壓水堆水壓試驗超壓保護系統的設計與應用

胡文正，張益林，郭 偉

(中廣核研究院有限公司，廣東 深圳 518116)

壓水堆水壓試驗超壓保護系統的設計與應用

胡文正，張益林，郭 偉

(中廣核研究院有限公司，廣東 深圳 518116)

根據我國核安全法規要求，壓水堆核電機組一回路邊界在水壓試驗期間承受的最大壓力約為功率運行工況下的1.33倍。為控制壓水堆核電機組一回路水壓試驗過程中的系統超壓風險，必須由超壓保護裝置提供相應的保護功能，以確保試驗期間壓力可控。傳統方案多采用外置的控制系統來實現，在實際應用中存在增加儀控設備接口、維護工作量大等缺點。隨著數字化技術在核電領域的廣泛應用，傳統方案已不適用于新建核電機組。為此，提出了一套基于核電機組數字化儀控系統平臺的一回路超壓保護系統。該系統有效結合了數字化儀控平臺的特點，具有人機界面豐富、可實現多重冗余保護等優點。該系統已在某核電機組首次大修中得到了應用，應用結果表明，該系統避免了傳統方案的缺點，可操作性強且可靠性高，具有很高的推廣價值。

新能源； 核電站； 壓水堆； CPR1000; 數字化儀控平臺； 水壓試驗； 超壓保護

0 引言

根據核安全法規 RCC-M的相關要求，核電站在工程建設階段和投產后必須執行一回路水壓試驗[1-2]，而試驗過程中面對的最大風險就是一回路超壓。超壓輕則使一回路出現破口，損壞邊界；重則影響一回路主要設備的使用壽命。在數字化儀控系統普及應用于核電廠之前，傳統超壓保護功能的實現多采用模擬技術或PLC，需要額外配置相應的儀控系統，如控制模塊、I/O模塊等，但與核電站本身的控制系統不兼容[3-4]。隨著數字化儀控平臺在二代及三代核電機組中的大規模應用[5]，通過全廠數字化儀控平臺來實現超壓保護功能已成為一種可能，基于數字化儀控平臺實現壓水堆超壓保護功能的方案能有效解決上述問題。

1 超壓保護系統組成和工作原理

超壓保護系統工作流程如下。

①一回路水壓試驗開始前，調試超壓保護系統，準備投入超壓保護功能。試驗期間，需要隨時監測壓力，主控室大屏幕提供了實時壓力監視畫面、聲光報警、閾值切換的人機接口。

②升壓階段。在壓力達到15.4 MPa前，調整保護定值為17.2 MPa，超出定值執行停止升壓及泄壓指令。

③水壓上行至17.2 MPa，升壓前調整保護定值為19.2 MPa。

④水壓繼續上行至20.6 MPa，升壓前調整保護定值為20.64 MPa。

⑤在完成20.6 MPa平臺各項檢查等試驗項目后，進入降壓階段。參考步驟③、步驟④，分別調整保護定值至19.2 MPa、16.8/17.2 MPa。

⑥水壓試驗結束，退出超壓保護。

超壓保護系統配置如圖1所示。

圖1 超壓保護系統配置圖

圖1中，①為系統自帶的高精度活塞式壓力計,用于提供標準壓力比對；②為系統自帶的差壓式壓力傳感器，用于測量一回路壓力與標準壓力差值；③為系統自帶的靜壓式壓力傳感器，用于測量一回路壓力；④為額外添加的靜壓式壓力傳感器，具有寬量程，用于水壓試驗期間一回路壓力檢測和監視；⑤為額外添加的靜壓式壓力傳感器，具有窄量程，用于水壓試驗期間一回路壓力檢測和保護；⑥為額外添加的就地顯示壓力計，用于就地顯示測量的壓力；⑦為系統自帶的泄壓閥，用于執行一回路泄壓；⑧為系統自帶的升壓泵，用于執行一回路升壓；⑨、⑩分別為額外添加的就地記錄儀及額外添加的主控記錄儀。

其中，從靜壓式壓力傳感器④、⑤去往LEVEL1的2個輸入通道用于輸入模擬量，從LEVEL1去往就地記錄儀⑨及主控記錄儀⑩的2個輸出通道用于輸出模擬量，而從LEVEL1去往泄壓閥⑦、升壓泵⑧的2個輸出通道用于輸出開關量。

2 超壓保護系統的設計

由于壓水堆一回路水壓試驗超壓保護系統是一種臨時裝置(每十年大修時使用一次)，故在機組整體設計時未設計試驗專用的儀表以及相應的貫穿件通道；而控制邏輯、操作畫面也需要單獨設計和實現。因此，設計要求基于核電機組大修低低水位的工作窗口，在不破壞原有DCS平臺功能的基礎上，實現超壓保護功能。

