核電廠LSS監(jiān)測系統(tǒng)優(yōu)化

張荊荊

【摘 要】目前壓水堆電站普遍采用LSS系統(tǒng)（L0CA Surveillance System——失水事故檢測系統(tǒng)）監(jiān)測反應(yīng)堆的運行情況，計算堆芯的LOCA裕度和功率分布，輔助操作員進行反應(yīng)堆的控制。經(jīng)過多年實踐運行，LSS系統(tǒng)的設(shè)計缺陷逐漸暴露，本文對當前頻發(fā)的故障進行了分析，并提出相應(yīng)的優(yōu)化方案，為后續(xù)電廠LSS的設(shè)計提供了參考。

【關(guān)鍵詞】LOCA監(jiān)測系統(tǒng);故障分析;系統(tǒng)優(yōu)化

中圖分類號： TM623 文獻標識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）13-0097-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.13.044

The Majorization of LSS Surveillance System in Nuclear Power Plant

ZHANG Jing-jing

（China Nuclear Power Operation Technology Corporation，LTD.，Zhejiang Haiyan 314300，China）

【Abstract】The current PWR power plant LSS system（L0CA Surveillance System，commonly used accident detection system） monitoring the operation of reactor，LOCA margin and power distribution calculation of core，auxiliary control operator for reactor. After years of operating，the shortcomings of LSS gradually exposure.In this paper presented analysis improve ，and proposed optimization.Provide reference for subsequent power plant design of LSS.

【Key words】LOCA monitoring system;Fault analysis;System optimization

0 引言

在核電站儀控系統(tǒng)中，反應(yīng)堆失水事故L0CA（loss of coolant accident）是壓水堆核電站嚴重的事故之一，當前很多核電站使用LSS系統(tǒng)（L0CA Surveillance System——失水事故檢測系統(tǒng)）監(jiān)控壓水堆核電站反應(yīng)堆運行情況。LSS監(jiān)測系統(tǒng)是RPN系統(tǒng)的一部分，該系統(tǒng)主要用于監(jiān)測反應(yīng)堆的運行狀態(tài)，以數(shù)值、圖表和曲線等形式反應(yīng)堆芯的狀態(tài)變化，當發(fā)生異常情況時發(fā)出報警信號，提醒并輔助操作員控制反應(yīng)堆狀態(tài)。

1 LSS監(jiān)測系統(tǒng)介紹和設(shè)計缺陷

LSS監(jiān)測系統(tǒng)接收來自DCS系統(tǒng)的數(shù)字信號（開關(guān)量和模擬量數(shù)據(jù)），對輸入信號進行采集、預處理后送往計算模塊，計算模塊主要用于計算一回路平均熱功率、LOCA裕度、線功率密度、象限傾斜度等數(shù)據(jù)，計算結(jié)果通過系統(tǒng)終端顯示設(shè)備顯示或輸出到DCS系統(tǒng)在其他設(shè)備上顯示。當計算結(jié)果超過限值或系統(tǒng)軟/硬件故障時輸出報警信號，提示操作員進行必要的干預[1]。

系統(tǒng)硬件主要由LOCA計算子系統(tǒng)和CFM堆芯跟蹤子系統(tǒng)組成， LOCA計算子系統(tǒng)主要由安裝與RPN006AR機柜中的ROCKWELL公司ControlLogix5000系列PLC系統(tǒng)設(shè)備實現(xiàn)[2]。其主要功能是采集核儀表系統(tǒng)（RPN）功率量程通道的數(shù)據(jù)，進行濾波處理，并通過專用的物理計算模型計算堆內(nèi)的中子通量分布，重構(gòu)反應(yīng)堆堆芯的功率分布，最后將計算結(jié)果輸出相關(guān)系統(tǒng)。

