重水堆核電廠主控窗報系統卡件國產化的良好實踐

黃 穎 鄖綺雯 徐海心

（中核核電運行管理有限公司，浙江嘉興314300）

0 引言

中核運行秦山重水堆核電廠主控室報警系統單臺機組共有380個核心報警信號，用以監測電站重要系統及設備的運行狀態，把現場異常狀態和主控室盤臺手動開關處于非正常位置的狀態通過對應的聲光報警表現出來，提醒操縱員根據報警響應進行相關操作。

系統原設計采用美國RONAN公司的SS2771系列報警裝置，兩臺機組共配置報警卡926塊、濾波卡38塊、驅動卡38塊、不一致卡76塊。由于該系統沒有冗余設計，加之重水堆核電站在大修期間堆芯始終有核燃料，主控操縱員必須時時監控機組的狀態，一旦主控窗報系統出現整體老化共模失效，將嚴重影響操縱員對現場系統和設備的風險管控，對保障機組安全穩定運行帶來不可估量的后果。為了提高電站設備的可靠性，秦山重水堆核電廠對主控報警窗系統的相關板卡進行了國產化改造。經過秦山重水堆核電廠儀控科和中科華核電技術研究院有限公司北京分公司歷時三年多的共同設計開發和調試試驗，首批及第二批國產化卡件（報警卡18塊、濾波卡3塊、驅動卡3塊、不一致卡5塊）已在秦山重水堆核電廠連續試運行兩個大修周期（4年），目前故障率為零。

1 主控報警窗系統運行特點

系統由背面帶有標示牌的燈箱、操作按鈕以及安裝于主控設備間的邏輯框架和卡件（報警卡、驅動卡、濾波卡、不一致卡）組成，現場觸點報警的產生和控制過程有特定的次序。

1.1 主控室窗報系統運行基本原理

報警卡件持續監測就地觸點狀態的改變，并為聲光指示提供驅動信號。卡件由外部無調節電源48 V直流電源供電，所有的按鈕控制信號包括ACKNOWLEDGE、SILENCE、RESET、TEST，在到達報警卡件之前都先經過“FILTER”MODULE（濾波卡件）和“FLASHER/HORN DRIVER”MODULE（驅動卡件）。同時，進入報警卡件的還有現場邏輯信號以及從FSFF來的快閃和慢閃信號。卡件工作原理圖如圖1所示。

驅動卡件為系統提供多重閃爍信號，它包括四個CMOS震蕩器，其中兩個慢頻、兩個快頻，通過兩個快閃的紅色LED和兩個慢閃的綠色LED來檢測。驅動卡件提供頻率信號給報警卡件，當報警信號來之后，經過邏輯處理、比較后，產生閃爍信號AL，經驅動卡件到主控室報警窗。

圖1 窗口報警系統工作原理圖

每24塊報警卡件組成一個報警機架，每一個機架有一個驅動卡件。它將閃爍及控制信號處理后輸送到報警總線，同時提供聲音報警繼電器驅動。當報警信號經過處理產生閃爍信號的同時也產生了聲音報警信號A1或A2。聲音報警信號經過驅動卡件驅動，再經過濾波卡濾波后到達TONE GENERATER（音調發生器）產生音調，再經過放大器，最終形成喇叭報警聲音。

1.2 窗報系統報警響應過程

報警系統分為開報和閉報兩種，當現場觸點狀態發生改變，則觸發報警，報警窗將快速閃爍，報警聲音響起。當報警產生后，按下“SILENCE”按鈕，報警聲音被消除，此時，報警處于消音狀態。然后按下“ACKNOWLEDGE”鍵，如果現場觸點、依然處于非正常狀態，則報警處于確認狀態，在此狀態下，報警燈常亮，報警聲音消除。

當現場觸點狀態恢復正常之后，報警燈慢閃，報警聲音間歇響起。按下“SILENCE”和“ACKNOWLEDGE”按鈕，這時，報警窗慢閃，喇叭聲消音。最后按下“RESET”按鈕，報警燈光及報警聲音均消除，報警窗進入正常狀態。

