某核電堆外核測系統中長期管理及優化研究

盧 建，佟 潔，周辰昊，朱鵬飛

（中核核電運行管理有限公司，浙江 嘉興 314300）

1 簡要介紹

堆外核測系統核儀表系統是核電廠安全重要儀控系統，通過設置在反應堆壓力容器外的一系列中子探測器連續監測反應堆功率、功率水平和功率分布的變化，為操縱員提供在堆芯裝料、停堆、啟堆和功率運行期間的反應堆狀態信息，并在中子注量率高和中子注量率快變化時觸發反應堆停堆。核測系統的功能穩定性和設計合理性直接保障了機組安全穩定運行，避免機組停堆功能誤動和拒動風險，方便中長期運維策略制定和故障定位，提高了排查和檢修的精準性和有效性。

2 研究背景

某核電在機組調試商運期間，堆外核測系統出現大量設備本身或與現場需求不匹配的問題，由于部分功能設計不合理或設備質量不滿足要求，導致觸發機組停堆的事件，在后續的系統風險識別、系統功能對標和外部專家交流中，對這類問題提出了解決措施和中長期的管理及優化的方案。

某核電堆外核測系統采用模擬電路式系統，其特點是將采集的物理量通過放大電路、濾波電路、運算電路、信號發生電路等方式轉化為連續的電流或電壓信號，但抗干擾能力差，易受到諸如電源、電磁干擾等環節影響，同時準確穩定的輸出也受到電路元器件的可靠性和電路設計的科學性的影響。

該堆型核測采用2種類型的探測器，分別為硼比基數管和裂變室，島內設置放大電路模塊，島外設置信號處理和輸出模塊，將采集到的計數率或電流，通過特定的算法轉化為功率值參與顯示或控制保護邏輯。

3 問題一：源量程1/2、中間量程1/2的高/低質量位和單通道故障觸發停堆邏輯

該核電廠堆外核測系統將脈沖值/電流值轉化為功率以4～20 mA的電流形式送往保護系統參與控制保護停堆邏輯，功能是確保功率意外升高時系統能夠自動觸發停堆保護，實現堆內中子增殖和反應性的控制。目前控制與保護系統側對接收數據的識別時，認為低/高質量位（＜3.8 mA）或高質量位（＞21 mA）同樣觸發停堆信號，或單通道識別板卡內故障時觸發停堆邏輯，這與目前核測系統安全與保護功能概念不符。

3.1 問題分析

低質量位與高質量位產生是由板卡回路中元器件故障導致，在正常設計的回路中，4～20 mA的輸出已覆蓋各通道滿量程的監視，不可能出現采集的堆內中子注量率轉化的功率電流超量程情況，所以其高/低質量位也應歸納在通道故障的范疇內，符合原設計中通道故障觸發單通道停堆邏輯設定。

在定期試驗中將設備打到旁通進行試驗的狀態與整體設備不可用狀態屬于同級別的安全等級，在核安全分析或SPV設備失效分析時均可認為該時間段其功能失效，相應的停堆邏輯降級為1/2；通道發生其他故障或高/低質量位故障時在對于整個通道功能認定上也應歸納為該時間段整體設備不可用狀態，因此不應將其納入觸發停堆保護的邏輯中。

堆外核測系統自身的運行功能是指向操縱員提供反應堆在裝料、啟動、功率提升和停堆等狀態下，在主控室給出相應的信號，以便操作員隨時了解反應堆的狀態和狀態變化。在一列源量程或一列中間量程旁通、故障時，還具備其他至少一列源量程和至少一列中間量程保證對反應堆中子的監視，能夠保證反應堆內裂變反應的狀態及其變化，此時原設計的停堆邏輯并不會對反應堆的狀態起到必要和有效的保護作用。

