琚文俊 劉江川
(中核核電運(yùn)行管理有限公司,浙江 海鹽 314300)
RPN核儀表系統(tǒng)是核電站重要的安全系統(tǒng),它使用了源量程、中間量程及功率量程三種通道來(lái)完成反應(yīng)堆從啟動(dòng)到滿功率運(yùn)行、其核功率動(dòng)態(tài)范圍達(dá)10個(gè)數(shù)量級(jí)以上的監(jiān)測(cè)任務(wù)。方家山核儀表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參考嶺澳一期相應(yīng)系統(tǒng),兩者用于控制和保護(hù)的輸出信號(hào)有許多相同之處。但由于電廠改進(jìn)和數(shù)字化控制的要求,方家山RPN在信號(hào)傳輸和處理流程上和秦山一期堆外核測(cè)系統(tǒng)、秦山二期核儀表系統(tǒng)均有較大的差異。方家山RPN系統(tǒng)還設(shè)置了功能強(qiáng)大的LOCA后事故監(jiān)測(cè)分系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)LSS系統(tǒng)),由LSS系統(tǒng)向操作員提供與中子注量率分布有關(guān)的信息,計(jì)算LOCA裕度、計(jì)算通道方位傾斜等。此外,方家山RPN系統(tǒng)在軸向通道布置上和部分信號(hào)的邏輯功能也做了改進(jìn)。
與我廠30萬(wàn)機(jī)組堆外核測(cè)系統(tǒng)類(lèi)似,RPN系統(tǒng)包括八個(gè)獨(dú)立的探測(cè)器保護(hù)通道、保護(hù)機(jī)柜,以及與上述通道有關(guān)的探測(cè)器定位裝置、顯示器、揚(yáng)聲器和選擇開(kāi)關(guān)等。不同的是方家山RPN系統(tǒng)功率量程探測(cè)器共有6個(gè)敏感段,而我廠30萬(wàn)機(jī)組為4個(gè)敏感段。另外,方家山RPN系統(tǒng)增加了控制機(jī)柜和LSS機(jī)柜??刂茩C(jī)柜收集來(lái)自四個(gè)保護(hù)機(jī)柜的輸出信號(hào)中用于報(bào)警、指示和控制的那部分信號(hào),即不用于反應(yīng)堆保護(hù)的部分信號(hào)。LSS系統(tǒng)是方家山機(jī)組新增加的用于LOCA后事故監(jiān)測(cè)的系統(tǒng),這和我廠30萬(wàn)機(jī)組相對(duì)應(yīng)的事故后監(jiān)測(cè)儀表以及秦山二期的RPDM系統(tǒng)均有很大差異,其作用會(huì)在后面描述。LSS機(jī)柜有LSS系統(tǒng)用于處理信號(hào)的LOCA計(jì)算機(jī)和用于試驗(yàn)及指示輸出計(jì)算機(jī)。RPN共有8個(gè)獨(dú)立保護(hù)通道:2個(gè)源量程,2個(gè)中間量程,4個(gè)功率量程。八個(gè)保護(hù)通道安裝在4個(gè)RPN保護(hù)機(jī)柜內(nèi)。
RPN系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí),通過(guò)連續(xù)監(jiān)測(cè)反應(yīng)堆功率、功率水平和功率分布,在KIC或BUP盤(pán)進(jìn)行指示和記錄,為操縱員提供在堆芯裝料、停堆、啟堆和功率運(yùn)行期間反應(yīng)堆的狀態(tài)信息。這些功能包括:由四個(gè)功率量程產(chǎn)生高選最大功率信號(hào),向RGL提供高選核功率信號(hào)用于棒控和棒速程序;由四個(gè)功率量程各自第2和第5通道產(chǎn)生的通道電流,向KIR系統(tǒng)提供中子噪聲電路用于評(píng)估反應(yīng)堆內(nèi)部的振動(dòng)響應(yīng);由中間量程通道向ATWT系統(tǒng)提供非緊急停堆預(yù)期瞬態(tài)的觸發(fā)信號(hào)和向KME系統(tǒng)提供用于試驗(yàn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和向過(guò)程儀表系統(tǒng)提供用于確定超溫和超功率T反應(yīng)堆停堆及提棒閉鎖整定值的軸向功率偏差信號(hào)等。