2 報警窗系統近幾年故障

隨著系統卡件持續運行時間超過系統維修手冊建議的10年使用壽命周期，誤報、報警后不能正常復位等故障有逐年增多的趨勢。

2.1 窗報系統報警卡件故障

窗報系統最常見故障就是報警卡故障，具體常見現象如下：

（1）報警出現時，對應的光字牌報警，但相對應的CI報警沒有出現；

（2）報警出現時，對應的CI報警報警，但相對應的光字牌沒有出現；

（3）相對應的CI報警沒有出現，窗報出現瞬間報警；

（4）做窗報試驗時，對應的光字牌沒有出現快速閃爍—慢閃—燈滅的過程，光字牌一直保持燈“滅”狀態（燈泡完好的前提下）；

（5）做窗報試驗時，有窗口與其他窗口響應不一致。

處理以上故障時，要先明確對應的報警卡件是“常開”卡板還是“常閉”卡板，然后短接或斷開卡件輸入端端子（常開：短接；常閉：斷開），改變觸點狀態，觀察光字牌的狀態是否翻轉，如果狀態沒有翻轉，就可判斷出該報警卡件損壞。對以上故障更換下的卡件進行外觀檢查，發現板卡上有電子元件過熱的現象。

2.2 系統驅動卡件和濾波卡件故障

驅動卡件提供頻率信號給報警卡件，當報警信號來之后，經過邏輯處理、比較后，產生閃爍信號AL，經驅動卡件驅動到主控室報警窗。信號經過驅動卡件驅動后，經過濾波卡濾波到達TONE GENERATER產生音調，再經過放大器最終形成喇叭報警聲音。

（1）做窗報試驗時，某一排機架對應的24個光字牌出現閃爍故障（正常閃爍過程為“快速閃爍—慢閃—燈滅”）。

（2）做窗報試驗時或者單獨報警出現時，主控會伴有聲音報警，來提醒操縱員有報警發出，正常按下“SILENCE”按鈕，報警聲音不能消除。

以上故障都是因為驅動卡元件老化造成。

2.3 窗報系統不一致卡件故障

不一致報警功能主要檢查電站主控室盤臺重要手動開關是否在正確位置，其主要適用于手動開關在不正確位置將對電站的安全性和可靠性產生直接影響的系統。主控室操作員進行控制盤目視檢查時，不一致指示燈亮可以提醒有異常狀況。

故障現象如下：當設備現場運行狀況和主控手動開關不一致時，不一致燈亮，但沒有聲音報警。

綜合近幾年報警窗系統運行情況，卡件誤報、報警后不能正常復位等故障有逐年增多的趨勢。但原卡件采購費用高、周期長，一次性更換所有過期卡件的費用非常巨大，目前采用卡件故障后再更換的維修策略，這種維修策略在一定程度上給主控室操縱員對現場異常狀況的掌控造成了困擾。

3 報警窗系統改造原由

3.1 溫度高加速元器件老化

系統維修手冊建議報警卡、驅動卡、濾波卡、接地卡等卡件的使用壽命為10年，報警窗系統自安裝調試以來多次出現報警卡件故障，特別是在系統調試期間，電站空調系統沒有投用，本系統存在機柜內沒有通風扇等冷卻裝置的設計缺陷，造成系統邏輯卡件長時間運行溫度高于設計限值60℃，加速了卡件元器件的老化。

3.2 采購費用高

由于系統卡件由美國RONAN公司生產，采購費用高且周期長，不具備一次性更換所有已到設計壽命卡件的條件，只能通過卡件故障后再更換的方式逐一進行。

3.3 利用率高，沒有冗余

本系統利用率極高，包括每天至少3次的窗報試驗和不確定次數的電站報警，這些動作必然會對整個系統造成沖擊。而且現系統無冗余設備，一旦出現系統失效，電站將喪失主控報警功能，給運行人員判斷現場故障造成困難。現階段，進行本系統整體預防性維修時將喪失全部或部分窗口報警，給運行人員的工作造成極大困擾，運行人員針對此弊端也多次提出過變更要求。

