核電站控制權(quán)限切換功能研究

孫小凌，祝永剛

(中國(guó)核電工程有限公司，北京 100000)

核電站控制權(quán)限切換功能研究

孫小凌，祝永剛

(中國(guó)核電工程有限公司，北京 100000)

正處于規(guī)模化發(fā)展的核電是國(guó)內(nèi)應(yīng)對(duì)環(huán)境問(wèn)題的必然選擇。分析了基于DCS系統(tǒng)的核電站監(jiān)控方式，探討了核電站3種控制權(quán)限的切換模式，重點(diǎn)研究了控制權(quán)限切換系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)方式和軟件邏輯，最后分析了核電站監(jiān)控方式的切換邏輯。對(duì)核電站控制權(quán)限切換功能的分析研究，有助于從業(yè)人員開(kāi)展國(guó)內(nèi)在建二代加核電站的調(diào)試和運(yùn)行維護(hù)工作，對(duì)未來(lái)的三代核電站建設(shè)具有一定的指導(dǎo)意義。

核電站;監(jiān)控;控制權(quán)限切換

為應(yīng)對(duì)霧霾、溫室氣體等環(huán)境問(wèn)題，國(guó)內(nèi)加快推進(jìn)水電、核電和風(fēng)電等清潔能源的建設(shè)，尤其是技術(shù)成熟的核電處于規(guī)模化的發(fā)展階段。目前，國(guó)內(nèi)在建和新建的核電站都采用全數(shù)字化的DCS控制系統(tǒng)，一般由安全級(jí)(1E)和非安全級(jí)(NC+ /NC)系統(tǒng)組成［1-3］。操作員在MCR(主控制室)和遠(yuǎn)程停堆站(RSS)通過(guò)OWPS(操作員站)和I/ O設(shè)備進(jìn)行全廠的數(shù)據(jù)監(jiān)視和操作控制，負(fù)責(zé)機(jī)組的運(yùn)行和管理。

1 電站監(jiān)控方式

數(shù)字化核電站的監(jiān)控方式如圖1所示。

圖1 電站監(jiān)控方式

位于主控制室的電廠計(jì)算機(jī)信息和控制系統(tǒng)(KIC)主要承擔(dān)電廠的數(shù)字化控制任務(wù)，在電廠儀表和控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)中，構(gòu)成了電廠的操作和管理信息層(DCS的2層)，通過(guò)操作員站、工程師站、值長(zhǎng)站和大屏幕等終端實(shí)現(xiàn)對(duì)電廠的監(jiān)控。這也被稱(chēng)為以計(jì)算機(jī)為主的監(jiān)控方式(MCM)。

盡管DCS系統(tǒng)具有高度的可靠性，但核電站在總體設(shè)計(jì)中必須考慮全部失去KIC的可能性。因此，在主控制室內(nèi)設(shè)置了后備盤(pán)(BUP)，作為失去MCM的后備操作手段。在MCM不可用期間(無(wú)論是計(jì)劃的或非計(jì)劃的不可用)，在任何機(jī)組工況條件下(含正常工況及事故工況)，后備盤(pán)都可將機(jī)組維持在安全狀態(tài)或帶入并維持到安全狀態(tài)［4-6］。

位于主控制室的緊急操作臺(tái)(ECP)用于緊急情況下由操作員手動(dòng)停堆和手動(dòng)啟動(dòng)專(zhuān)設(shè)安全設(shè)施，采用硬接線(xiàn)方式從主控室直接連到驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(緊急停堆)或DCS 1層的控制機(jī)柜上。ECP位于2個(gè)操作員站之間。當(dāng)系統(tǒng)切換到RSS，ECP的操作功能將被禁止(除了緊急停堆功能)。

當(dāng)主控制室不可用時(shí)(如發(fā)生火災(zāi))，RSS操作員可以使反應(yīng)堆停堆并快速進(jìn)入安全熱停堆狀態(tài)，具有熱停堆期間使反應(yīng)堆保持在安全狀態(tài)必需的監(jiān)測(cè)和控制手段，且在就地操作的配合下，可完成冷停堆的操作。

2 控制權(quán)限切換

核電站通過(guò)控制權(quán)限的切換來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的監(jiān)控方式。控制權(quán)限切換系統(tǒng)包括BUP切換系統(tǒng)和RSS切換系統(tǒng)2部分。其中，BUP切換系統(tǒng)用于BUP/MCM控制權(quán)限的選擇;RSS切換系統(tǒng)用于RSS/MCR控制權(quán)限的選擇。核電站具有3種切換組合，如圖2所示。

