基于數(shù)字化DCS平臺的核電廠反應(yīng)堆控制系統(tǒng)可靠性分析

王巖 李洪光 高云飛

福建福清核電有限公司 福建福清 350318

核電廠功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)（CCS）的主要功能是實現(xiàn)反應(yīng)堆控制，反應(yīng)堆控制的目的是使一回路所產(chǎn)生的功率與二回路所吸收的功率相等，同時保證一、二回路的溫度、壓力等熱工參數(shù)及堆芯功率分布等參數(shù)能滿足各方面要求。

CCS系統(tǒng)主要包括反應(yīng)堆功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)和平均溫度控制系統(tǒng)，它與多個系統(tǒng)存在接口。它接收來自汽機控制系統(tǒng)（GRE）的信號、堆外核測系統(tǒng)（RPN）、主冷卻劑系統(tǒng)（RCP）等工藝系統(tǒng)的參數(shù)，進行邏輯處理并輸出控制棒升、降和棒速信號。同時通過網(wǎng)絡(luò)或硬接線向主控室傳輸相關(guān)報警、顯示監(jiān)測結(jié)果[1]。

CCS系統(tǒng)依托DCS Tricon平臺實現(xiàn)，它是具有三重組合式冗余結(jié)構(gòu)的分散控制系統(tǒng)，通過識別其中引起非預(yù)期功率波動或停機停堆事件潛在風(fēng)險的單一設(shè)備、部件，并提出優(yōu)化措施，以提高系統(tǒng)和設(shè)備可靠性。

1 CCS系統(tǒng)可靠性分析

依據(jù)CCS系統(tǒng)功能和結(jié)構(gòu)。主要對控制邏輯輸入采集失效對系統(tǒng)運行的影響進行分析。對于其中用于報警監(jiān)測及輸出部分（故障不會導(dǎo)致系統(tǒng)誤動作）不進行分析排查。具體如下。

1.1 反應(yīng)堆冷卻劑溫度測量回路

（1）功能實現(xiàn)。CCS系統(tǒng)采集RCP系統(tǒng)的三個環(huán)路的冷、熱段溫度信號，并完成R棒控制及一回路過冷邏輯運算。在Tricon軟件中，環(huán)路溫度最大值和最小值由模擬量表決模塊（AI_VOTER）實現(xiàn)，該模塊可以實現(xiàn)故障通道切除和全失效輸出缺省值的設(shè)計。

（2）故障模式分析及緩解措施。環(huán)路溫度信號由同一塊模擬量輸入卡件采集，如卡件故障，可能導(dǎo)致所有的信號失效。質(zhì)量位邏輯保證通道故障并被切除的情況下不會導(dǎo)致環(huán)路平均溫度最大值或最小值波動。但該設(shè)計無法預(yù)防通道精度漂移的情況。另外系統(tǒng)中未設(shè)計質(zhì)量位報警或環(huán)路切除報警，因此無法直接從主控獲取信號存在故障或環(huán)路已被切除的信息。建議增加質(zhì)量位報警及通道元器件定期檢查的預(yù)防性維修項目。

1.2 最終功率整定值的生成

（1）功能實現(xiàn)。最終功率整定值用于汽機旁路系統(tǒng)運行時汽輪機負(fù)荷增加時的快速跟蹤。其輸入包括模擬信號汽機進氣壓力、旁排系統(tǒng)設(shè)定壓力及汽機遮斷信號、超高壓斷路器打開等開關(guān)量信號。