4 卡件制作及安裝調試

調研當前國內外類似功能的報警系統，比較先進的控制方式是計算機控制，單體設備國產化方式并不是最先進的控制技術。但由于重水堆不停堆換料，在大修期間堆芯依然有燃料，需要使用主控室報警系統時刻關注機組異常狀況，而秦山重水堆核電廠主控室報警系統無冗余裝置，若采用將系統升級為計算機控制的方式，系統不可用時間保守估計大約為20天，這無疑將對機組的安全造成威脅。采用單體設備國產化的方式，可以大大減少系統改造投資，也可以縮短更換時間。研制國產化主控報警系統報警卡、濾波卡、驅動卡、不一致卡，可以降低電廠運營成本，提高維修人員的維修技能。

歷時兩年的研制，廠家根據技術規格書的要求，制作了符合要求的卡件，并進行了老化試驗、各種功能和性能測試及長期穩定性試驗，然后交付秦三廠進行離線測試。在大修期間，選擇PL10盤的部分報警窗口進行國產化卡件在線測試；之后選擇試驗通道進行長周期在線試驗。

4.1 國產化卡件在線測試

將選中的待驗證通道報警卡件打到“DISABLE”狀態后，拔出報警卡件。觀察板卡FC跳線狀態，其中跳線為“NC”則為開報，跳線為“NO”則為閉報。先確認待驗證國產化卡件跳線方式與拔出來的卡件跳線方式相符合；然后將國產化報警卡件插進報警機架，同時將報警卡件恢復到原來的“ENABLE”狀態。

（1）報警功能驗證：模擬報警卡件輸入觸點狀態改變，觸發卡件報警。在主控室觀察報警窗快閃，同時報警聲音響起。此時請主控室操作員按“SILENCE”按鈕，報警聲音消掉，報警處于消音狀態，然后按“ACKNOWLEDGE”鍵，確認報警狀態后，報警窗停止閃爍，處于常亮狀態。

（2）報警恢復功能驗證：恢復現場接線，即接入上面步驟中斷開的接線端子或拆除短接線，此時報警窗慢閃，喇叭聲響起。當按下按鈕“SILENCE”之后，報警窗慢閃，喇叭聲消音。當按下按鈕“ACKNOWLEDGE”之后，報警窗報警消失。

4.2 長周期在線試驗

在報警功能驗證滿足要求后，將國產化卡件安裝在試驗通道，進行國產化卡件的長周期在線試驗，時間為秦三廠一個生產周期，即兩年。在整個過程中，報警卡件要經過每天三次的窗報測試試驗考驗及監測通道偶發性報警考驗。一個生產周期之后，再進行功能驗證，確認此批國產化卡件滿足系統功能要求。

首批國產化卡件（報警卡10塊、濾波卡1塊、驅動卡1塊、不一致卡3塊）已經在2#機組連續試運行兩個大修周期，第二批國產化卡件（報警卡8塊、濾波卡2塊、驅動卡2塊、不一致卡2塊）已經在1#機組連續試運行兩個大修周期，目前故障率為零。所有試運行卡件功能滿足三期現場實際需求，卡件穩定性好、可靠性高，可以與原產RONAN卡件混合使用。

5 結論

（1）原有的卡件面臨停產，生產周期和采購周期很長，而國產化卡件采購周期較短，可以及時滿足現場生產要求。

（2）卡件的主控室人機界面及操作方式沒有改變，針對操縱員的人機工程也不發生改變，可有效防止因界面改變，造成人員失誤操作。

（3）秦山重水堆核電廠主控室報警系統無冗余裝置，若采用將系統升級為計算機控制的方式，系統不可用時間保守估計大約為20天，這無疑將對機組的安全造成威脅。卡件國產化的方式，可以大大減少系統改造投資，并將系統不可用時間大大縮短。

（4）自主研發卡件費用僅為進口卡件的1/7，單機組一次性更換所有已到設計壽命卡件，采用進口卡件的費用保守估計約1 000萬元，而采用自主研發卡件的費用只需150萬元左右。以10年卡件使用壽命估算，秦三廠壽期內需進行3次更換，兩臺機組合計可節約5 100萬元。

（5）自主研發卡件可與原進口卡件組合使用，能有效利用現有庫存備件。現報警卡有庫存備件60塊，濾波卡有13塊，驅動卡有26塊，不一致卡有16塊，此項可減少損失約240萬元。

（6）該項目研發方案充分利用原系統卡件安裝框架及接線，有效降低了整體系統改造的人力、物力成本，使實施成本只有全部系統更換所需成本的1/3，此項估計可節約資金500萬元。