2.1 軟件設計

在軟件設計方面，要考慮實現超壓保護功能所需的控制邏輯、人機界面、數據庫參數配置等。

2.1.1 數據庫I/O點設計

基于參與超壓保護功能的儀表和執行機構數量，列出I/O清單，并結合DCS機柜功能分配原則，選取合適的機柜進行硬件配置。同時，根據各個儀表信號參與的保護、報警等功能，設置相應的閾值。超壓保護系統I/O清單如表1所示。

表1 超壓保護系統I/O清單

超壓保護定值清單明確了信號的報警、保護動作定值。在升壓過程中，當壓力在某個平臺超出閾值后，即輸出報警和保護動作，實現超壓保護功能。以RCP016MP為例，該壓力變送器測量的是一回路壓力值和以RCP017LP為代表的標準值。在206 bar平臺，當RCP016MP輸出為0 bar時，系統進行聲光報警，提示壓力已達到試驗要求值，不能再繼續升壓；當RCP016MP輸出為40 bar時，系統自動開啟RIS124VP進行泄壓操作，避免系統超壓。

2.1.2 邏輯組態設計

邏輯組態設計主要實現的功能包括:將對應閾值判斷結果傳遞到相應執行機構，以及各閾值保護功能的投入和切除。

一回路水壓試驗過程中，在一回路壓力達到不同的壓力值之前，閾值需要隨著壓力的升高而逐漸切換到較高閾值；降壓階段與此相反。在邏輯組態中引入功能切換模塊，以實現不同壓力平臺下的閾值切換。例如，在一回路壓力上升階段，當壓力在154 bar以下時，保護設定值為168 bar；當壓力上升至206 bar時，保護設定值變為206.4 bar和209 bar。因此，在一回路壓力已經達到154 bar并完成相應平臺操作、繼續提升壓力前，提前切除168 bar的保護，并投入206.4 bar和209 bar的保護。在邏輯組態中實施以上組態后，操作員即可在主控室操作員站一鍵完成相應操作。

2.1.3 畫面組態設計

畫面組態設計任務是為主控室操作員提供一回路水壓試驗期間的壓力監視、保護功能投切、手動控制等功能。上述功能可通過利用平臺的數據庫，在數據庫中進行定義和關聯相應的I/O點，并使用繪圖軟件設計相應畫面來實現。

2.2 硬件設計

2.2.1 I/O設備規模

超壓保護需要多個冗余的壓力表來測量壓力，并輸入控制器參與保護邏輯。為確保測量參數可信，設計了就地壓力計和遠傳壓力傳感儀表；選用不同的測量范圍，窄量程實現保護，寬量程用于顯示。基于上述需求來確定需要參與保護系統的儀表和泵閥門的數量及其地理位置、系統的I/O點數，包括模擬量I/O信號、開關量I/O信號以及各類型信號的數量等。先確定參與超壓保護的儀表和閥門泵組的數量，計算出需要配置的硬件I/O規模如下:模擬量輸入通道2個、模擬量輸出通道2個、開關量輸出通道2個(上述通道均取自核電站數字化儀控系統機柜內設備)；泄壓閥門及升壓泵采用核電站系統自帶設備；臨時壓力變送器2臺(取自核電站試驗專用儀表)。

2.2.2 遠傳信號電纜路徑布置

按常規方法，核島電纜路徑設計是在主電纜橋架布置圖和次電纜橋架指導圖的基礎上，依據系統電纜表使用專用軟件進行的，其涉及到土建結構、機械力學等多專業配合[6]。信號一般經電纜橋架、防火封堵、電氣貫穿件后才能從核島內傳遞至核島外，在工程土建施工階段此方法具有一定可行性；但機組商運后此方法對周圍已投運的設備影響較大，在電纜敷設接近超容的情況下，增加試驗電纜存在一定的難度[7]。因此，考慮相應的優化措施。

DCS信號電纜路徑的布置優化需要充分考慮機組DCS機柜在電氣廠房的分布。經實地勘察，對信號電纜路徑設計的目的和難點進行了分解，主要有兩大類：一是跨廠房的信號電纜，如電氣廠房的信號機柜和核島廠房的就地變送器之間，需要經過貫穿件；二是同一廠房跨樓層的信號電纜，如電氣廠房的機柜間和主控室之間，需要經過多扇防火門。采取借用通道的措施可解決上述難點。對試驗用設備附件的設備信號電纜進行臨時轉接，包括島內電纜和島外電纜，即可實現無需額外經貫穿件走線，確保防火門的完整性。

2.3 就地儀表布置與安裝

試驗期間，就地儀表實現的功能包括一回路壓力信號的采集(包括遠傳與就地顯示)、一回路壓力標準壓力源的操作與控制、信號就地的敷設、成品保護措施等。其中壓力變送器的遷移和安裝直接關系到壓力測量的精準度。

由于壓力變送器的安裝位置和壓力取樣點不在同一水平面上，存在一定的壓差，因此根據壓力測量原理，需要對變送器進行遷移和校準。遷移量與儀表實際安裝位置有關。如基于臨時安裝高度需要調整的液柱高度為14.6 m，根據一回路水的密度、重力加速度可計算出遷移量為0.143 MPa，即儀表測量顯示的值減去0.143 MPa才是一回路真實壓力。