RPN系統(tǒng)在中子注量率高和中子注量率變化率高時(shí)觸發(fā)反應(yīng)堆停堆。它共提供6個(gè)停堆保護(hù)信號(hào)、5個(gè)控制聯(lián)鎖信號(hào)和4個(gè)允許信號(hào)。中子通量高停堆之前,用信號(hào)閉鎖自動(dòng)和手動(dòng)提棒。軸向功率偏差信號(hào)用于確定超溫和超功率△T反應(yīng)堆停堆和閉鎖提棒整定值。
RPN系統(tǒng)保護(hù)通道是核安全一級(jí)系統(tǒng),在地震過(guò)程中,系統(tǒng)始終保持其保護(hù)功能。
信號(hào)處理流程:
核儀表系統(tǒng)RPN的信號(hào)流程包括了中子通量探測(cè)器、信號(hào)調(diào)理電路(信號(hào)放大、整形、甄別等)、模數(shù)裝換、信號(hào)計(jì)算和處理、信號(hào)分配和輸出等環(huán)節(jié),同時(shí)RPN系統(tǒng)還接受外部其他系統(tǒng)送來(lái)的控制信號(hào)。三種探測(cè)器通道信號(hào)處理流程有許多類(lèi)似之處,下面主要以源量程通道為例描述RPN的信號(hào)處理流程。
首先,由源量程通道的高壓電源給源量程探測(cè)器供電,探測(cè)器接收到熱中子后產(chǎn)生的是低幅值的不規(guī)則脈沖信號(hào),這些低幅值的脈沖信號(hào)首先送給源量程通道的脈沖信號(hào)放大器進(jìn)行放大,之后送給信號(hào)甄別單元進(jìn)行甄別。這個(gè)過(guò)程將除了中子脈沖信號(hào)以外的其他脈沖信號(hào)去處掉,然后將信號(hào)整形成標(biāo)準(zhǔn)的方波脈沖信號(hào),再送到脈沖計(jì)數(shù)單元進(jìn)行計(jì)數(shù),之后送到模擬量輸入模件進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換,然后將信號(hào)送給源量程通道的CPU進(jìn)行計(jì)算和處理。
源量程通道的CPU完成如下工作:將信號(hào)轉(zhuǎn)換成1~106cps的計(jì)數(shù)率信號(hào);計(jì)算中子脈沖的倍增時(shí)間(周期)信號(hào);將送反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)的計(jì)數(shù)率信號(hào)進(jìn)行域值比較,產(chǎn)生源量程高中子通量停堆信號(hào)(105CPS);產(chǎn)生脈沖信號(hào)丟失;產(chǎn)生高壓電源喪失;產(chǎn)生通道試驗(yàn)或故障信號(hào)。
這里與參考電站和我廠30萬(wàn)機(jī)組均不同的是方家山核儀表系統(tǒng)各通道設(shè)置有各自的CPU進(jìn)行信號(hào)處理,而不是在保護(hù)系統(tǒng)的機(jī)柜里進(jìn)行處理。經(jīng)過(guò)處理得到數(shù)字量信號(hào)可以直接輸入到下游用戶使用而不必在每個(gè)用戶系統(tǒng)中都進(jìn)行一次轉(zhuǎn)換了。例如需要用于反應(yīng)堆保護(hù)時(shí),就把這些數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)隔離組件后輸入位于DCS內(nèi)的反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng),在反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)內(nèi)直接進(jìn)行符合邏輯表決,當(dāng)邏輯符合時(shí)即觸發(fā)停堆信號(hào)。再比如需要用到反應(yīng)堆功調(diào)系統(tǒng)用于控制時(shí),直接輸入信號(hào)到RGL系統(tǒng)里作個(gè)高選表決即可得到最高功率通道值用于棒控和棒速系統(tǒng)。這樣做的好處是把保護(hù)信號(hào)繁瑣的處理移到保護(hù)系統(tǒng)之外,從而降低了下游用戶系統(tǒng)處理器的工作負(fù)擔(dān),提高了這些系統(tǒng)的響應(yīng)效率。