（2）故障模式分析及緩解措施。最終功率整定值的生成對機組出現(xiàn)非預(yù)期的瞬態(tài)下或低功率水平下的控制至關(guān)重要。對其控制邏輯輸入采集信號故障分析如下：①汽機進氣壓力模擬量輸入信號：Tricon系統(tǒng)中設(shè)置選擇器（VT模塊），采用質(zhì)量位設(shè)計及全部輸入無效時輸出缺省值，因此不存在信號失效導(dǎo)致汽機負(fù)荷波動的問題[2]。②P模式下旁排系統(tǒng)設(shè)定壓力輸入信號由操縱員設(shè)定，其輸入模塊在軟件中設(shè)置限值（0-10bar）。如果信號通道斷路或卡件故障，輸入壓力值被置為0或10Mpa，對應(yīng)的功率值被置成35%FP或0。如果R棒或G棒處于自動模式，最終功率整定值的波動會造成棒束非預(yù)期的動作。因此旁排系統(tǒng)設(shè)定壓力出現(xiàn)通道或卡件故障，可能導(dǎo)致最終功率整定值變化，從而影響R棒和G棒的控制邏輯。但由于機組正常上下行過程P模式下R棒及G棒均處于手動狀態(tài)，因此無影響。另外對于一回路過冷信號（C22），15%FP功率以下C22信號被手動閉鎖，因此無影響。在15%FP-25%FP（25%FP后R棒，G棒投自動），P模式下旁排系統(tǒng)設(shè)定壓力出現(xiàn)通道或卡件故障導(dǎo)致最終功率整定值變化及參考溫度變化，但通過仿真器模擬設(shè)定壓力變化對參考溫度的影響，發(fā)現(xiàn)在上述假設(shè)條件下，影響很小，可以忽略。③旁排閥未全關(guān)信號在旁排閥未全關(guān)時為1，如果此時出現(xiàn)了通道或卡件故障，最終功率整定值則切至0或由汽機負(fù)荷和30%FP的低選數(shù)值，在控制棒打手動期間對控制無影響。

因此，上述分析得出了最終功率整定值輸入信號故障對系統(tǒng)運行的影響。建議增加GCT設(shè)定壓力質(zhì)量位報警用于提醒操縱員通道狀態(tài)。模擬輸入通道的電子元器件也需要進行定期檢查。

1.3 平均溫度控制系統(tǒng)

（1）功能實現(xiàn)。平均溫度控制系統(tǒng)通過測量計算一回路平均溫度用于驅(qū)動R棒組，改變反應(yīng)堆的反應(yīng)性，從而維持一、二回路功率的匹配。它的上游輸入包括：①功率量程中子注量率最大值計算；②平均溫度最大值信號和最終功率整定值信號，該部分已分析過，不再進行分析。

（2）故障模式分析及緩解措施。功率量程中子注量率輸入信號由同一塊輸入卡件采集，會同時采集通道試驗故障信號；如出現(xiàn)質(zhì)量位壞或故障試驗信號，則該通道切除，如果所有通道質(zhì)量位壞，則輸出上次的好值。因此對功率修正值計算無影響。但建議增加模擬量輸入通道質(zhì)量位信號及RPN功率量程故障試驗報警。用于提示操縱員通道狀態(tài)[3]。

1.4 反應(yīng)堆功率控制系統(tǒng)

（1）功能實現(xiàn)。反應(yīng)堆功率控制系統(tǒng)的基本原理是根據(jù)二回路功率需求控制功率補償棒的棒位。它的最終目標(biāo)是使功率補償棒的位置與功率需求對應(yīng)。

（2）故障模式分析及緩解措施。參與G棒控制的信號都有冗余通道設(shè)置，并且冗余信號未設(shè)置在同一塊卡件當(dāng)中，因此不存在單點故障導(dǎo)致的信號失效。同時有質(zhì)量位設(shè)計及全輸入故障輸出缺省值的設(shè)計。因此不存在單點失效產(chǎn)生后果的設(shè)備。設(shè)計滿足要求。

2 結(jié)語

本文介紹了核電廠反應(yīng)堆控制系統(tǒng)的功能及結(jié)構(gòu)；并結(jié)合系統(tǒng)設(shè)計及設(shè)備，對系統(tǒng)控制邏輯上下游信號失效影響進行了分析。同時結(jié)合分析提出了優(yōu)化建議，旨在提高系統(tǒng)運行的可靠性。另外對于CCS系統(tǒng)控制邏輯及上下游信號的全面梳理分析，也對系統(tǒng)運行和維護工作提供了參考。