秦山核電二廠堆芯冷卻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)字化改造

楊 鵬，姚 彤，蔡昊廷

（中核核電運(yùn)行管理有限公司 維修三處，浙江 海鹽 314300）

0 引言

堆芯冷卻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（Inadequate Core Cooling Monitoring System，簡(jiǎn)稱為ICCMS）是核電廠重要的事故后監(jiān)測(cè)系統(tǒng)之一。依據(jù)國家核安全法規(guī)的要求，堆芯冷卻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作為1E安全級(jí)系統(tǒng)，在正常工況、事故工況，以及事故后工況不間斷地監(jiān)測(cè)堆芯溫度分布、堆芯過冷裕度與壓力容器水位等參數(shù)。如果失去對(duì)這些堆芯狀態(tài)參數(shù)的監(jiān)測(cè)，機(jī)組將面臨退防的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)機(jī)組的安全運(yùn)行和穩(wěn)定發(fā)電有著重要的影響，因此堆芯冷卻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)必須要保證處于可用狀態(tài)。

秦山核電二廠的堆芯冷卻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在運(yùn)行將近20年后，可靠性已顯現(xiàn)出了明顯的弱化，穩(wěn)定性大大降低，影響了對(duì)堆芯狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。為了應(yīng)對(duì)這種情況，提升性能和可靠性，對(duì)該系統(tǒng)實(shí)施了數(shù)字化升級(jí)改造。

1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

秦山核電二廠堆芯冷卻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分為完全相同且冗余的A、B兩列，在電氣和實(shí)體上實(shí)現(xiàn)完全隔離，彼此之間互相獨(dú)立，各自實(shí)現(xiàn)對(duì)堆芯狀態(tài)的監(jiān)測(cè)功能[1]。

1.1 堆芯溫度監(jiān)測(cè)

堆芯冷卻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)每列各包括15支鎧裝K型熱電偶，測(cè)量燃料組件出口冷卻劑的溫度，并對(duì)區(qū)域內(nèi)熱電偶的偏差值進(jìn)行監(jiān)測(cè)，還將堆芯熱電偶溫度數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)集中處理系統(tǒng)（KIT）進(jìn)行計(jì)算分析，用以監(jiān)測(cè)堆芯徑向功率偏移，以及檢測(cè)棒控棒位系統(tǒng)（RGL）控制棒組中分離的棒束[1]。

1.2 過冷裕度監(jiān)測(cè)

堆芯冷卻監(jiān)測(cè)機(jī)系統(tǒng)接收來自過程儀表系統(tǒng)（SIP）的2個(gè)主回路壓力和3個(gè)穩(wěn)壓器壓力，進(jìn)行篩選校核后，再計(jì)算得到一回路的絕對(duì)壓力，然后計(jì)算出堆芯飽和溫度，并與環(huán)路熱段溫度和堆芯熱電偶溫度進(jìn)行比較，計(jì)算并監(jiān)測(cè)基于實(shí)際堆芯冷卻劑溫度的最低過冷裕度[1]。

1.3 壓力容器水位監(jiān)測(cè)

堆芯冷卻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)每列分別采用3臺(tái)差壓變送器（窄量程、寬量程、參考量程），并接受來自過程儀表系統(tǒng)的環(huán)路的熱管段溫度、冷管段溫度、主回路壓力、穩(wěn)壓器壓力等模擬量信號(hào)，同時(shí)接受來自保護(hù)系統(tǒng)（RPR）的P10信號(hào)和來自堆芯冷卻劑系統(tǒng)（RCP）機(jī)架的主泵運(yùn)行狀態(tài)這兩個(gè)開關(guān)量信號(hào)，通過對(duì)這些輸入信號(hào)進(jìn)行處理和運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)對(duì)反應(yīng)堆壓力容器水位的監(jiān)測(cè)和指示[1]。

2 改造范圍

目前由于秦山核電二廠尚未引入核電廠狀態(tài)導(dǎo)向規(guī)程（SOP），堆芯冷卻監(jiān)測(cè)仍基于事故導(dǎo)向規(guī)程（EOP），因此，在同時(shí)兼顧技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度和改造效益的前提下，保留現(xiàn)場(chǎng)的一次儀表，保持現(xiàn)有的與其他系統(tǒng)或機(jī)架的通訊方式、接線方式不變，僅對(duì)系統(tǒng)的處理機(jī)柜部分進(jìn)行改造[2]。

3 新系統(tǒng)概述

秦山核電二廠堆芯冷卻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)改造采用的是北京廣利核工程有限公司基于安全級(jí)Firmsys平臺(tái)開發(fā)的系統(tǒng)。