源量程通道處理后的信號(hào)要分別送給反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)、后備盤(pán)BUP和KIC系統(tǒng),另外源量程通道產(chǎn)生的中子脈沖信號(hào)還要送到計(jì)數(shù)率音響單元進(jìn)行音頻功率放大和分頻,再送主控室和反應(yīng)堆廠房的揚(yáng)聲器。
中間量程通道和功率量程通道在信號(hào)處理流程上和源量程通道相似。首先,由相應(yīng)量程通道的高壓電源給探測(cè)器供電,探測(cè)器接受到熱中子信號(hào)后產(chǎn)生的小電流信號(hào),小電流信號(hào)送到電流信號(hào)放大器中進(jìn)行放大處理,之后轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)送給相應(yīng)量程通道的模擬量信號(hào)輸入模件進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換,然后將信號(hào)送到相應(yīng)量程通道的CPU進(jìn)行計(jì)算和處理。中間量程通道處理后的信號(hào)要分別送給反應(yīng)堆緊急停堆系統(tǒng)、ATWT系統(tǒng)、反應(yīng)堆功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)、后備盤(pán)BUP和電站計(jì)算機(jī)和控制系統(tǒng)。功率量程通道處理后的信號(hào)要分別送給反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)、反應(yīng)堆功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)、松動(dòng)部件和振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)系統(tǒng)、LSS系統(tǒng)、堆內(nèi)核測(cè)系統(tǒng)系統(tǒng)、后備盤(pán)BUP和電站計(jì)算機(jī)和控制等系統(tǒng)進(jìn)行后續(xù)的保護(hù)和控制。
源量程探測(cè)器位于堆芯下部1/4線的高度上,大約是源棒所在的高度;中間量程探測(cè)器位于堆芯中線的高度上。功率量程探測(cè)器共有6個(gè)敏感段,3個(gè)位于堆芯上部,3個(gè)位于堆芯下部。在徑向看,源量程和中間量程探測(cè)器分為2對(duì),分別位于90°和270°方位上,4個(gè)功率量程探測(cè)器布置在4個(gè)象限中線上。功率量程探測(cè)器的布置保證了可以探測(cè)軸向功率不平衡和徑向功率不平衡情況。在設(shè)備軸向布置上,RPN系統(tǒng)與30萬(wàn)機(jī)組基本相同。在徑向布置上主要有兩點(diǎn)不同:(1)四個(gè)功率量程探測(cè)器布置角度不同,30萬(wàn)機(jī)組布置在四個(gè)象限逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)22.5°方向,而RPN系統(tǒng)則布置在四個(gè)象限中線上;(2)RPN系統(tǒng)把相同系列的源量程和中間量程探測(cè)器布置在同一個(gè)套筒里,這樣可以減少在壓力容器周?chē)臻g的開(kāi)孔數(shù)目。
源量程通道產(chǎn)生的邏輯除了和30萬(wàn)機(jī)組相同的高中子通量停堆信號(hào)外,還有其他一些不同的信號(hào)。
4.1.1 “停堆通量高”報(bào)警信號(hào)
停堆通量高報(bào)警信號(hào)閾值為2~5倍本底計(jì)數(shù)率,可以手動(dòng)閉鎖。該信號(hào)用于預(yù)防誤稀釋事件,僅在停堆換料期間有效,當(dāng)停堆期間中子通量值突然增大時(shí)在主控室發(fā)出報(bào)警信號(hào)提醒操縱員。
4.1.2 通道的就地機(jī)柜抽屜抽出時(shí)所產(chǎn)生的邏輯信號(hào)