圖2 控制權(quán)限切換示意圖

2.1 標(biāo)準(zhǔn)模式

主控制模式MCM是正常電站運(yùn)行的標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行配置，僅MCR的OWP用于過(guò)程操作。沒(méi)有來(lái)自RSS和BUP的控制，ECP功能可用。在此種模式下，控制權(quán)限切換系統(tǒng)的狀態(tài)如表1所示。

表1 標(biāo)準(zhǔn)模式下控制權(quán)限切換系統(tǒng)狀態(tài)

2.2 一級(jí)退防模式

一級(jí)退化模式下 BUP處于控制模式。當(dāng)MCM不可用時(shí)，權(quán)限切換系統(tǒng)將電站切換到BUP控制模式。沒(méi)有來(lái)自RSS和MCM的控制命令，ECP功能可用。

表2 一級(jí)退防模式下控制權(quán)切換系統(tǒng)狀態(tài)

2.3 二級(jí)退防模式

RSS是二級(jí)退化控制模式。當(dāng)MCR不可用時(shí)，權(quán)限切換系統(tǒng)將電站切換到RSS控制模式。此配置下僅RSS的OWPs用于操作控制，不考慮來(lái)自MCR的所有控制操作，即沒(méi)有來(lái)自MCM和BUP的命令，反應(yīng)堆緊急停堆外的ECP功能不可用。

表3 二級(jí)退防模式下控制權(quán)切換系統(tǒng)狀態(tài)

3 控制權(quán)限切換設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

3.1.1 RSS切換系統(tǒng)

RSS切換系統(tǒng)由A、B列選擇器組成。為避免同時(shí)失去兩列選擇器，A、B列必須位于不同位置，以滿(mǎn)足實(shí)體隔離要求。A、B列分別有3個(gè)安全級(jí)的切換開(kāi)關(guān)，每個(gè)切換開(kāi)關(guān)可以在RSS和MCR位置之間切換。

A列RSS切換系統(tǒng)的每個(gè)切換開(kāi)關(guān)(KPR001CC、KPR003CC和KPR005CC)有8對(duì)觸點(diǎn)，其中2對(duì)觸點(diǎn)硬接線(xiàn)分別連接到A列安全級(jí)子系 統(tǒng) A1和 A2機(jī) 柜(KCS105AR 和KCS115AR);1對(duì)觸點(diǎn)硬接線(xiàn)都先經(jīng)過(guò)同一個(gè)隔離機(jī)柜KCS129AR，然后分別連接到NC+機(jī)柜(1KCP401AR、1KCP403AR和1KCP405AR)。3個(gè)切換開(kāi)關(guān)的3×4對(duì)觸點(diǎn)，先通過(guò)硬接線(xiàn)方式實(shí)現(xiàn)3個(gè)切換開(kāi)關(guān)的3取2邏輯運(yùn)算，再將運(yùn)算結(jié)果(RSS模式和MCR模式)送到A列的5個(gè)PLM機(jī)柜 (KCS117AR、 KCS119AR、 KCS121AR、KCS123AR和KCS125AR)，用于閉鎖或使能機(jī)柜內(nèi)除緊急停堆外的ECP信號(hào)。剩余觸點(diǎn)備用。圖3為A列切換開(kāi)關(guān)KPR001CC的接線(xiàn)示意圖。

圖3 RSS切換開(kāi)關(guān)接線(xiàn)原理

同樣，B列RSS切換系統(tǒng)的每個(gè)切換開(kāi)關(guān)(KPR002CC、KPR004CC和KPR006CC)有8對(duì)觸點(diǎn)，其中2對(duì)觸點(diǎn)的硬接線(xiàn)分別連接到B列安全級(jí)子系統(tǒng)B1和B2(KCS102AR和KCS116AR);1對(duì)觸點(diǎn)的硬接線(xiàn)先經(jīng)過(guò)同一個(gè)隔離機(jī)柜KCS130AR，然后分別連接到NC+機(jī)柜(1KCP402AR、1KCP404AR和1KCP406AR);3個(gè)切換開(kāi)關(guān)的3×4對(duì)觸點(diǎn)，通過(guò)硬接線(xiàn)方式實(shí)現(xiàn)3個(gè)切換開(kāi)關(guān)的3取2邏輯運(yùn)算，并將運(yùn)算結(jié)果(RSS模式和MCR模式)送到B列的5個(gè)PLM機(jī)柜(KCS118AR、KCS120AR、KCS122AR、KCS124AR和KCS126AR)，用于閉鎖或使能機(jī)柜內(nèi)除緊急停堆外的ECP信號(hào)。剩余觸點(diǎn)備用。

