基于福島事故后的地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)改進(jìn)探討

黃鑒偉

（三門(mén)核電有限公司 設(shè)備管理處，浙江 三門(mén) 317112）

0 引言

地震是影響核電廠安全運(yùn)行的重要因素，在遭遇到強(qiáng)烈的地震時(shí)，核電機(jī)組的各個(gè)系統(tǒng)、設(shè)備以及建筑物等的功能和結(jié)構(gòu)可能會(huì)受到破壞，從而影響核電廠的安全性。為了保證核電廠安全運(yùn)行和震后對(duì)核電站安全性能的評(píng)估，根據(jù)有關(guān)法規(guī)規(guī)定，國(guó)內(nèi)和國(guó)際上的核電機(jī)組都安裝了地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。三門(mén)核電一期工程地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)只能監(jiān)測(cè)地震活動(dòng)并給主控室發(fā)送報(bào)警，不具備自動(dòng)反應(yīng)堆停堆功能，但國(guó)際上的一些國(guó)家如日本、俄羅斯、美國(guó)、韓國(guó)、印度、意大利，還有臺(tái)灣地區(qū)基于各種因素考慮，都設(shè)置了地震自動(dòng)停堆功能[1]。

1 SJS簡(jiǎn)介[3]

三門(mén)核電一期工程 SJS 是非安全相關(guān)系統(tǒng)，其系統(tǒng)功能如下：

◇ 地震數(shù)據(jù)的數(shù)字化采集及存儲(chǔ)。

◇ 發(fā)生超過(guò)預(yù)定值的地震事件時(shí)，通知操縱員。

◇ 地震事件發(fā)生后4 個(gè)小時(shí)內(nèi)，現(xiàn)場(chǎng)分析電廠地震反應(yīng)數(shù)據(jù)。

◇ 地震數(shù)據(jù)分析確定符合停堆判定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，通知操縱員。

SJS 在每臺(tái)機(jī)組上布置4 個(gè)三軸向加速度傳感器：自由場(chǎng)、核島備用電池充電器房間、安全殼內(nèi)東側(cè)蒸汽發(fā)生器隔間東側(cè)及屏蔽廠房。

發(fā)生地震事件時(shí)，只要任意一個(gè)傳感器監(jiān)測(cè)到的地震震動(dòng)強(qiáng)度超過(guò)任一軸向的預(yù)定閾值，系統(tǒng)將觸發(fā)所有4 個(gè)通道開(kāi)始記錄數(shù)據(jù)，并向主控室發(fā)出“地震事件觸發(fā)”的報(bào)警，當(dāng)數(shù)據(jù)分析結(jié)果滿足預(yù)定或超過(guò)運(yùn)行基準(zhǔn)地震（OBE）標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)再次向主控室發(fā)出“超OBE”報(bào)警。

SJS 所有的報(bào)警信號(hào)不參與自動(dòng)控制，在主控室接收到超OBE 報(bào)警后，運(yùn)行人員需依據(jù)相關(guān)運(yùn)行規(guī)程進(jìn)行電廠巡檢，并綜合評(píng)估電廠的損壞情況等，確定是否需要手動(dòng)停堆。

2 改進(jìn)的必要性

福島事故發(fā)生后，核電廠在地震條件下的安全性引起了廣泛關(guān)注，地震引起的工藝系統(tǒng)瞬態(tài)也可導(dǎo)致某一個(gè)或多個(gè)工藝參數(shù)超過(guò)設(shè)定值而觸發(fā)反應(yīng)堆緊急停堆，但是設(shè)置地震自動(dòng)停堆功能可縮短停堆系統(tǒng)在地震下的響應(yīng)時(shí)間，這一提前量有助于降低反應(yīng)堆堆內(nèi)余熱、緩解事故或防止事故進(jìn)一步惡化，增加核電廠縱深防御的多樣性和多重性。國(guó)際上的一些國(guó)家如日本、俄羅斯、美國(guó)、韓國(guó)、印度、意大利，還有臺(tái)灣地區(qū)基于各種因素考慮，都設(shè)置了地震自動(dòng)停堆功能。2011 年3 月11 日發(fā)生日本大地震時(shí)，日本受地震影響的所有核電站運(yùn)行機(jī)組中，自動(dòng)觸發(fā)反應(yīng)堆停堆的保護(hù)信號(hào)都來(lái)自于高地震振動(dòng)加速度。

3 改進(jìn)方案選擇

通過(guò)不同的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方式以及驅(qū)動(dòng)不同的設(shè)備都可實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆自動(dòng)停堆。針對(duì)如何實(shí)現(xiàn)自動(dòng)觸發(fā)停堆功能，主要有如下兩種改進(jìn)策略：

