控制棒棒位指示器故障分析

唐 銳

（海南核電有限公司，海南昌江 572732）

0 引言

2019 年8 月7 日，海南昌江核電廠1 號機組650 MW 滿功率運行期間，出現(xiàn)反應堆棒控系統(tǒng)B2-1 棒束棒位指示器故障，導致電廠主控室操縱員無法監(jiān)視B2-1 棒束棒位。排查故障信號來源，確認故障點在反應堆廠房，需停機并將反應堆后撤至正常冷停堆實施檢修，但僅為處理此故障停機，將影響電廠經(jīng)濟效益。根據(jù)電廠規(guī)范要求，棒位指示故障需執(zhí)行緩解措施：每8 h 測量一次堆芯中子注量率，輔助監(jiān)測故障棒束棒位。文章主要分析通過補充緩解措施，確保B2-1 棒束棒位指示故障不影響電廠安全生產(chǎn)，電廠可維持滿功率運行到壽期末，停機處理此故障。

1 故障情況和相關(guān)規(guī)范

1.1 故障情況

2019 年8 月7 日，主控室報警1RGL013KA 閃發(fā)時，B2-1棒束棒位指示為0 步，現(xiàn)場檢查機箱電源柜中B2-1 束棒存在電壓低、電流高報警。從故障現(xiàn)象判斷為機箱輸出至原邊線圈的電流不穩(wěn)定所致。B2-1 棒束棒位信號回路見圖1，依次檢查機柜相關(guān)信號處理卡件MCP10（主電流控制器）、MCP22（葛萊碼處理器）、供電機箱及機柜側(cè)航空插頭、貫穿件均正常，測量機柜側(cè)航空插頭阻值結(jié)果見表1。

圖1 棒束棒位信號回路示意圖

表1 各線圈機柜側(cè)航空插頭阻值

根據(jù)表1 測量結(jié)果，故障點排除電氣廠房側(cè)，而是位于島內(nèi)連接板或反應堆堆頂，功率運行期間該區(qū)域輻射劑量超100 msv 量級，檢修人員無法抵達該區(qū)域從事檢修。根據(jù)電廠《運行技術(shù)規(guī)范》RGL5 條款要求，1 束控制棒棒位指示故障需執(zhí)行緩解措施：每8 h 測量一次堆芯中子注量率，輔助監(jiān)測故障棒束棒位。正常情況下，堆芯中子注量率測量周期為1 個月，檢測設(shè)備的設(shè)計使用壽命為3000 次，可覆蓋電廠整個使用壽期，而8 h 測量一次的頻率將損耗設(shè)備使用壽命并耗費大量人力。

1.2 電廠《運行技術(shù)規(guī)范》中不可運行事件RGL5 條款

堆功率大于50%FP，一個棒位指示器故障，產(chǎn)生第二組不可運行事件，需采取緩解措施：每8 h 或者相應的控制棒移動超過8 步時，需要測量一次堆芯注量率，監(jiān)測故障控制棒棒位。

1.3 電廠《運行技術(shù)規(guī)范》中不可運行事件RGL6 條款

如果一個分組棒有2 個棒位指示器不可運行，或一組棒上有3 個棒位指示器不可運行，產(chǎn)生第一組不可運行事件，需采取緩解措施：2 h 內(nèi)機組后撤到熱停堆狀態(tài)。

1.4 電廠《運行技術(shù)規(guī)范》中不可運行事件RIC1 條款

堆功率大于50%FP，無法在“30 個等效滿功率天”完成一次通量圖測量，產(chǎn)生第二組不可運行事件，需采取緩解措施：24 h內(nèi)降功率至低于50%FP 功率水平，并調(diào)整中子注量率高緊急停堆整定值為55%FP。

1.5 電廠《運行技術(shù)規(guī)范》中對于產(chǎn)生計劃性第一組不可運行事件的要求

只有在安全相關(guān)系統(tǒng)和設(shè)備定期試驗監(jiān)督要求，或物理試驗監(jiān)督要求中明確甄別的，為執(zhí)行定期試驗產(chǎn)生的第一組事件才是允許的，而且該試驗遵守了國家核安全局批準的定期試驗實施條件。

2 B2-1 棒束棒位顯示故障對電廠生產(chǎn)運行的影響分析

2.1 故障對控制棒功能的影響

棒位測量系統(tǒng)用于實時監(jiān)測和顯示控制棒位置，并在棒運行出現(xiàn)異常（失步、偏離要求位置、提棒不足、插棒太深）時給出報警。棒位測量系統(tǒng)與棒控系統(tǒng)各自獨立，無邏輯連鎖，棒位指示故障不影響控制棒動作，棒位指示故障不會導致B2-1 棒束意外動作或卡棒，只影響操縱員獲取該棒束的棒位信息。