當(dāng)一個(gè)通道的抽屜抽出時(shí),自動(dòng)閉鎖該通道的緊急停堆信號(hào),當(dāng)兩個(gè)通道的抽屜都抽出時(shí),也發(fā)出一個(gè)緊急停堆信號(hào)。此信號(hào)在P6出現(xiàn)時(shí)也可手動(dòng)閉鎖。
4.1.3 “高壓丟失”和“高壓異?!眻?bào)警信號(hào)
閾值為“額定電壓-50V”。兩個(gè)源量程探測(cè)器高壓電源的電壓中只要有一個(gè)降至“額定電壓-50V”時(shí),則產(chǎn)生“高壓丟失”報(bào)警信號(hào);兩個(gè)全降至“額定電壓-50V”時(shí),則產(chǎn)生“高壓異常”報(bào)警信號(hào)。任何一個(gè)源量程緊急停堆信號(hào)被手動(dòng)閉鎖以后,這兩個(gè)報(bào)警信號(hào)全被閉鎖。探測(cè)器的高壓電源在源量程緊急停堆手動(dòng)閉鎖后被切除。
4.1.4 “源量程信號(hào)丟失”報(bào)警信號(hào)
任何一個(gè)源量程計(jì)數(shù)率低于10cps時(shí)產(chǎn)生。源量程緊急停堆手動(dòng)閉鎖后,此信號(hào)也被閉鎖。
4.1.5 “通道試驗(yàn)或故障”報(bào)警信號(hào)
模擬電路出現(xiàn)故障時(shí)或進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)產(chǎn)生。為了檢查模擬電路,需把所在抽屜抽出,切除來(lái)自探測(cè)器的信號(hào),不同試驗(yàn)點(diǎn)上加入試驗(yàn)信號(hào)。此時(shí)就產(chǎn)生了“通道試驗(yàn)或故障”報(bào)警信號(hào)。
中間量程通道產(chǎn)生的邏輯信號(hào)主要有四個(gè),其中25%FP緊急停堆信號(hào)、P6信號(hào)和C1信號(hào)這三個(gè)信號(hào)均與30萬(wàn)機(jī)組相同。
有差異的信號(hào)為:輸出用于ATWT的中間量程閾值信號(hào),閾值為30%FP。ATWT為未能緊急停堆的預(yù)期瞬態(tài)。當(dāng)功率達(dá)到30%FP時(shí)中間量程通道發(fā)出該信號(hào),它允許在主給水流量低于6%時(shí)產(chǎn)生ATWT緊急停堆信號(hào)。相應(yīng)信號(hào)在30萬(wàn)機(jī)組里的邏輯為兩臺(tái)蒸汽發(fā)生器水位低于9.15m與汽機(jī)沖動(dòng)級(jí)壓力對(duì)應(yīng)功率大于20%FP相符合,經(jīng)過(guò)25秒延遲啟動(dòng)ATWT緩解系統(tǒng)。兩者啟動(dòng)ATWT緩解系統(tǒng)的內(nèi)涵相同,都是高功率不停堆與失去二次熱阱相符合,只不過(guò)是選取參數(shù)不同罷了。
功率量程通道產(chǎn)生的邏輯信號(hào)主要有九個(gè)。其中緊急停堆(低閾值)、緊急停堆(高閾值)、P10允許、C2禁止提棒和正、負(fù)中子通量高變化率停堆等信號(hào)均與30萬(wàn)機(jī)組相同。其他信號(hào)則和30萬(wàn)機(jī)組有差異。
4.3.1 允許信號(hào)P8
閾值30%FP,允許單列故障停堆。方家山機(jī)組是三環(huán)路,兩列環(huán)路主泵故障(或冷卻劑低流量)與P7符合會(huì)導(dǎo)致停堆。如果P8信號(hào)存在,則只要有一列主泵故障(或冷卻劑低流量)就會(huì)導(dǎo)致停堆。
4.3.2 允許信號(hào)P16
閾值為40%FP,它允許汽機(jī)脫扣緊急停堆。30萬(wàn)機(jī)組為存在P7就會(huì)引起停機(jī)聯(lián)鎖停堆。
4.3.3 閉鎖信號(hào)C20
閾值為15%FP當(dāng)堆功率小于它的閾值時(shí),它閉鎖RGL系統(tǒng)R棒自動(dòng)提升。30萬(wàn)機(jī)組類(lèi)似信號(hào)為C5信號(hào),由汽機(jī)沖動(dòng)級(jí)壓力大于15%FP產(chǎn)生。
4.3.4 “汽機(jī)負(fù)荷增加閉鎖”信號(hào)