目前影響該核電機組的主要為低質量位限制（電路設計問題或波動），無論哪種狀況均屬于針對下限值的控制，在目前的反應堆安全保護設計邏輯中，除功率量程的負變化率報警停堆邏輯（主要由于高速的階躍變化對堆芯和其他系統產生額外的負荷），源量程和中間量程均無對下行位置的停堆要求，因為下行意味著反應堆往更安全的狀態過渡（例如，控制棒下插）；另一方面源量程和中間量程的下限值意味著堆內極低的中子通量，此狀態的變化率對設備的額外符合基本無任何影響。因此該狀態的停堆是沒有意義的，屬于誤動作停堆事件。

目前秦山核電一廠30萬機組、秦二廠65萬1#2#3#4#機組、方家山100萬1#2#機組、秦三廠1#2#機組均無源量程、中間量程下限值停堆的控制保護邏輯的要求。核測系統通過測量計算進行邏輯判斷，將最后結果直接以開關量程形式輸出停堆信號至保護系統（秦二廠、方家山），或將核測模擬量信號送入保護系統進行邏輯判斷后（秦一廠）；其他模擬量信號（4～20 mA或0～10 V）則同時送至其他系統和各類顯示，本身核測系統不參與控制保護。

對于通道故障的停堆風險邏輯，秦山核電一廠30萬機組、秦二廠65萬1#2#3#4#機組、方家山100萬1#2#機組均采用源量程雙通道不可用觸發停堆（投用時P6前）、中間量程雙通道不可用觸發停堆（P10或P30前）。

3.2 優化方向

取消該機組堆外核測系統源量程1/2、中間量程1/2的高/低質量位觸發停堆的邏輯；將源量程、中間量程高/低質量位識別信號和通道故障的觸發邏輯關聯到設備旁通狀態指示和邏輯控制；增加對源量程和中間量程雙通道高/低質量位或通道故障觸發停堆的邏輯，如直接送至設備旁通則無需增加（例如，在功率量程原有2/4停堆邏輯基礎上，出現1個通道故障后停堆邏輯變成2/3，2個通道故障1/2，3個通道故障停堆，功率量程可轉化成假的2/4方式）。

4 問題二：關于功率輸出板卡4～20 mA不準導致低質量位問題

該核電功率輸出板卡原設計4～20 mA，實際現場最低值輸出3.6 mA左右，保護系統識別低質量位故障觸發定值為3.8 mA，可能觸發單通道低質量位停堆或雙通道低質量停堆，目前規避的措施為調整放大系數，強制將輸出功率保持較高值（波動大），此方法失去了探測器反映堆內真實中子通量水平的意義，存在核安全監督的質疑，同時在操作層面風險高，后續中長期運行中是一個必須解決的問題。

4.1 問題分析

設備問題：根本原因為板卡電氣回路設計問題，即使工廠調試滿足驗收要求，現場超量程后，內部元器件未預留足夠裕量調整，無法通過現場調整元器件，例如，電位器或放大系數達到要求值。

設計問題：源量程采用計數率cps轉化的功率充當保護計算的參考值，需增加一個轉化系數（放大倍數），目前秦山壓水堆或重水堆核測源量程的保護定值均采用計數率cps信號。原理上無論是計數率還是功率通過理論計算均是可行的，但在輸出功率電路的實現上存在誤差較大、指示不穩定等因素，無法準確地判斷源量程真實的顯示，通道調整轉化系數來規避停堆定值的方法從長期核安全的角度是不可取的，原則上應使用能真實反映堆內中子情況的保護定值來保護堆芯，由于源量程計數率與功率轉化后精度低，不應將功率用作保護定值選取。

操作問題：模擬電路板卡旋鈕（電位器）多次調整以適應現場功率需求，會造成旋鈕的回差增加、放大系數不準、設備故障等額外風險，不利于機組長期穩定可控的運行，也增加運維人員檢修與調整的風險。