◇ 策略一：將SJS 作為反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)的一部分，SJS 傳感器的信號(hào)直接接入反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)，在反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行邏輯判斷，符合停堆標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，切斷控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（CRDM）的供電，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆停堆。

◇ 策略二：SJS 傳感器的信號(hào)不接入反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)，而是將傳感器信號(hào)在SJS 機(jī)柜內(nèi)進(jìn)行邏輯判斷后，輸出觸發(fā)信號(hào)接入控制棒電源供電控制機(jī)柜，切斷CRDM 的供電，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆停堆。

在設(shè)計(jì)中，SJS 是非安全相關(guān)系統(tǒng)，而保護(hù)和安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（PMS）是安全相關(guān)系統(tǒng)，安全系統(tǒng)與非安全系統(tǒng)要保持電氣及物理上的隔離，因此SJS 的信號(hào)不能直接接入PMS 中，另外PMS 也未預(yù)留相關(guān)接口等。如果采用策略一，對(duì)SJS 和PMS 的設(shè)計(jì)改動(dòng)較大。

根據(jù)策略二的方案，只需要將觸發(fā)信號(hào)送入棒電源供電控制機(jī)柜，對(duì)CRDM 的供電控制回路稍作修改，無(wú)需對(duì)PMS 的軟硬件進(jìn)行變更。既能實(shí)現(xiàn)地震自動(dòng)觸發(fā)反應(yīng)堆停堆功能，也不會(huì)對(duì)PMS 的緊急停堆控制方式產(chǎn)生影響。

從比較結(jié)果看，策略二實(shí)施起來(lái)更加容易、更可取。

3.1 觸發(fā)信號(hào)選擇

設(shè)置地震自動(dòng)停堆功能之后，觸發(fā)信號(hào)的選擇就顯得尤為重要。過(guò)低的觸發(fā)信號(hào)將可能使得反應(yīng)堆誤停堆的風(fēng)險(xiǎn)增加，從而影響電站的經(jīng)濟(jì)性；過(guò)高的觸發(fā)信號(hào)可能會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)堆在地震時(shí)無(wú)法及時(shí)關(guān)閉。各國(guó)的地震停堆設(shè)定值雖略有差異，但基本設(shè)置在OBE 附近：印度核電站的地震停堆設(shè)定值要求不超過(guò)OBE，臺(tái)灣地區(qū)核電站的地震停堆設(shè)定值為OBE-0.05g,田灣核電機(jī)組的工業(yè)抗震保護(hù)系統(tǒng)設(shè)定值為OBE[1]。另外在RG1.166 中規(guī)定，當(dāng)?shù)卣鸪^(guò)OBE 時(shí)，應(yīng)關(guān)閉反應(yīng)堆[2]。在三門(mén)核電一期工程中，SJS 在數(shù)據(jù)分析結(jié)果超過(guò)OBE 時(shí)，會(huì)向主控室傳送報(bào)警?；谏鲜鲆蛩?，可以將觸發(fā)超OBE 報(bào)警的信號(hào)用來(lái)直接觸發(fā)反應(yīng)堆自動(dòng)停堆。

3.2 觸發(fā)設(shè)備選擇

CRDM 的電源由兩組電動(dòng)發(fā)電機(jī)（M/G SET）提供，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆停堆的方式是切斷CRDM 的供電。M/G SET 是非安全相關(guān)設(shè)備，在正常運(yùn)行時(shí)，勵(lì)磁模塊產(chǎn)生勵(lì)磁，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子在電動(dòng)機(jī)的帶動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)切割勵(lì)磁來(lái)發(fā)電。勵(lì)磁模塊無(wú)勵(lì)磁輸出時(shí)，M/G SET 無(wú)電源輸出，CRDM 的供電將失去，反應(yīng)堆自動(dòng)停堆。基于上述分析，可選擇勵(lì)磁模塊作為SJS 的觸發(fā)設(shè)備，通過(guò)切斷勵(lì)磁模塊供電實(shí)現(xiàn)停堆。

4 改進(jìn)方案實(shí)施

兩組M/G SET 平行運(yùn)行，任意一組M/G SET 退出運(yùn)行不會(huì)導(dǎo)致CRDM 的掉電，兩組M/G SET 的運(yùn)行分別由電廠控制系統(tǒng)（PLS）兩個(gè)RDM 機(jī)柜控制。如按照策略二所選擇的觸發(fā)信號(hào)和觸發(fā)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)地震自動(dòng)觸發(fā)停堆功能，需對(duì)RDM 機(jī)柜和SJS 進(jìn)行改進(jìn)。