改造后的堆芯冷卻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)同樣分為A、B兩列，由硬件部分和軟件部分組成。硬件主要包括機(jī)柜、機(jī)箱、卡件、電源、電纜等，整體設(shè)備為K3級(jí)。軟件集成在主處理單元模塊中，主要包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件，系統(tǒng)軟件負(fù)責(zé)管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中各種獨(dú)立的硬件協(xié)調(diào)工作，應(yīng)用軟件是根據(jù)工藝需求設(shè)計(jì)的運(yùn)算程序。系統(tǒng)通過信號(hào)輸入/輸出模塊采集現(xiàn)場(chǎng)傳感器的模擬量信號(hào)和開關(guān)量信號(hào)，再由主處理單元運(yùn)行應(yīng)用軟件進(jìn)行運(yùn)算處理后，進(jìn)行輸出和顯示。應(yīng)用軟件和系統(tǒng)軟件進(jìn)行不間斷的周期循環(huán)運(yùn)行以完成所有系統(tǒng)功能[3]。

圖1 新系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 New system composition

改造后的系統(tǒng)由電源子系統(tǒng)、信號(hào)處理子系統(tǒng)、顯示記錄子系統(tǒng)構(gòu)成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

3.1 電源子系統(tǒng)

電源子系統(tǒng)由220VAC/24VDC電源模塊、24V DC/5V DC電源模塊、熱敏電阻、浪涌保護(hù)器和濾波器等硬件設(shè)備組成，為整個(gè)系統(tǒng)提供可靠的交流電源、直流電源和接地保護(hù)。

220VAC/24VDC電源模塊采用三重冗余方式，24VDC/5VDC電源模塊采用雙重冗余方式，任何單獨(dú)一個(gè)電源模塊故障都不會(huì)對(duì)供電造成影響，當(dāng)系統(tǒng)失電不超過10 ms時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生故障或者電源重啟的虛假報(bào)警信號(hào)，充分保證了供電功能的可靠。

3.2 信號(hào)處理子系統(tǒng)

信號(hào)處理子系統(tǒng)完成信號(hào)調(diào)理隔離、信號(hào)輸入和輸出、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)通信功能，信號(hào)處理子系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

3.2.1 信號(hào)調(diào)理隔離功能

信號(hào)調(diào)理功能由信號(hào)調(diào)理板卡實(shí)現(xiàn)。對(duì)于模擬量信號(hào)如K型熱電偶、冷端補(bǔ)償熱電阻、1V～5V標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，信號(hào)調(diào)理板卡對(duì)其進(jìn)行隔離和線性調(diào)理，將其轉(zhuǎn)換成4mA～20mA的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)；對(duì)于P10信號(hào)和主泵運(yùn)行狀態(tài)的這些開關(guān)量信號(hào)，信號(hào)調(diào)理板卡則將其進(jìn)行隔離處理。這些經(jīng)過隔離調(diào)理后的信號(hào)通過硬接線連接的方式傳輸給信號(hào)輸入部分。

圖2 信號(hào)處理子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Signal processing subsystem structure

3.2.2 信號(hào)輸入和輸出功能

信號(hào)輸入和輸出功能由模擬量輸入、模擬量輸出、開關(guān)量輸入、開關(guān)量輸出板卡實(shí)現(xiàn)，分別完成4mA～20mA直流信號(hào)的輸入和輸出以及無源觸點(diǎn)信號(hào)輸入和輸出。

3.2.3 數(shù)據(jù)通信

數(shù)據(jù)通信功能由通信單元執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)主處理單元、信號(hào)輸入/輸出單元之間的信息交換，同時(shí)也為系統(tǒng)與外部交換信息提供接口。處理機(jī)柜與顯示單元直接通過安全級(jí)網(wǎng)絡(luò)SN4通信，增加了將SN4協(xié)議轉(zhuǎn)換為RS-422網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的協(xié)議轉(zhuǎn)換機(jī)箱，實(shí)現(xiàn)了到KIT系統(tǒng)的單向通信。

3.2.4 數(shù)據(jù)處理功能

數(shù)據(jù)處理功能由主處理單元板卡完成。主處理單元板卡通過通信單元獲得數(shù)據(jù)后，按照程序和邏輯，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理，計(jì)算得到堆芯飽和溫度、堆芯過冷裕度、壓力容器水位等結(jié)果，并把運(yùn)算后的結(jié)果通過通信單元進(jìn)行輸出、顯示和記錄。系統(tǒng)算法流程圖如圖3所示。