3.1.2 BUP切換系統(tǒng)

同樣，BUP切換系統(tǒng)由A、B列選擇器組成。A、B列位于BUP的相鄰盤(pán)臺(tái)上。A、B列分別有3個(gè)安全級(jí)的切換開(kāi)關(guān)，每個(gè)切換開(kāi)關(guān)可以在BUP和KIC位置之間切換。

A列BUP切換系統(tǒng)的每個(gè)切換開(kāi)關(guān)(KSC901CC、KSC903CC和KSC905CC)有4對(duì)觸點(diǎn)，其中2對(duì)觸點(diǎn)端接到A列安全級(jí)子系統(tǒng)A1和A2的機(jī)柜KCS133AR;1對(duì)觸點(diǎn)硬接線(xiàn)繼電器隔離后，分別接到 NC+機(jī)柜 (1KCP401AR、1KCP403AR和1KCP405AR)。剩余觸點(diǎn)備用。圖4是A列切換開(kāi)關(guān)KSC901CC的接線(xiàn)示意圖。

圖4 BUP切換開(kāi)關(guān)接線(xiàn)原理

B列BUP切換系統(tǒng)的每個(gè)切換開(kāi)關(guān)(KSC902CC、KSC904CC和KSC906CC)有4對(duì)觸點(diǎn)，其中2對(duì)觸點(diǎn)端接到B列安全級(jí)子系統(tǒng)B1和B2的機(jī)柜KCS134AR;1對(duì)觸點(diǎn)硬接線(xiàn)繼電器隔離后，分別連接到 NC+機(jī)柜(1KCP402AR、1KCP404AR和1KCP406AR)。剩余觸點(diǎn)備用。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

3.2.1 軟件設(shè)計(jì)原理

從3.1節(jié)可知:RSS和BUP切換系統(tǒng)的A列和B列切換開(kāi)關(guān)狀態(tài)被電站DCS系統(tǒng)的L1層控制系統(tǒng)采集。非安全級(jí)控制機(jī)柜由2對(duì)冗余的控制器，比如KCP401AR具有1401UC和C401UC控制器;安全級(jí)控制機(jī)柜是三重冗余結(jié)構(gòu)。

每個(gè)控制機(jī)柜的控制器根據(jù)控制權(quán)限切換程序各自計(jì)算切換邏輯，決定該控制器的切換模式，并且每個(gè)控制器的計(jì)算結(jié)果會(huì)被監(jiān)視和確認(rèn)。經(jīng)過(guò)控制系統(tǒng)的確認(rèn)性檢查，進(jìn)行切換模式的有效性判斷，并且同一列所有控制器的切換模式狀態(tài)都一致時(shí)，該切換模式才會(huì)被確認(rèn)為該列的主切換模式。每列切換開(kāi)關(guān)中只有一個(gè)非安全級(jí)控制器會(huì)將主切換模式信息通過(guò)L1與L2之間的通信接口傳送到KIC系統(tǒng)。KIC系統(tǒng)根據(jù)A列和B列的RSS和BUP主切換模式分析確定電站的監(jiān)視方式，并進(jìn)行控制權(quán)限的切換。

控制權(quán)限切換程序的確認(rèn)性檢查主要包括以下功能:

①確認(rèn)I/O有效性;

②每個(gè)安全級(jí)機(jī)柜的切換模式狀態(tài)只取決于通過(guò)硬接線(xiàn)連接到相關(guān)安全級(jí)控制器的切換開(kāi)關(guān)位置;

③如主切換模式還未產(chǎn)生，各個(gè)控制器自行執(zhí)行切換模式功能;

④每個(gè)安全級(jí)系統(tǒng)的切換模式狀態(tài)通過(guò)硬接線(xiàn)送到非安全級(jí)控制器，非安全級(jí)控制器確認(rèn)來(lái)自安全級(jí)和非安全級(jí)控制器的切換模式狀態(tài);