4.1 RDM機(jī)柜改進(jìn)

1）抗震等級(jí)的提升

PLS 的RDM 機(jī)柜為非安全相關(guān)設(shè)備，抗震等級(jí)為非抗震I 級(jí)，在發(fā)生安全停堆地震時(shí)，RDM 機(jī)柜內(nèi)的設(shè)備可能會(huì)失效，導(dǎo)致機(jī)柜功能喪失。為了保證地震時(shí)SJS 的自動(dòng)停堆觸發(fā)信號(hào)傳送到RDM 機(jī)柜后，能觸發(fā)相應(yīng)的設(shè)備動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆的自動(dòng)停堆，RDM 機(jī)柜需滿足抗震I 級(jí)的要求。

2）勵(lì)磁模塊供電控制回路改進(jìn)

當(dāng)多樣化驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（DAS）的觸發(fā)邏輯滿足2 取2 之后，通過(guò)控制圖1 中的繼電器K1 得電，常開(kāi)觸點(diǎn)K1 閉合，對(duì)應(yīng)的回路導(dǎo)通，K2 得電動(dòng)作，常閉觸點(diǎn)K2 斷開(kāi)，勵(lì)磁模塊的供電回路斷開(kāi)，勵(lì)磁模塊由于失電而無(wú)勵(lì)磁輸出，導(dǎo)致MG SET 無(wú)電源輸出，CRDM 失電，控制棒在重力作用下插入燃料組件內(nèi)，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆的自動(dòng)停堆。

圖1 DAS觸發(fā)停堆控制回路Fig.1 DAS Triggers stop-heap control loop

圖2 改進(jìn)后的勵(lì)磁模塊供電控制回路Fig.2 Improved excitation module power supply control circuit

參考DAS 的停堆控制方式，對(duì)RDM 機(jī)柜內(nèi)的MG SET勵(lì)磁模塊供電控制回路進(jìn)行以下改進(jìn)：

◇ 在SJS 機(jī)柜內(nèi)增加一個(gè)繼電器K3 作為停堆信號(hào)輸出設(shè)備，該繼電器的動(dòng)作方式為得電動(dòng)作，并聯(lián)到超OBE報(bào)警的繼電器上。

◇ 將K3 繼電器的一個(gè)常開(kāi)觸點(diǎn)并聯(lián)到勵(lì)磁模塊供電控制回路中的常開(kāi)觸點(diǎn)K1 的兩端。

改進(jìn)之后的RDM 機(jī)柜反應(yīng)堆停堆控制回路如圖2 所示。

當(dāng)SJS 邏輯判斷滿足超OBE 標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，繼電器K5 和K3得電，常開(kāi)觸點(diǎn)K5 閉合。一方面SJS 通過(guò)DPU 機(jī)柜往主控室送超OBE 報(bào)警，另一方面繼電器K3 得電后，勵(lì)磁模塊供電控制回路中的常開(kāi)觸點(diǎn)K3 閉合，回路導(dǎo)通，繼電器K2 得電動(dòng)作，常閉觸點(diǎn)K2 斷開(kāi)，勵(lì)磁模塊的供電回路斷開(kāi)，勵(lì)磁模塊由于失電而無(wú)勵(lì)磁輸出，MG SET 無(wú)電源輸出，CRDM 失電，控制棒在重力作用下插入燃料組件內(nèi)，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆停堆。改進(jìn)后的控制回路不會(huì)對(duì)DAS 的反應(yīng)堆緊急停堆功能造成影響，導(dǎo)致誤停堆或者拒停堆。

4.2 SJS改進(jìn)

增設(shè)地震自動(dòng)停堆功能從另一方面來(lái)說(shuō)也增加了電廠誤停堆的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)于SJS 來(lái)說(shuō)，除了要在硬件上增加輸出停堆開(kāi)關(guān)量信號(hào)的繼電器之外，還要繼續(xù)深入研究如何通過(guò)提高設(shè)備的可靠性如供電系統(tǒng)的冗余配置，提高通道電纜等抗震等級(jí)（目前記錄儀和機(jī)柜之間的電纜敷設(shè)無(wú)抗震I級(jí)要求），優(yōu)化軟件觸發(fā)邏輯以及系統(tǒng)故障時(shí)對(duì)應(yīng)設(shè)備的默認(rèn)狀態(tài)等來(lái)降低誤停堆的概率。

5 小結(jié)

增設(shè)地震自動(dòng)停堆功能可為核電廠提供額外的縱深防御保護(hù)，在發(fā)生地震事件時(shí)，保證核安全。本文針對(duì)在三門(mén)核電一期工程中如何實(shí)現(xiàn)地震自動(dòng)停堆功能提出了方案，以期為今后開(kāi)展對(duì)應(yīng)的研究提供參考，但如何降低由此帶來(lái)的誤停堆概率等更多細(xì)節(jié)還需繼續(xù)深入研究。