4.2 優化方向

針對該機組核測系統功率模擬板卡現狀提出以下建議。在現場經驗充足情況下，放大倍數能基本滿足停堆定值需求或與中間量程匹配時，則記錄和保持該定值，短期內無論啟停堆或功率運行，不對其進行調整。重新設計功率輸出板卡，使其能正常輸出4～20 mA的標準功率信號。更改保護側接收功率輸出板卡定值的限制，使其適應現場實際情況，例如，現場最低3.4 mA，將保護低質量位更改為3.2 mA或3 mA。如需考慮設備波動導致超低限位的情況需增加裕量，將保護低質量位更改為1 mA，此方案或具體值需經專家與設計院研究討論確定，同時在質量位停堆邏輯已從1/2變為2/2情況下雙通道同時由于偶發波動導致停堆的可能性將大大降低。由于功率處理后輸出的不準確性和不穩定性，可考慮將計數率cps值替代功率輸出值送給保護系統參與計算，在4～20 mA的含以上兩者均采用log計算方法，按照理論兩者相同電流代表的含義一致，使用原始值（計數率cps）來參與保護根據實際保護意義，其保護定值也可按照換算后的計數率或特定計數率來確定下來。

5 問題三：關于后續核測系統通道間功率指示標定的問題

某核電機組核測系統標定工作初始標定、中間標定和最終標定。初始標定是在P6信號前后對源量程和中間量程功率數據值偏差在2倍之間，中間標定是在零功率物理實驗期間利用實際功率標定源量程中間量程功率量程指示，最終標定是在一定功率平臺或滿功率情況下標定源量程中間量程功率量程指示。功率標定工作使用熱功率或實際功率來標定功率量程的顯示，利用放大系數的調整，使輸出功率與實際功率一致，同時使用功率量程標定完成的功率完成對中間量程和源量程的標定功率，均使用放大系數進行調整。

5.1 問題分析

目前秦山核電采用的標定策略為使用熱功率（實際功率）來標定功率量程（定期修改2M，偏差1.5%，夏天內控偏差0.5%），使其能夠精確地反映功率的真實狀態，使用功率量程（熱功率）來標定中間量程的功率（兩者超過5%調整），中間量程與源量程之間的標定，無特定驗收需求，兩者之間的要求只有1個量級的重疊和P6信號正常觸發（內控10 000 cps左右或25 000 cps左右）。與秦山核測的對比，目前該機組未來標定存在的問題就是源量程和中間量程之間的功率偏差，在臨界時的初始標定后（源量程和中間量程），可以避免低質量位和安全的觸發P6信號，確定了源量程和中間量程的放大系數（例如，源量程6、中間量程10），但在后續的功率運行期間必然會重新對核測系統功率量程進行標定，對功率量程和中間量程進行標定，就必然影響到對中間量程放大系數的調整（例如，將中間量程10調整到8）。此時，源量程的標定就存在問題，若進行調小標定（例如，將6調整到3），則在降功率期間存在質量位停堆風險；若進行調大標定（例如，將6調整到8），則在降功率期間存在高中子停堆風險（P6消失時）。

5.2 優化方向

對源量程或中間量程的標定方式或驗收準則進行調整。

5．2．1 功率運行期間取消源量程的標定

源量程在P6后退出運行，其功能也只是在低功率期間對反應堆狀態進行監測，由于探測器性能關系與功率的轉化也是非線性變化的，因此在高功率期間對源量程的標定沒有實際意義。

5．2．2 調整源量程與中間量程之間的標定方式

理論上，無論是利用計數率或電流標定，還是利用換算后的功率標定都是可行的，實際電路換算后的值由于模擬電路原因差別較大，無法真實反映堆內情況，源量程期間的計數率是一個可靠標準參量，實際轉化成功率后誤差較大（實際功率太低，只有0.001%Pn量級的指示），參考值意義不大。因此，針對該核電廠堆芯功率特點，仍可參考秦山壓水堆核電站源量程在低功率期間的顯示和安全定值，均采用計數率作為源量程對反應堆內部中子水平的監測參數。中間量程P6的設定，只要滿足在一定的范圍內（例如，源量程500～1 000 cps）正常觸發即可，此時無論設定功率值還是特定中間量程電流值均可（因為中間量程觸發P6時的電流或轉化的功率都是較為準確的值），目前秦山核電30萬機組和秦山二期1#2#3#4#均采用中間量程10e-10A作為定值參數，方家山核電1#2#中間量程采用10e-5A作為定值參數，都是為了保證在可靠堆功率下源量程能正常切除或觸發。