⑤組織分析每列的切換模式、產(chǎn)生每列的主切換模式，并作為KIC系統(tǒng)控制權(quán)切換選擇的真值表;

⑥產(chǎn)生KIC和BUP切換模式變更的報(bào)警。

3.2.2 非安全級(jí)軟件設(shè)計(jì)

1)RSS切換模式

為了便于描述，以A列RSS切換系統(tǒng)的切換開(kāi)關(guān)KPR001CC為例來(lái)說(shuō)明RSS切換系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。

圖5中，被控制器(1401UC)采集的切換開(kāi)關(guān)KPR001CC信號(hào)與來(lái)自其他2個(gè)控制器的另2個(gè)切換開(kāi)關(guān)信號(hào)(C403UC采集的 KPR003CC和1405UC采集的KPR005CC)一起進(jìn)行2/3邏輯運(yùn)算，產(chǎn)生RSS/MCR模式信號(hào)。以同樣的方式，對(duì)3個(gè)切換開(kāi)關(guān)的有效性信號(hào)進(jìn)行2/3邏輯運(yùn)算，用于判定RSS/MCR模式信號(hào)是否有效。當(dāng)有效時(shí)，將產(chǎn)生一個(gè)報(bào)警信號(hào)(KPR001KS)送到KIC系統(tǒng)。

圖5中，對(duì)于非采集A列切換開(kāi)關(guān)的其他控制器(如 C401UC)全部讀取 1401UC、C403和1405UC的信號(hào)，進(jìn)行2/3邏輯運(yùn)算，產(chǎn)生RSS/ MCR模式信號(hào)，用于本控制器(C401UC)的其他程序使用(RSS或MCR使能信號(hào))。

除了不能產(chǎn)生主切換模式報(bào)警信號(hào)并傳送給KIC系統(tǒng)外，A列RSS切換系統(tǒng)的其余2個(gè)切換開(kāi)關(guān)的軟件功能與KPR001CC相同。B列與A列相似。

圖5 RSS切換開(kāi)關(guān)邏輯

2)BUP切換模式

同樣為了便于描述，以A列BUP切換系統(tǒng)的切換開(kāi)關(guān)KSC901CC為例來(lái)說(shuō)明BUP切換系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。

如3.2節(jié)一級(jí)退防模式所示，只有在RSS處于MCR模式情況下，電站監(jiān)控方式才可能是BUP模式。圖6中BUP切換開(kāi)關(guān)KSC901CC的軟件功能除了增加判斷A列是否處于MCR模式的運(yùn)算步驟外，其余的邏輯與圖5中A列RSS切換開(kāi)關(guān)KPR001CC一致，產(chǎn)生主切換模式報(bào)警信號(hào)(KPR005KS)送到KIC系統(tǒng)。

除了不能產(chǎn)生主切換模式報(bào)警信號(hào)并傳送給KIC系統(tǒng)外，A列BUP切換系統(tǒng)的其余2個(gè)切換開(kāi)關(guān)的軟件功能與KSC901CC一樣。B列與A列相似。

圖6 BUP切換開(kāi)關(guān)邏輯

由3.1.1節(jié)可知:A列RSS切換系統(tǒng)的3個(gè)切換開(kāi)關(guān)先經(jīng)過(guò)硬接線(xiàn)實(shí)現(xiàn)2/3邏輯運(yùn)算，計(jì)算A列的工作模式(RSS模式或MCR模式)，并送入A列的PLM機(jī)柜，用于閉鎖或使能機(jī)柜內(nèi)除緊急停堆外的ECP信號(hào)。B列同樣如此。

如3.2.1節(jié)所述，安全級(jí)控制系統(tǒng)不會(huì)產(chǎn)生主切換模式報(bào)警信號(hào)并傳送給KIC系統(tǒng)。

同樣為了便于描述，以A列BUP切換開(kāi)關(guān)為例來(lái)說(shuō)明BUP切換系統(tǒng)的安全級(jí)軟件設(shè)計(jì)。由3.1節(jié)硬件設(shè)計(jì)可知:安全級(jí)A1和A2子系統(tǒng)都采集了A列RSS和BUP切換系統(tǒng)的3個(gè)切換開(kāi)關(guān)信號(hào)。圖7中BUP切換開(kāi)關(guān)的A1邏輯除了不產(chǎn)生送KIC系統(tǒng)的主切換模式報(bào)警信號(hào)外，與圖6中A列BUP切換開(kāi)關(guān)KSC901CC的邏輯是一致的。A1和A2子系統(tǒng)中產(chǎn)生的BUP/KIC工作模式分別作為A1和A2子系統(tǒng)中其他工藝系統(tǒng)邏輯所需的BUP/KIC使能信號(hào)。

