(shè)置相應(yīng)的操作權(quán)限即可進(jìn)行。

同時(shí)主控制室設(shè)計(jì)采用數(shù)字化儀控平臺(tái)后，LSS 機(jī)柜送往主控制室的監(jiān)測(cè)信息均集成在DCS 系統(tǒng)中，并設(shè)計(jì)有專門(mén)的監(jiān)測(cè)畫(huà)面，精簡(jiǎn)主控制室的設(shè)備的同時(shí)提高了操縱人員的可操作性。

1.3 維護(hù)設(shè)備

相比參考電站，本項(xiàng)目核儀表系統(tǒng)還設(shè)計(jì)有專用的維修試驗(yàn)裝置（MTE）和就地顯示單元（LDU）。MTE 主要由工控計(jì)算機(jī)、輸入/輸出板卡、電流/脈沖信號(hào)發(fā)生器、顯示器、鍵盤(pán)鼠標(biāo)和打印機(jī)組成，用于核儀表系統(tǒng)保護(hù)通道的定期試驗(yàn)、探測(cè)器的曲線繪制以及高壓和甄別閾值等的定值調(diào)節(jié)，MTE 的使用使得定期試驗(yàn)的操作簡(jiǎn)單化。LDU 是一臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)的筆記本電腦，用于執(zhí)行與保護(hù)通道安全級(jí)軟件相關(guān)的任務(wù)，包括連接通道軟件的識(shí)別、軟件故障的查看、軟件變量和參數(shù)的顯示、軟件參數(shù)的修改、描述文件的裝入、log 事件的查閱等。

2 系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)

與參考電站不同，方家山核電工程數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用，使得RPN 系統(tǒng)的內(nèi)、外部信號(hào)接口設(shè)計(jì)不再只采用單一的硬接線技術(shù)，同時(shí)采用了網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。其中，RPN 保護(hù)機(jī)柜與RPN 控制機(jī)柜之間的內(nèi)部信號(hào)連接采用光纖通信Nervia 網(wǎng)，RPN 保護(hù)機(jī)柜與外部系統(tǒng)機(jī)柜之間的信號(hào)連接采用硬接線，RPN 控制機(jī)柜與外部系統(tǒng)機(jī)柜之間的連接采用RS485 串口通信和硬接線。

（1）光纖通信Nervia 網(wǎng)。由于RPN 控制機(jī)柜對(duì)信號(hào)的響應(yīng)時(shí)間要求不高，故采用光纖Nervia 網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，且數(shù)據(jù)只由RPN 保護(hù)機(jī)柜流向RPN 控制機(jī)柜，滿足隔離要求，保證控制機(jī)柜的故障不會(huì)影響保護(hù)機(jī)柜功能的實(shí)現(xiàn)，同時(shí)極大地減少了保護(hù)機(jī)柜和控制機(jī)柜之間連接電纜的數(shù)量。

（2）RS-485 串口通信。同樣針對(duì)信號(hào)的接收方對(duì)響應(yīng)時(shí)間要求不高的情況，外部系統(tǒng)所需數(shù)據(jù)經(jīng)網(wǎng)關(guān)送入電廠總線網(wǎng)絡(luò)，目標(biāo)系統(tǒng)從電廠總網(wǎng)線上獲取所需的信息。如從RPN 控制機(jī)柜和LSS 機(jī)柜送往主控制室電廠計(jì)算機(jī)和控制系統(tǒng)（KIC）進(jìn)行顯示和報(bào)警的信號(hào)。

（3）硬接線。主要針對(duì)對(duì)信號(hào)響應(yīng)時(shí)間要求高、信號(hào)接收方無(wú)法與RPN 系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信或信號(hào)數(shù)量很少的情況。如由于緊急停堆信號(hào)響應(yīng)時(shí)間要求高，RPN 送往邏輯保護(hù)系統(tǒng)（RPR）用于緊急停堆的信號(hào)采用了硬接線連接。對(duì)于硬接線傳輸?shù)男盘?hào)，在RPN 保護(hù)機(jī)柜側(cè)均設(shè)計(jì)有隔離輸出模塊，以確保信號(hào)接收設(shè)備的故障不會(huì)對(duì)RPN 保護(hù)機(jī)柜產(chǎn)生影響。如對(duì)于開(kāi)關(guān)量信號(hào)，在RPN 側(cè)設(shè)計(jì)為電磁繼電器輸出，以實(shí)現(xiàn)與信號(hào)接收設(shè)備的電氣隔離。

3 系統(tǒng)自檢和定期試驗(yàn)

作為核電廠安全儀控系統(tǒng)，為檢驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)備的可用性，必須對(duì)核儀表系統(tǒng)的功能和性能進(jìn)行檢查。由于本項(xiàng)目采用了數(shù)字化技術(shù)，相比參考電站，在系統(tǒng)故障檢測(cè)（含自檢和定期試驗(yàn)）方面存在一些變化。

3.1 自檢

參考電站采用的是模擬技術(shù)，系統(tǒng)提供的自檢能力很少，設(shè)備部件的運(yùn)行狀態(tài)主要通過(guò)就地的二極管指示燈來(lái)識(shí)別。

由于本項(xiàng)目采用了數(shù)字技術(shù)，核儀表系統(tǒng)通過(guò)信號(hào)處理單元采集設(shè)備部件自身產(chǎn)生的邏輯狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行狀況的自檢，并將相關(guān)報(bào)警和監(jiān)測(cè)信息通過(guò)Nervia 網(wǎng)送往控制機(jī)柜，使得下列核儀表系統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)通過(guò)系統(tǒng)的在線自檢即可識(shí)別：