3.3 顯示記錄報(bào)警系統(tǒng)

顯示功能由兩塊顯示器來完成，以通信方式從信號(hào)處理子系統(tǒng)獲得實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，可按照數(shù)據(jù)顯示、輸入與中間變量、電氣測(cè)量值、系統(tǒng)狀態(tài)等多個(gè)頁面進(jìn)行顯示，利用按鈕實(shí)現(xiàn)各頁面的切換。

記錄功能由無紙記錄儀實(shí)現(xiàn)，通過硬接線的方式接受來自信號(hào)處理子系統(tǒng)的熱電偶溫度、最低過冷裕度和壓力容器水位等重要數(shù)據(jù)，保存在可移動(dòng)存儲(chǔ)介質(zhì)，供離線查詢。

系統(tǒng)產(chǎn)生的開關(guān)量報(bào)警信號(hào)發(fā)送至繼電器機(jī)架，最終在主控產(chǎn)生聲光報(bào)警，實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。

4 系統(tǒng)優(yōu)化

堆芯冷卻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)改造完成后，運(yùn)行情況穩(wěn)定可靠，并且在多個(gè)方面進(jìn)行顯著優(yōu)化：

圖3 算法流程圖Fig.3 Algorithm flowchart

1）抑制啟動(dòng)電流。電源子系統(tǒng)中設(shè)置了熱敏電阻回路，當(dāng)上游220VAC進(jìn)入機(jī)柜后，通過熱敏電阻回路對(duì)啟動(dòng)電流進(jìn)行有效抑制，確保機(jī)柜上電瞬間峰值電流保持在20A以下，從而避免了給上游電路帶來電流沖擊。

2）優(yōu)化穩(wěn)壓器壓力有效性判斷。在算法中需要對(duì)每一個(gè)輸入信號(hào)的可用性進(jìn)行檢查，對(duì)于模擬信號(hào)有效性的檢查是通過判斷信號(hào)是否在量程范圍內(nèi)，所設(shè)置的判斷閾值考慮了上游通道和傳感器的誤差。一旦發(fā)現(xiàn)超出量程范圍的模擬輸入信號(hào)，將進(jìn)行報(bào)警、剔除和提示，不參加到隨后的計(jì)算中。對(duì)于穩(wěn)壓器壓力儀表來說，其量程范圍為11MPa～18MPa，在機(jī)組停堆期間狀態(tài)下行階段的降溫降壓過程中，實(shí)際堆芯壓力會(huì)超出穩(wěn)壓器壓力變送器的量程范圍，原系統(tǒng)會(huì)判斷穩(wěn)壓器壓力信號(hào)失效而觸發(fā)報(bào)警。新系統(tǒng)在進(jìn)行有效性判斷時(shí)則結(jié)合了兩個(gè)主回路壓力變送器的測(cè)量結(jié)果，這兩個(gè)變送器的量程為0MPa～20MPa，覆蓋了穩(wěn)壓器壓力儀表的測(cè)量范圍，可以避免在正常情況下產(chǎn)生穩(wěn)壓器壓力失效報(bào)警。

3）散熱方式優(yōu)化。在機(jī)柜中未采用風(fēng)扇散熱，而是采用自然循環(huán)的散熱方式，在機(jī)柜內(nèi)形成了一個(gè)自下而上的通風(fēng)通道，保證有足夠空氣流量和風(fēng)速通過發(fā)熱源，防止器件過熱。這樣不僅保證機(jī)柜可靠散熱，也減少了故障點(diǎn)。

4）人機(jī)交互功能和可擴(kuò)展性優(yōu)化。系統(tǒng)的安全級(jí)顯示設(shè)備可提供大量數(shù)據(jù)的便捷查詢，新增了移動(dòng)式服務(wù)單元，可與主處理單元連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換、軟件下裝、試驗(yàn)測(cè)試等功能，且提供了編程接口，大大提高了人機(jī)交互性能，且具備足夠的開發(fā)裕度，在有需要時(shí)不必對(duì)硬件進(jìn)行大規(guī)模的改動(dòng)，就能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)改進(jìn)。

5 結(jié)束語

堆芯冷卻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在核電站中起著極為重要的作用，其可靠性對(duì)電廠的安全穩(wěn)定運(yùn)行有著至關(guān)重要的作用。在改造后，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，不僅有效實(shí)現(xiàn)了原有的監(jiān)測(cè)功能，并且在諸多方面得到優(yōu)化提升，也為其他儀控系統(tǒng)設(shè)計(jì)和改造提供了一定的借鑒價(jià)值。