LOCA監(jiān)測系統(tǒng)軟件主要包括LOCA計算應(yīng)用程序和CFM監(jiān)控及參數(shù)修改應(yīng)用程序。LOCA計算應(yīng)用程序需要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、計算、濾波、輸出等功能;CFM監(jiān)控及參數(shù)修改應(yīng)用程序需要實現(xiàn)系統(tǒng)的圖形顯示、報警、交互操作、參數(shù)修改下裝等功能。

目前某核電廠LSS系統(tǒng)歷經(jīng)幾個循環(huán)周期后，存在以下幾個問題：

（1）C21驅(qū)動信號為單列輸出，可靠性較低。

（2）上位機運行CITCET程序時，偶發(fā)性進程退出導致系統(tǒng)假死;

（3）上位機在主控室操作員切換至梯形圖頁面時，讀取數(shù)據(jù)緩慢并導致系統(tǒng)假死;

（4）升功率期間誤發(fā)報警J段象限傾斜超標，且無相應(yīng)的象限功率傾斜比超標報警。

2 缺陷原因分析

LOCA監(jiān)測系統(tǒng)故障報警記第一組IO，系統(tǒng)單列設(shè)計要求更可靠的報警機制，大亞灣、陽江、防城港、紅沿河電廠均采用冗余設(shè)計，C21報警信號直接傳到RGL系統(tǒng)，作為降功率的重要參考依據(jù)，必須可靠。LOCA系統(tǒng)發(fā)出的C21信號為單列輸出，在PLC程序中C21輸出沒有做3取2邏輯，安全性、冗余性不高，容易導致C21信號的誤發(fā)或拒動，為機組安全運行埋下隱患。

工控機作為上位機，運行WINDOWS系統(tǒng)和CITECT用戶程序，安裝于主控室，提供重要的梯形圖、LOCA裕度等重要信息，頻繁死機導致系統(tǒng)不可用風險。LSS系統(tǒng)判定不可用后，在6小時內(nèi)不能恢復，機組將立即快速降功率，后撤至NS/SG模式。原工控機硬件配置僅滿足Windows XP系統(tǒng)運行，工控機CPU、內(nèi)存、硬盤等硬件配置較低，上位機長期運行消耗大量的內(nèi)存和CPU資源，硬件資源不夠用。

電廠LOCA監(jiān)測系統(tǒng)供貨項目于2010年開始設(shè)計，當時PLC及上位機軟件平臺只支持Windows XP操作系統(tǒng)，內(nèi)存利用率低，運行效率低，現(xiàn)在微軟也停止了該系統(tǒng)的服務(wù)及升級;原系統(tǒng)上位機CITECT與PLC通訊采用OPC協(xié)議，必須運行RSLinx網(wǎng)關(guān)版軟件，占用大量網(wǎng)絡(luò)和內(nèi)存資源;上位機軟件中梯形圖繪制功能的選取、縮放、時間切換功能強大，Cicode高級語言程序代碼復雜，數(shù)據(jù)讀取占用大量CPU和內(nèi)存資源。

由LOCA監(jiān)測系統(tǒng)下位機接收來自堆外核測系統(tǒng)4個象限的6節(jié)電離室電流信號，并轉(zhuǎn)換為每節(jié)電離室的節(jié)功率，然后計算每節(jié)功率傾斜比，并與其他象限的節(jié)功率傾斜比進行比較，如果某節(jié)象限傾斜比超標，則發(fā)出“J段象限超標”報警[3]。此報警的計算與設(shè)置方法與運行技術(shù)規(guī)范的要求有偏差。在LOCA監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)出“J段象限超標”報警后，還需要操縱員手動計算堆芯上、下部功率傾斜比，然后再判斷是否超出核電廠運行技術(shù)規(guī)范中的限值。機組缺少相應(yīng)的監(jiān)視參數(shù)，操縱員無法監(jiān)視堆芯象限功率的傾斜情況，也無法通過相應(yīng)報警迅速得知堆芯某象限可能存在的功率不平衡的問題。在機組升功率階段，頻繁觸發(fā)該報警，影響機組功率上升。