當(dāng)檢測(cè)到部件故障時(shí)，系統(tǒng)將產(chǎn)生故障安全輸出，同時(shí)發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警信號(hào)。維修人員根據(jù)控制機(jī)柜產(chǎn)生的報(bào)警信號(hào)，并結(jié)合系統(tǒng)運(yùn)行維修手冊(cè)，即可完成設(shè)備的故障診斷。

3.2 定期試驗(yàn)

對(duì)于在線自檢不能覆蓋的部分，則需要通過(guò)定期試驗(yàn)的方式進(jìn)行檢驗(yàn)。

參考電站中，核儀表系統(tǒng)定期試驗(yàn)需借助安裝在保護(hù)機(jī)柜內(nèi)的相應(yīng)的信號(hào)發(fā)生器來(lái)完成，維修人員通過(guò)測(cè)量相應(yīng)的信號(hào)輸出來(lái)逐一判斷試驗(yàn)結(jié)果是否滿足要求。

由于本項(xiàng)目采用了數(shù)字技術(shù)，定期試驗(yàn)主要通過(guò)使用專用的維修試驗(yàn)裝置（MTE）來(lái)進(jìn)行。試驗(yàn)時(shí)，只需將MTE 通過(guò)Nervia 網(wǎng)連接到相應(yīng)的試驗(yàn)通道上，通過(guò)人機(jī)接口操作即可完成試驗(yàn)，試驗(yàn)完成后MTE自動(dòng)產(chǎn)生試驗(yàn)結(jié)果報(bào)告，維修人員通過(guò)查看試驗(yàn)報(bào)告即可判斷試驗(yàn)是否滿足要求。

定期試驗(yàn)內(nèi)容主要包括：探測(cè)器試驗(yàn)、信號(hào)調(diào)理單元試驗(yàn)、信號(hào)處理單元試驗(yàn)、系統(tǒng)信號(hào)輸出及與外部系統(tǒng)連接電纜試驗(yàn)及外部系統(tǒng)輸入信號(hào)的連接電纜試驗(yàn)。

4 經(jīng)驗(yàn)反饋

4.1 中間量程探測(cè)器輸出信號(hào)量程切換問(wèn)題

中間量程探測(cè)器輸出電流信號(hào)范圍為（10-11～10-3）A，為滿足如此寬量程信號(hào)線性測(cè)量的需要，中間量程信號(hào)調(diào)理設(shè)備設(shè)計(jì)了一個(gè)電流/電壓（I/U）轉(zhuǎn)換裝置，通過(guò)自動(dòng)切換量程來(lái)跟蹤電流信號(hào)的變化，將輸入的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成（0～10）V 電壓輸出信號(hào)。設(shè)計(jì)中共設(shè)置有7 個(gè)量程檔位，中間量程探測(cè)器輸出電流的計(jì)算公式則為：電流（A）=輸出電壓（V）/10(11-量程檔位)（Ω）。

為避免量程切換過(guò)程中由于電流的誤計(jì)算而導(dǎo)致信號(hào)的誤觸發(fā)，在中間量程的信號(hào)處理軟件設(shè)計(jì)中對(duì)電流信號(hào)的有效性進(jìn)行了管理。軟件設(shè)計(jì)中對(duì)量程的有效性、量程切換所需的時(shí)間（含相關(guān)卡件的延遲時(shí)間）、計(jì)算處理軟件的周期、信號(hào)處理設(shè)備是否故障等進(jìn)行了充分考慮，在未完成量程切換時(shí)輸出電流保留上一個(gè)值。

4.2 部分定值可調(diào)節(jié)范圍過(guò)小問(wèn)題

參考電站中，核儀表系統(tǒng)相關(guān)的定值調(diào)節(jié)是通過(guò)在機(jī)柜側(cè)調(diào)節(jié)電位器實(shí)現(xiàn)的，中間量程緊急停堆定值、C1、功率量程緊急停堆高定值、C2 的可調(diào)節(jié)范圍分別為（5～30）%FP、（5～25）%FP、（50～120）%FP、（75～120）%FP。

在方家山核電工程中，采用了數(shù)字化技術(shù)，核儀表系統(tǒng)相關(guān)的定值調(diào)節(jié)是通過(guò)連接就地顯示單元（LDU）修改參數(shù)實(shí)現(xiàn)的。在調(diào)試中發(fā)現(xiàn)，上述定值的調(diào)節(jié)下限設(shè)置的過(guò)高，且中間量程緊急停堆定值、C1的調(diào)節(jié)上限設(shè)置的過(guò)低，不滿足啟堆過(guò)程中的定值調(diào)節(jié)要求。在本電站中對(duì)中間量程緊急停堆定值、C1、功率量程緊急停堆高定值、C2 的可調(diào)節(jié)范圍分別調(diào)整為為（0～100）%FP、（0～100）%FP、（0～120）%FP、（0～120）%FP，并要求設(shè)備供貨商對(duì)相應(yīng)的軟件參數(shù)進(jìn)行了相應(yīng)的修改。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文簡(jiǎn)述了核儀表系統(tǒng)的功能和結(jié)構(gòu)，同時(shí)將本系統(tǒng)及設(shè)備與參考電站進(jìn)行了差異對(duì)比，對(duì)本系統(tǒng)相關(guān)的設(shè)備和設(shè)計(jì)改進(jìn)情況進(jìn)行了較為全面的總結(jié)，通過(guò)采取必要的改進(jìn)使得設(shè)計(jì)更為合理，系統(tǒng)的功能得以更好實(shí)現(xiàn)，希望能對(duì)今后本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)起到很好的借鑒作用。