2.2 故障對機組運行和安全的影響

昌江核電1 號機組控制棒共33 束，分為停堆棒組S（8束）、調(diào)節(jié)棒組A（8 束）、B（8 束）、C（5 束）、D（4 束），其中D 棒組為主調(diào)節(jié)棒組。功率運行期間D 棒組部分插入堆芯，其他棒組位于堆頂。B2-1 棒束長期位于堆頂位置，功率運行與功率升降不涉及到該棒束的動作，僅執(zhí)行定期試驗PT1RGL002《正常運行期間非活動棒束功能檢查》時，會移動該棒束8 步，對機組正常運行不產(chǎn)生影響。運行期間只有當保持線圈電源喪失時，該棒束才會發(fā)生落棒現(xiàn)象，電源喪失是可監(jiān)控的，系統(tǒng)將觸發(fā)棒控系統(tǒng)運行故障報警。機組正常停運后撤，操縱員以“手動”方式下插D、C、B、A 棒組到5 步位置，故障不影響B(tài)2-1 動作，可正常下插至5 步，停堆功能正常。B2-1 棒束下插到5步前，可通過實時監(jiān)測B2-1 棒束提升、傳遞、保持線圈的電流波形，驗證B2-1 棒束動作的步數(shù)。緊急停堆時，該棒束將失去工作電源落入堆底，設(shè)計院的計算分析表明，即使該棒束發(fā)生卡棒并疊加最大價值一束棒發(fā)生卡棒，也不影響控制棒在緊急停堆狀態(tài)下需提供的負反應性，該故障僅影響操縱員判斷該棒束是否已落入堆底。

2.3 故障對電廠定期試驗的影響

《控制棒位置測量信號回路檢查》試驗周期為1 個月，試驗目的是驗證棒位測量通道的正確性。試驗方法是從棒控機柜的連接接頭注入信號，驗證主控室的顯示與注入信號一致。對單束棒檢查期間，被檢查棒束無法顯示實際棒位，此時應進入《運行技術(shù)規(guī)范》中RGL5 條款。當B2-1 棒位指示器故障，在執(zhí)行B2-2、B2-3、B2-4 棒束信號回路檢查時，將導致B2 分組2 個棒位指示器不可用，進入《運行技術(shù)規(guī)范》中RGL6 條款，該條款為第一組事件。顯然未能在《安全相關(guān)系統(tǒng)和設(shè)備定期試驗監(jiān)督要求》中提前被甄別，由此違反了1.4 節(jié)中的要求，目前B2-1 棒位顯示故障情況下執(zhí)行該定期試驗已得到國家核安全局特許批準。

《正常運行期間非活動棒束功能檢查》試驗周期為1 個月，試驗目的為驗證長期處于堆頂?shù)母骺刂瓢羰纯Ｔ囼灧椒橐来尾迦?、提升處于堆頂?shù)母靼羰敯粑恢甘景搭A期變化時，證明各棒束動作正常無卡澀。B2-1 棒束試驗期間，可通過該棒束電源機柜上各個線圈的動作電流波形正常的方式驗證B2-1 棒束動作正常無卡澀，試驗結(jié)束后通過堆芯中子注量率測量輔助推斷B2-1 棒束回到堆頂位置，該故障不影響該試驗正常執(zhí)行。

2.4 頻繁監(jiān)測堆芯中子注量對監(jiān)測系統(tǒng)的影響

堆芯中子注量率監(jiān)測系統(tǒng)動作頻繁導致探測器指套管磨損加劇。正常情況，堆芯中子注量率監(jiān)測頻度是1 次/月，根據(jù)RGL5 條款要求變?yōu)? 次/8 h。指套管作為一回路壓力邊界發(fā)生破損后，增加一回路放射性物質(zhì)泄漏的風險。監(jiān)測系統(tǒng)頻繁動作還將加速探測器老化，增加驅(qū)動機構(gòu)故障風險，導致監(jiān)測系統(tǒng)不可用?！哆\行技術(shù)規(guī)范》要求“如果核功率大于50%FP，堆芯中子注量率測量系統(tǒng)必須可運行”。

2.5 針對當前RGL5 條款的分析

根據(jù)《運行技術(shù)規(guī)范解釋》的說明，功率運行與熱備用期間一束棒棒位指示器不可用的操作措施要求每8 h 測量堆芯中子注量率，其目的是監(jiān)督堆芯象限功率傾斜，間接驗證各棒束同步，防止堆內(nèi)出現(xiàn)功率分布不平衡，導致局部過熱燒毀燃料元件。但每次執(zhí)行堆芯中子注量率測量后還需離線進行數(shù)據(jù)處理才得到象限功率傾斜數(shù)據(jù)以監(jiān)督棒位，無法在線及時發(fā)現(xiàn)棒位異常。使用RPN 堆外探測器與RIC 熱電偶可實時監(jiān)測QPTR，當控制棒異常提、插時，可及時發(fā)現(xiàn)并作出響應。

