反應堆硼和水補給系統硼酸箱安全液位相關的設計分析和改進

辛 克，郝樹超

（中國核電工程有限公司 華東分公司，浙江 海鹽 314300）

“華龍一號”反應堆硼和水補給系統[1]（RBM）主要用于與化學與容積控制系統共同為反應堆冷卻劑系統提供硼酸和除鹽水。RBM主要包括水回路子系統及硼酸回路子系統。其水回路子系統與安全功能無關，硼酸回路子系統為安全功能相關的子系統。硼酸子系統主要用于制備貯存硼酸溶液，并向化學與容積控制系統等提供硼酸，通過控制反應堆冷卻劑系統的硼酸濃度，來控制反應堆反應性的變化。其硼酸貯存量需考慮氙衰變引起的反應性增加、補償冷卻過程中負溫度效應引入的正反應性、補償堆芯由失控硼稀釋事故而加入的反應性等。即在所有預計運行事件期間，需要能保證反應堆安全停堆并維持反應堆在次臨界狀態。為此，考慮其最不利情況，RBM的安全準則[2]為從熱備用返回冷停堆所需要的硼酸容積（壽期初、氙峰）：可用容積需大于等于 61.65 m3。“華龍一號”硼酸貯存箱的安全液位即為兩臺箱體的總可用容積大于等于 61.65 m3時硼酸貯存箱的液位。

1 安全液位相關的原液位報警邏輯簡介及分析

RBM系統共有兩臺相同的硼酸貯存箱，在機組正常運行時，由硼酸輸送泵將硼酸貯存箱中的硼酸轉運至化容等系統中，硼酸輸送泵入口管道與硼酸貯存箱的連接處即為每臺硼酸貯存箱可用容積的最低點，低于此液位的硼酸無法使用，硼酸貯存箱底部簡圖如圖1所示，圖中A處即為硼酸輸送泵與箱體的連接處。考慮一定的設計余量，選擇將液位（0.468 m）作為箱體的最低（L3）報警液位。當液位低于此值時，即可認為箱體已無可用容積。

對于單個硼酸貯存箱而言，為保證其可用容積大于等于 61.65 m3即保證其可用液位大于等于5.492 m，需使其安全報警液位（L2報警）高于L3報警值5.492 m，因此將硼酸貯存箱的L2報警值設定為5.96 m，即當只有單個硼酸貯存箱可用時，若硼酸液位到達 L2并繼續下降時，系統容積即不滿足安全準則要求的最小硼酸體積。此時，需立刻向其注硼。由于RBM系統包含兩臺硼酸貯存箱，因此將兩臺箱體的液位進行求和，在其和大于安全液位時，系統即處于安全狀態。其液位邏輯[3]如圖 2所示，MN054、MN052即分別表示兩臺硼酸貯存箱的液位，L2設定值為5.96 m，即安全準則要求值。

圖1 硼酸箱底部簡圖Fig.1 The bottom diagram of boric acid tank

圖2 硼酸箱安全液位求和邏輯簡圖Fig.2 The logic diagram of summation of the safety liquid level in the boric acid tank

2 安全液位相關的原設計求和邏輯的缺陷及分析

在系統運行期間，為滿足安全準則，保證系統內有足夠的硼酸，需至少有一臺硼酸貯存箱處于可用狀態，即任一臺硼酸貯存箱可用或兩臺硼酸貯存箱均處于可用狀態。

2.1 只有一臺硼酸貯存箱可用

只有一臺硼酸箱可用時，為保證系統有足夠的硼酸溶液，該硼酸箱的液位需高于5.96 m，否則將不滿足任何工況下可以回到冷停堆狀態所需要的最小硼酸體積。而此時，另一臺不可用硼酸箱的液位既可能處在較高液位，也可能處于排空狀態。

對于不可用的硼酸箱，其液位值仍參與求和運算。當正在投運的硼酸箱液位低至 5.96 m時，由于系統的求和邏輯，兩臺硼酸箱的液位經過求和后，其值仍可能大于安全液位值（L2），此時將不會觸發圖2中的407KA報警，但實際上此時系統的可用硼酸容積已經無法滿足安全準則要求。

對于不可用的硼酸箱，只有在其液位輸入到求和邏輯上的值為0時，才可使可用的硼酸箱液位到達5.96 m后，觸發安全報警，使系統滿足安全準則的要求。

2.2 兩臺硼酸貯存箱均可用

由前所述，硼酸貯存箱底部存在約0.468 m的死區容積。液位高于 0.468 m以上的部分才是每個箱體可用的部分。對于兩臺箱體的液位計 MN054及 MN052，其測得的值分別減去0.468 m后，得到的差值為每個箱體容積的凈含量。即MN054及MN052其值分別減去0.468 m的死區液位后，然后進行求和，所得值高于5.492 m方可滿足安全準則要求。而現有的求和邏輯，并未考慮此種情況。僅將兩臺液位表的值直接相加，然后判斷其和是否高于 5.96 m，來作為是否滿足安全液位的依據。此種安全液位報警邏輯，僅考慮了一臺箱體的死區液位，故其求和結果無法滿足安全準則的液位要求。

2.3 M310機組反應堆硼和水安全準則相關邏輯

在 M310機組中，反應堆硼和水補給系統的硼酸貯存在3個硼酸貯存箱內，其中一個硼酸貯存箱為兩臺機組公用，另外兩臺貯存箱各為一個機組使用。其安全液位相關邏輯[4]如圖3所示。

圖3 M310機組安全液位相關邏輯簡圖Fig.3 The logic diagram of the safety liquid level of M310 unit