3 改造方法

（1）通過增加PLC輸出模塊、中間繼電器等搭建硬件電路，并增加軟件3取2邏輯增強C21輸出的可靠性。

a）系統(tǒng)原有1路C21開關(guān)量輸出模塊，為做到開關(guān)量輸出模塊的冗余，需要在增加2路C21隔離輸出，那么需要相應(yīng)增加2塊1756-OB8開關(guān)量輸出模塊，原系統(tǒng)PLC機架留有2個預留槽位，滿足新增1756-OB8開關(guān)量輸出模塊的安裝;

b）對應(yīng)修改PLC硬件配置，并搭建硬件模塊的控制回路及其配電電源;

c）在PLC用戶程序中，增加C21輸出3取2邏輯程序，新增2路C21輸出，通過3路C21報警信號在3塊1756-OB8開關(guān)量輸出模塊的輸出，驅(qū)動3路中間繼電器串聯(lián)控制回路，以增加系統(tǒng)觸發(fā)C21報警信號的安全性。

（2）升級工控機CPU、內(nèi)存等硬件配置及操作系統(tǒng)，采用與原工控機尺寸相同的高端系列機架式工控機。

（3）PLC、上位機軟件適應(yīng)性升級。

（4）優(yōu)化通訊協(xié)議。

（5）優(yōu)化梯形圖繪制機制

a）數(shù)據(jù)存儲隨時間周期性執(zhí)行，數(shù)據(jù)量相對小很多，不會給CPU負荷帶來嚴重壓力，但繪圖時，尤其是24小時繪圖，需要短時間內(nèi)需讀取選定時間范圍內(nèi)所有歷史數(shù)據(jù)，成為資源耗盡的重要殺手，那么需要精簡繪制點，規(guī)劃數(shù)據(jù)點的時間間隔;

b）修改繪圖功能讀取歷史數(shù)據(jù)的CI-CODE代碼，選取一半（或1/4）的歷史數(shù)據(jù)進行打點繪圖，優(yōu)化繪圖機制，排除資源占用瓶頸。

（6）修改象限功率傾斜比計算與增加報警信號

a）上下部分象限功率傾斜比（QPTR）的計算公式修改如下：

其中，Ih（k）是k象限上下部的電流水平。

b）在主控制室KIC系統(tǒng)和LSS控制柜就地中新增“象限功率傾斜比”報警信號。取消原LOCA系統(tǒng)送KIC系統(tǒng)的“J段象限傾斜超標”報警，改為LSS機柜就地報警;

在進行“象限功率傾斜比”計算時，是分成上部功率傾斜比和下部功率傾斜比兩部分的。任一象限的上部或下部功率傾斜比超標都會進行匯總后送主控室報警，并且在LOCA監(jiān)測系統(tǒng)的上位機顯示畫面中新增一幅畫面，專門用于顯示“象限功率傾斜比”計算結(jié)果和報警（參見圖1）。

4 結(jié)論

目前方家山核電的LOCA監(jiān)測系統(tǒng)已完成改造升級，改進后LOCA系統(tǒng)已經(jīng)安全穩(wěn)定運行兩年，C21驅(qū)動信號輸出可靠性相比以往大幅提升，數(shù)據(jù)讀取加快，無系統(tǒng)崩潰，畫面假死，誤報警等情況發(fā)生。為操作員的日常監(jiān)盤提供了便利以及對反應(yīng)堆狀態(tài)和堆芯軸向偏差提供了必要的監(jiān)視手段，同時也為其他核電廠的LSS系統(tǒng)的升級改造提供了借鑒意義。

【參考文獻】

[1]劉金環(huán)，李洋，等.《核電廠LOCA監(jiān)測系統(tǒng)功能介紹》[J]. ? ?2014年第2月刊《科技風》.

[2]中廣核研究設(shè)計院《秦山核電廠擴建工程LOCA監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計說明書》[S].

[3]張帥，常向陽，趙怡春.《核電廠LSS系統(tǒng)淺析》[J].