3 應用案例

由于一般工業用分布式控制系統均具有控制的分散性、配置的靈活性以及組態的便利性等特點[8]，且目前國內CPR1000壓水堆核電機組所采用的數字化儀控平臺也具有類似的功能，因此紅沿河1號機組具備實施超壓保護裝置功能的基礎條件。選擇參與超壓保護儀表信號相對集中的控制站作為邏輯下裝控制站，能減少柜間電纜數量、長度，降低對大修期間其他工作的交叉作業影響，使組態設計和硬件改動量盡量小。相關的信號采集和輸出均來自該控制站，未產生柜間通信信號，有效減少了電纜數量；對該控制站所控制的設備(主要是執行機構)和聯鎖邏輯進行了梳理，并進行了風險分析和隔離措施；在完成隔離措施后進行控制器的清空下裝，下裝過程未對機組設備狀態造成影響；在信號端接通過程中，提前梳理電氣廠房至反應堆廠房間的電纜路徑，通過借用通道的方式，有效避免了專用電纜的額外敷設。針對采用數字化儀控技術的電廠，設計了多重保護定值、保護驅動設備以及多樣化顯示設備，排除了數字化系統中出現共因失效[9]的可能性。以上工作均在水壓試驗開始前完成，無需占用大修關鍵路徑；在某機組商運后的首次水壓試驗期間，超壓保護裝置運行正常，未產生誤動和拒動，為水壓試驗的順利實施打下了堅實基礎。

4 結束語

本文對大型壓水堆超壓保護系統的設計需求進行了分析研究，基于數字化儀控平臺開發出了超壓保護系統設計方案，利用電站數字化儀控平臺的資源實現了超壓保護裝置功能，大大減少了超壓保護裝置規模和工作量；無額外的設備購置費用，工期可控，具有很強的可操作性和經濟性。該方案避免了水壓試驗超壓保護裝置作為一種臨時裝置需要重復設置、長期維護的問題，具有實時監控、多重冗余保護、多樣性保護手段、免維護等特點。多次機組大修水壓試驗的應用情況表明：該方案安全可靠、可操作性強，應用效果良好，在項目資金、人力、工期等方面的投入優于傳統方案，為同類型機組的超壓保護系統設計提供了參考。

[1] 步偉東.方家山核電工程一回路主設備役前檢查實施優化[J].中國核電，2016,9(1):71-75.

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[3] 章旋,涂豐盛,曹建亭.核電站儀控系統數字化改造方案分析[J].自動化儀表,2007,28(6):45-47.[4] 黃衛剛,戴忠華,張睿瓊.大亞灣核電站電氣和儀控設備國產化道路探索[J].核動力工程，2007,28(5):110-112.

[5] 張云波，谷鵬飛，王忠秋，等.以人為本的核電站數字化人機界面設計研究[J].自動化儀表,2014,35(12):46-48.

[6] 陳智,游建偉.秦山核電二期工程核島電纜敷設設計實踐[J].核動力工程，2003,24(2):201-202.

[7] 梁玲,周葉翔，田亞杰，等.數字化儀控通道相應時間定期試驗設計[J].自動化儀表，2015,36(11):14-16.

[8] 劉琳，丁伯才.分散控制系統在核電廠的應用[J].中國新技術新產品，2016(20):18-19.

[9] 毛從吉，毋琦.從安全審評角度看核電站數字化儀控設計[J].自動化儀表，2012,33(7):39-41.

Design and Implementation of the Overpressure Protection Systemfor Hydrostatic Test of Pressurized Water Reactor

HU Wenzheng，ZHANG Yilin，GUO Wei

(China Nuclear Power Technology Research Institute Co.,Ltd.,Shenzhen 518116,China)

In accordance with the nuclear safety regulations of our country,during hydrostatic test,the maximum bearable pressure of the primary loop of the pressurized water reactor(PWR) unit shall be about 1.33 times of that of under normal operation.In order to control the overpressure risk of the system in hydrostatic test,relevant protection function shall be provided by certain overpressure protection device to guarantee the pressure in test period controllable.In traditional scheme,mostly the external control system is used,while I&C interfaces have to be added to bring more maintenance efforts.With the development of the digitized technology and applied in nuclear power field,traditional scheme is no longer suitable for new built units,thus the primary loop overpressure protection system based on a platform of digital I&C technology is proposed.The system integrates the characteristics of digital I&C platform,and has the advantages of rich man-machine interface and multiple redundant protection.The system has been applied in the first overhaul of a certain nuclear power plant.Practice shows that the system avoids the shortcomings of the traditional scheme,features high operability,reliability,and high promotional value.

New energy; Nuclear power plant; Pressurized water reactor; CPR1000; Digital I&C platform; Hydrostatic test; Overpressure protection

胡文正(1985—)，男，學士，工程師，主要從事核電儀控系統的研發和應用工作。E-mail:summer20008@163.com。

TH812;TP272

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201706024

修改稿收到日期:2017-01-12