圖3中，A點為兩臺機組共用的硼酸貯存箱A的液位信號，B點為各機組獨自的硼酸貯存箱 B的液位信號。由圖 3，兩臺機組共用的硼酸貯存箱A在ZO401處減去了該箱體的死區值，其與B箱體求和時所用的值為A箱體的凈可用液位值。且A箱體在KC401處可選定機組參與計算或選擇將A箱體僅作為備用。在選擇A箱體為備用時，A箱體向ZO402輸入的值為0，不會影響B箱體液位值的計算。而選定機組使用A箱體時，其向選定機組的B箱體輸入的值已在ZO401處轉變為了A箱體的液位凈值。后續參與求和計算所得的結果不會超出安全準則的要求。因此，M310的安全準則相關的邏輯設計較“華龍一號”更為合理、可用。

3 對“華龍一號”反應堆硼和水補給系統安全液位邏輯的改進分析

3.1 與M310對比改進

與M310對比，“華龍一號”為單堆布置，每臺機組均配置了兩臺硼酸貯存箱，同時“華龍一號”每臺的機組的兩個硼酸貯存箱均可單獨滿足安全準則要求的最小硼酸容積，與M310兩個貯存箱容積之和滿足安全液位的設計不同。因此若將兩臺箱子分別單獨使用，將使兩臺貯存箱做到一用一備，可以提高硼酸子系統的可靠性。基于此，選擇將兩臺硼酸貯存箱分別獨立按照安全準則的要求改進其安全液位的相關邏輯，而不再使用兩臺貯存箱液位求和的設計。改進后的安全液位邏輯簡如圖4所示。

圖4 改進后的安全液位邏輯簡圖Fig.4 The logic diagram of the safety liquid level after improvement

3.2 在后備盤上的改進

RBM系統的安全液位報警除了在IIC上顯示外，同時也將后備盤上觸發相應的報警，而在原有的設計中，由于采用了求和邏輯，兩臺箱體共同觸發了一個報警，因此在后備盤上僅設計了一組報警燈（L2報警，指示燈為407AA；L報警，指示燈為408AA）。將兩臺箱體的報警分開處理后，兩臺硼酸貯存箱分別需要在后備盤上觸發一個報警，即需要在后備盤上增加相應的報警。為優化后備盤現場改進的工作量，需進一步對后備盤報警的改進情況進行分析。

方法一，直接在后備盤上增加相應的報警燈。優點：改進后后備盤上的報警可以與IIC上的報警一一對應，便于操作員在后備盤上判斷系統運行情況。缺點：由于需要增加新的報警燈，需考慮相應的電纜接線、后備盤報警燈安裝等硬件改動問題，現場改進工作量較大，實施難度較高。

方法二，對硼酸貯存箱在后備盤上的報警邏輯進行改進，對兩臺硼酸貯存箱在后備盤上的報警采用取或邏輯，使兩臺硼酸貯存箱低報使用同一個后備盤報警，僅需后備盤上原有的報警燈組，不再額外增加新的報警燈。無論兩臺硼酸貯存箱哪一臺液位低于安全準則值觸發低報時，即在后備盤上觸發報警。

方法三，除在后備盤上的報警采用取或邏輯外，也可使用與門邏輯，即僅當兩臺硼酸貯存箱均觸發低報時，才在后備盤上觸發安全液位低報報警。

無論是方法二的取或門邏輯，或是方法三中的取與門邏輯，其優點均為：不需要改動后備盤的硬件設備，不需新增接線，僅需儀控人員更改其邏輯即可，其改進工作量小，改進成本低。但其缺點也同樣存在：對于取或門邏輯，在其中一臺箱體的液位低于安全液位，在后備盤上觸發報警后，若另一臺箱體仍有足夠的安全液位，則系統可以繼續使用。但當第二臺箱體液位也觸發低報時，將不會再觸發報警，使操作員無法及時響應，存在安全隱患。對于取與門邏輯，當兩臺箱體的液位均不滿足安全液位時，才在后備盤上觸發安全液位報警。此種改進，也存在一定隱患，在一臺箱體儀表故障無法觸發報警時，將導致后備盤上的報警無法觸發。若此時另一臺箱體液位也降低至安全液位，由于與門的存在，將不會在后備盤上觸發報警。存在一定風險。

基于以上分析，為兼顧系統報警的安全可靠及現場的實際情況，需對取或門邏輯進行進一步改進，對其報警增加了重閃功能，即當第二臺硼酸貯存箱的安全液位報警觸發時，后備盤的報警將重新觸發，以確保操作員可以收到報警信號。

“華龍一號”原設計借鑒了M310機組的求和邏輯，但是未考慮到死區的影響，故原設計存在一定的可能性使其無法滿足安全準則的要求。基于“華龍一號”單堆布置，獨立擁有一套完整的反應堆硼和水補給系統的特殊性，將求和邏輯修改為單獨的邏輯，使每一個硼酸貯存箱的液位邏輯均可以滿足安全準則的要求。由于硼酸貯存箱是一用一備，故安全準則相應的液位邏輯也是一用一備，提高了系統的可靠性并滿足單一故障準則。

新的設計改進思路，在滿足設計深度和安全準則的條件下，既不需要改動硬件設備又不需要新增接線，僅需修改內部邏輯即可。改進工作量小，改進成本低，實現了項目建設增值。

4 結論

“華龍一號”的反應堆硼和水補給系統安全準則相關的液位報警邏輯參考了M310的設計，但未考慮到“華龍一號”與 M310機組硼和水補給系統的不同，忽略了死區的影響，故原設計存在一定的可能性使其無法滿足相應的安全準則要求。本文對硼和水補給系統的安全準則相關的液位進行了分析，并對其安全液位觸發邏輯與 M310的相關邏輯進行了對比。改進了“華龍一號”硼和水補給系統安全液位的相關邏輯。為后續“華龍一號”的硼酸罐安全液位的設計及調試提供參考。