5．2．3 維持現狀

在現場經驗充足，源量程、中間量程、功率量程存在恰到好處的比例關系，能夠保證各自在一定的放大倍數下，各通道均能正常觸發和顯示相應的功率和報警，則無需對此進行修改，按原本設計執行即可。

5．2．4 臨時恢復

在功率下行時，選取合適的功率臺階根據升功率歷史標定值將源量程和中間量程的標定值進行恢復，該臨時恢復措施需建立在一定的生產運行經驗下，因為上行期間的標定值是在較為穩定和上行的工況下執行，下行的工況和中子變化情況不能完全參考此標定值，調整的放大倍數需留取足夠的閾度，此項操作風險較高。

6 后續設備管理

6.1 設備分級

堆外核測系統作為核安全相關SPV關鍵敏感設備，需將系統設備顆粒度細化到零件級別，以功能分析和邊界劃分為基礎，結合故障模式和故障波及范圍，識別出部件級別設備的“關鍵度”。設備分級是后續工作環境分級、工作頻度分級和維修窗口等預防性維修項目或缺陷型處理項目的指導文件，在程序上為后期工作項合理性、安全性和方法性提供依據。

6.2 設備臺賬

對于新建機組或改造項目的設備，需從項目初期建立詳細的設備臺賬，精確到單一設備零件或組件，此臺賬不僅涵蓋到貨庫存備件的出廠日期、設備編碼、版本等能夠識別到唯一部件的信息，還應包含目前應用到現場的所有設備部件和故障更換下的設備，使得該系統所有設備的身份信息和使用情況均能有據可查，這對于同批次卡件故障排查、不同批次卡件性能對比等預維工作有著重要意義。

6.3 故障臺賬

經過數百堆年的應用運行經驗，核測系統積累了必要的現場運維策略，其中最重要且有效的就是建立系統故障臺賬。核測系統關系著核電廠的安全穩定運行，在不同工況下均有著設備故障后觸發包括停堆、時限退防的要求，這就對運維部門提出了精準定位故障、最短時間處理故障的要求。故障臺賬的建立可以加快提升設備運維人員的專業能力、減少人員更替后的經驗流失、完善和積累現場寶貴生產資料的傳承，在故障出現的第一時間發現問題、提供標準的檢修方案、減少現場檢修時間，高效解決現場隱患、保障機組安全穩定運行。

6.4 預維策略

預防性維修項目是堆外核測系統商運后的必不可少的環節，項目策略需從維修項目的頻度、內容、工作資質、時間、執行條件、風險等各方面加以考慮，圍繞系統預維大綱的基礎上，結合各電廠預維經驗和廠家建議，制定定期的維護項目。對于超出定期范圍內的臨時預維項目或小范圍檢修項目，也需依據設備分級、設備臺賬和故障臺賬內容，制定有效的檢修方案、安排合理的檢修時機和時間，完成臨時預維項目計劃內容。

7 總結

某機組堆外核測系統調試中出現的3個主要問題，影響機組啟堆、臨界、零功率物理實驗、停堆等，在一定程度上延誤了機組順利并網發電的時間。從問題和解決措施上給出了各項分析和建議，一方面希望該內容可作為某電廠現場實施的專家依據，同時作為該核電機組核測系統中長期設備管理和優化方向的參考，另一方面對于其他新建機組或改造項目的設計提供必要的借鑒，設計單位在技術實現上做好充分的調研和安全分析，加強與實施單位在項目溝通、現場實施、后續維護上充分的交流，脫離于實際應用的科研成果在工程轉化上會造成人力、時間、經濟等資源的浪費，也給后續的管理和優化增加了更大的困難。