核電站RGL系統棒位處理機柜冗余改造

李俊寧 劉永強

摘 要：文章針對目前部分在建及商運核電機組棒控和棒位系統（RGL）的棒位處理設備（PPE-Position Processing Equipment）設計方案進行了分析和研究，考慮機組安全穩定運行及運行技術規范的要求，對PPE機柜I/O機架進行冗余改進，避免了單一卡件故障導致同組控制棒的棒位信息丟失機組被迫后撤的風險。

關鍵詞：PPE機柜；棒位測量；改造

中圖分類號：TM623 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）21-0012-02

1 概 述

控制棒控制系統（RGL）作為主要的反應堆控制系統之一，其主要功能是根據電網負荷的變化，系統相應提升或插入控制棒調節堆芯的反應性，從而控制堆芯溫度和核功率。當反應堆處在穩定運行工況時，堆芯的反應性處在一個動態平衡狀態，反應性快變化由控制棒上下移動來補償；當反應堆處于非穩定運行工況時，控制棒控制系統還能在堆啟動階段把反應堆從零功率帶到滿功率以及在正常停堆階段執行停堆或在事故情況下緊急停堆，保護反應堆，保證堆芯安全。同時監視每一控制棒束在堆芯的位置，為操縱人員提供控制棒在堆芯的真實棒位。

而PPE（Position Processing Equipment）機柜是用來將PME（Position Measuring Equipment）機柜所測量的棒位信號進行處理后進行棒位失步功能的判斷，同時也將處理后的棒位顯示信號送給主控及后備盤進行棒位顯示。反應堆運行模式下，RGL系統的監視信號是反映機組棒位的信息載體，不僅影響自身的穩定運行，且對電站可用性存在一定的安全隱患。

2 PPE設備存在的問題及改造方案

目前，國內在建壓水堆核電站RGL系統由法國Rolls-Royce公司承制，主要由控制棒控制設備、棒位測量設備、控制棒驅動機構組成。其中PME機柜接收來自棒位探頭的連續信號，經專用卡件轉換為格雷碼的形式后送入PPE機柜，PPE將格雷碼轉換為棒位信息，同時進行棒位相關故障和報警判斷，送往主控進行顯示，簡要流程如圖1所示。

2.1 系統簡介

核電站RGL系統共有61個控制棒組件，共分為16個子棒組，每個子棒組有4個控制棒組件組成（SA2只有一個控制棒組件）。RGL控制設備負責控制棒的提插，同時對應有61個棒位探頭，每一個棒位探頭根據控制棒的位置產生相應連續的棒位信號，并將信號送入PME機柜進行處理，轉換為格雷碼的形式送入 PPE機柜，PPE機柜將棒位信息及相關報警送主控進行顯示。

2.2 改造前PPE機柜問題

PPE機柜由法國Rolls-Royce公司承制，采用施耐德的昆騰系列PLC，其CPU機架采用了主從冗余配置，同時有兩個遠程I/O機架接收來自PME機柜的棒位信號，未采取冗余配置，且存在同一子棒組的4根棒束信號同時送入同一個I/O卡件的問題，PPE機柜硬件配置，如圖2所示，棒位信號分配，見表1。

每個控制棒組件的格雷碼信號需要占用5個I/O通道，每個PLC的I/O卡件共有32個信號通道。I/O通道的分配存在以下幾個問題：

①PPE柜I/O卡件通道分配不合理：存在同一棒組的6根棒束棒位信號或同一子棒組的4根棒束棒位信號進入同一個I/O卡件的情況。這種情況下單一數字量輸入卡件故障可能會使同棒組中4-6束棒位測量信號失去，超出運行技術規范的要求。

②PPE柜的I/O機架中配置的電源模塊未實現冗余配置：如果單一電源模塊故障將導致整個機架的I/O卡件掉電，使RGL系統約一半的棒束棒位失去指示（其中對應IO機架1的棒束有33束，分別為溫度棒和停堆棒；對應IO機架2的棒束有28束，全為功率棒），超出運行技術規范的要求。

③PPE柜的I/O機架未實現冗余配置：由于PPE機柜的I/O機架未實現冗余配置，使得I/O機架任意卡件損壞均會出現同組中多束棒位信息丟失，超出運行技術規范要求。

④I/O卡件故障時，維修人員受故障分析、確認及處理等各階段因素影響，更換時間可能超出規定的機組后撤時間，存在機組被迫后撤的風險。

綜合上述幾點，認為此設計不符合單一故障準則的要求，存在較大的安全隱患。

2.3 改造方案

改造方案采用PPE新機柜替換原有機柜，并在原配置增加兩個I/O機架、相應卡件及端子排，調整柜內設備布局，但I/O卡件的棒位信號分配保持不變。來自PME機柜的棒位信號進入PPE機柜端子排后，通過信號并線的方式同時送入主從I/O機架，保持主從機架信息一致。

同時在邏輯中增加故障時主從I/O機架的切換功能和手動切換功能。以實現接受來自PME機柜的格雷碼棒位信號的輸入卡件冗余及IO機架電源冗余， 避免一個I/O卡件故障導致一個子棒組或一個棒組棒位信息丟失的情況出現，同時避免單一故障導致機組后撤的風險，同時滿足運行技術規范的要求。改造后PPE機柜硬件配置，如圖3所示。

3 改造可行性分析

3.1 改造項目內容

①重新設計、制造帶冗余I/O機架的PPE機柜。

②系統測試、安裝、調試等。

③軟件及文件升版。

④增加備件。

3.2 改造利弊

RGL系統供應商處于壟斷地位，改造對工程投資控制影響較大，但考慮到改造對機組的安全穩定運行有較大的貢獻，且對工程實施的質量和進度無較大影響，改造是否執行需要考慮。

優點：能確保在單一I/O卡件和電源卡模塊故障的情況下，不丟失任一棒束的棒位指示信號，可以降低機組后撤風險和解決超出運行技術規范要求的問題。同時在維修期間保證棒位信息不丟失，保證機組的安全穩定運行。

缺點：改造費用較大，改造流程及周期較長。由于機柜需要重新供貨，工期控制困難，存在延誤工期的風險。

3.3 改造經濟性

根據廠家提供的PPE機柜DI卡件的MTBF時間，單臺機組PPE機柜DI卡件的數量，并考慮故障后設備的維修時間，可以通過PSA軟件計算單臺機組改造的經濟性。

4 結 語

通過對核電站RGL系統PPE機柜冗余改造的實施，使棒位顯示功能有效滿足了核電機組單一故障準則的要求，避免了單一卡件故障造成的一系列影響系統和機組安全的問題，為機組長期的安全穩定運行提供了堅實的技術基礎。

參考文獻：

[1] 黃可東，張英，王華金，等.廣東嶺澳核電二期工程數字化棒控棒位系統 設計[J].核動力工程，2008，（2）.

[2] 雷晴.CPR1000_AP1000棒位指示和監測系統淺析[J].核動力工程， 2012.，（6）.