2.6 電廠堆芯熱電偶溫度對控制棒移動的實際響應

2019 年8 月2 日，執(zhí)行定期試驗PT1RGL002《正常運行期間非活動棒束功能檢查》，在失步校正1 模式下，下插B2 子組棒束7 步，B2-1 棒束所在通道G5 附近的堆芯熱電偶（1RIC015KM）示值從333.1 ℃下降到331.9 ℃。B2 子組提升到225 步后，1RIC015KM 回升到333.1 ℃，期間B2-1 棒束所在通道G5 附近的RIC 熱電偶溫度示值下降了1.2 ℃。上述現(xiàn)象表明：堆芯熱電偶溫度對附近位置的控制棒移動有明顯響應，在B2-1 棒束棒位指示失效情況下，堆芯溫度參數(shù)可輔助操縱員判斷該故障棒束是否出現(xiàn)異常插入現(xiàn)象。

2.7 控制棒動作時機柜線圈電流波形監(jiān)測

控制棒正常插入一步的時序動作：保持線圈大電流→提升線圈大電流→傳遞線圈大電流→提升線圈小電流→保持線圈零電流→提升線圈零電流→保持線圈大電流→傳遞線圈零電流→保持線圈零電流。在完整插入步序中，輸出波形實際反饋保持及傳遞線圈勾爪的吸合點，如控制棒無法按插入命令正常動作，其電流波形將與圖2 所示標準電流輸出波形不一致，并且機柜將會出現(xiàn)棒控報警。由此可見，雖然B2-1 棒束棒位無法顯示，運行人員仍能通過線圈電流波形輔助監(jiān)測控制棒動作。

3 設(shè)計院的技術(shù)評價

圖2 控制棒線圈電流波形

2019 年8 月9 日，海南核電委托中國核動力研究設(shè)計院對B2-1 棒束指示器故障進行技術(shù)評價，經(jīng)分析論證給出評價結(jié)果：B2-1 棒束意外移動時，QPTR 變化明顯，堆芯焓升因子滿足限值要求，具體見表2。表2 分析顯示，B2-1 棒束若失步12步，操縱員雖無法看到棒位，但象限功率傾斜將變化0.29%，即QPTR 顯示約1.0079，該值雖絕對變化量小，但相對滿功率下QPTR 指示穩(wěn)定在1.005 的現(xiàn)象來說，可通過QPTR 趨勢變化發(fā)現(xiàn)異常后再做堆芯中子注量率測量。此外，以B2-1 棒束失步12 步進行數(shù)據(jù)分析是保守的，此時象限功率傾斜小于規(guī)范要求的限值1.02，堆芯焓升因子也小于滿功率下的限值1.538，不會造成堆芯功率超限或功率分布不均導致局部過熱的安全隱患。

表2 B2-1 棒束失步的影響

4 優(yōu)化RGL5 條款的緩解措施

4.1 通過RIC 堆芯熱電偶與RPN 堆外探測器監(jiān)督

操縱員監(jiān)視堆芯熱電偶與RPN 堆外探測器的象限功率傾斜變化趨勢，當象限功率傾斜超出設(shè)置的臨時報警值1.0079 時，立即執(zhí)行堆芯注量率測量，核查B2-1 棒束的位置是否異常。

4.2 輔助通過棒束提升、傳遞、保持線圈的電流波形監(jiān)督

監(jiān)督B2-1 棒束提升、傳遞、保持線圈的電流波形（棒束移動時，波形將產(chǎn)生變化），如發(fā)現(xiàn)非預期波形立即執(zhí)行堆芯中子注量率測量。執(zhí)行PT1RGL002 定期試驗或當機組需要后撤至操縱員手動下插B2-1 棒束時，重點監(jiān)測B2-1 棒束提升線圈、傳遞線圈、保持線圈的電流波形圖，判斷其是否可靠動作。

4.3 使用RIC 堆芯注量率測量監(jiān)督

每7 天執(zhí)行一次堆芯中子注量率測量，輔助判斷B2-1 棒束位于堆頂。每月一次的《正常運行期間非活動棒束功能檢查》定期試驗后，執(zhí)行一次堆芯中子注量率測量，輔助判斷B2-1 棒束位于堆頂。每月一次的《控制棒位置測量信號回路檢查》定期試驗前，執(zhí)行一次堆芯中子注量率測量，輔助判斷B2-1 棒束位于堆頂。

4.4 通過RCS 運行故障報警（1RGL005KA）監(jiān)測

當主控室觸發(fā)RCS 運行故障報警（1RGL005KA），立即檢查確認報警原因，并執(zhí)行堆內(nèi)注量率測量。

5 結(jié)論

通過上述分析，昌江電廠在滿功率平臺出現(xiàn)單束控制棒棒位顯示故障不會威脅反應堆安全穩(wěn)定運行。操縱員可通過其他輔助監(jiān)測手段判斷B2-1 棒束棒位，無需每隔8 h 監(jiān)測堆芯中子注量率。昌江核電針對該故障向國家核安全局提出RGL5 條款緩解措施優(yōu)化意見特許申請也得到批準。