圖7 BUP切換開(kāi)關(guān)A1邏輯

BUP切換開(kāi)關(guān)A2的邏輯除了增加在BUP上顯示的BUP模式指示燈外，與A1的邏輯一樣。BUP切換開(kāi)關(guān)B2和B1的邏輯分別與A2與A1的子系統(tǒng)相似。

4 電站監(jiān)控方式切換

由3.2.2節(jié)中RSS的切換開(kāi)關(guān)邏輯可知:KIC系統(tǒng)將接受A、B列的RSS主切換模式報(bào)警信號(hào)。KIC系統(tǒng)會(huì)根據(jù)表4的邏輯判斷遠(yuǎn)程停堆站RSS的工作模式。

同樣，由3.2.2節(jié)中BUP的切換開(kāi)關(guān)邏輯可知:KIC系統(tǒng)會(huì)接受A、B列的BUP主切換模式報(bào)警信號(hào)。KIC系統(tǒng)將根據(jù)表5邏輯判斷后背盤(pán)BUP的工作模式。

KIC系統(tǒng)最終根據(jù)BUP切換模式和RSS切換模式，按照表6邏輯判定電站的監(jiān)控方式，進(jìn)行KIC系統(tǒng)控制權(quán)限的切換，以實(shí)現(xiàn)電站在不同工況下監(jiān)控方式的切換。

表4 RSS切換模式邏輯

表5 BUP切換模式邏輯

表6 KIC控制權(quán)限切換邏輯

5 結(jié)束語(yǔ)

國(guó)內(nèi)在建的核電站主要是基于M310堆型的二代加機(jī)組。盡管各大核電集團(tuán)采用不同的DCS控制平臺(tái)，但核電站都采用KIC、BUP和RSS等監(jiān)控方式，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)模式、一級(jí)退防模式和二級(jí)退防模式之間的任意切換，實(shí)現(xiàn)不同事故工況下控制權(quán)限的切換，以保證核電站安全、可靠地運(yùn)行。另外，未來(lái)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國(guó)內(nèi)三代堆型“華龍一號(hào)”是在二代加機(jī)組基礎(chǔ)上引入AP1000設(shè)計(jì)理念研發(fā)而成。因此，本文對(duì)核電站控制權(quán)限切換功能的研究有利于國(guó)內(nèi)在建核電站和未來(lái)三代堆型的調(diào)試和運(yùn)行維護(hù)，從而促進(jìn)核電事業(yè)的發(fā)展。

［1］范新舉.DCS系統(tǒng)在核電站中的應(yīng)用［J］.機(jī)電信息，2010(24):191-192.

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［6］希年，申世飛.核電廠系統(tǒng)及設(shè)備［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2003.

(責(zé)任編輯陳 艷)

Study on Interlock Function of Nuclear Power Plant

SUN Xiao-ling，ZHU Yong-gang
(China Nuclear Power Engineering Co.，Ltd.，Beijing 100000，China)

To solve the environment problem in China，it’s necessary to build more and more nuclear power plants(NPP).The paper analyzed the supervison control way for NPP based on DCS system and studied the three types of interlock models.The hardware connection and software logic of interlock system were mainly analyzed and designed.At the end，the paper analyzed the way that KIC system check and interlock supervison control mode of NPP.About the study on NPP’s interlock function，it’s useful for the commissioning and maintenance of Chinese NPP，as well as for Generation III-plus nuclear plant.

nuclear power plant;supervision control;interlock

TL8

A

1674-8425(2015)11-0083-06

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2015.11.014

2015-07-25

孫小凌(1983—)，男，重慶長(zhǎng)壽人，碩士研究生，主要從事核電、核化工儀表與控制系統(tǒng)的調(diào)試研究。

孫小凌，祝永剛.核電站控制權(quán)限切換功能研究［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2015(11):83-88.

format:SUN Xiao-ling，ZHU Yong-gang.Study on Interlock Function of Nuclear Power Plant［J］.Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science，2015(11):83-88.