閾值為96%FP。該信號(hào)使得升負(fù)荷期間,當(dāng)汽機(jī)功率升高到96%FP時(shí)閉鎖汽機(jī)自動(dòng)升負(fù)荷,以防止由于汽機(jī)負(fù)荷增加過(guò)快而引起反應(yīng)堆功率超調(diào)。
除了以上四個(gè)信號(hào)外,高中子通量變化率停堆信號(hào)在方家山機(jī)組里做了動(dòng)作限制。這是由于方家山機(jī)組棒控系統(tǒng)控制方式與30萬(wàn)機(jī)組不同。方家山機(jī)組棒控分為功率棒組和溫度棒組,其中功率棒棒位會(huì)自動(dòng)跟蹤汽機(jī)負(fù)荷而變化。為了防止甩負(fù)荷時(shí)功率棒組快速下插引起高中子通量變化率停堆信號(hào)誤動(dòng)作,特別加上主泵轉(zhuǎn)速校正信號(hào)和平均溫度校正信號(hào)來(lái)該停堆信號(hào)。校正信號(hào)的極性、大小和延時(shí)加入的時(shí)間都是根據(jù)甩負(fù)荷時(shí)中子通量過(guò)渡過(guò)程曲線經(jīng)試驗(yàn)決定的。堆功率低于10%FP時(shí),校正自動(dòng)閉鎖。任何功率下都可以通過(guò)選擇開(kāi)關(guān)手動(dòng)閉鎖。
LSS系統(tǒng)是LOCA后事故監(jiān)測(cè)系統(tǒng),它的主要功能是連續(xù)監(jiān)測(cè)反應(yīng)堆的運(yùn)行狀態(tài)。通過(guò)連續(xù)計(jì)算,并且將計(jì)算結(jié)果用圖形、數(shù)值、曲線等方式實(shí)時(shí)或延遲顯示出來(lái),對(duì)異常運(yùn)行情況發(fā)出報(bào)警和控制信號(hào),幫助操縱人員有效地監(jiān)視堆芯運(yùn)行情況,提高反應(yīng)堆運(yùn)行的安全性。LSS系統(tǒng)與我廠30萬(wàn)機(jī)組的事故后監(jiān)測(cè)儀表和秦山二期的RPDM(反應(yīng)堆功率分布監(jiān)測(cè)系統(tǒng))相似之處為三者都有事故后監(jiān)測(cè)的能力。不同的是LSS系統(tǒng)具有對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理的功能,而后兩者只能測(cè)量數(shù)據(jù)或讀取其他系統(tǒng)計(jì)算后的參數(shù)數(shù)據(jù)而不能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。LSS系統(tǒng)利用來(lái)源于RPN模擬部分產(chǎn)生的通道測(cè)量值進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算的參數(shù)和信息有:LOCA裕度相關(guān)計(jì)算;堆芯中子注量率分布相關(guān)計(jì)算;監(jiān)視運(yùn)行點(diǎn)變化計(jì)算;運(yùn)行梯形圖越帶計(jì)算和決定運(yùn)行梯形圖左限線和絕對(duì)線設(shè)定的計(jì)算等。
方家山機(jī)組運(yùn)行梯形圖和30萬(wàn)機(jī)組以及秦山二期機(jī)組均有很大區(qū)別。正常運(yùn)行帶在運(yùn)行梯形圖(見(jiàn)圖1)的左限線和右限線是通過(guò)LSS系統(tǒng)的LOCA計(jì)算機(jī)設(shè)定的,其值來(lái)自于核設(shè)計(jì)報(bào)告。設(shè)計(jì)計(jì)算條件是:一回路失水事故發(fā)生時(shí)必須保證燃料包殼溫度小于1204℃。由此可以決定最大線功率密度<480W/cm。經(jīng)一系列的模擬實(shí)驗(yàn)、研究和計(jì)算表明:如果在該梯形內(nèi)運(yùn)行,熱點(diǎn)因子不超過(guò)允許值,從而確定了運(yùn)行梯形的左、右限制線。
梯形圖右邊的絕對(duì)線是由三條線段組成的折線,根據(jù)在發(fā)生喪失主給水或中、小破口失水事故時(shí)堆芯上部不熔化以及保證最小DNBR>1.3等條件計(jì)算出來(lái)的。
圖1運(yùn)行梯形圖
方家山機(jī)組運(yùn)行梯形圖對(duì)機(jī)組運(yùn)行工況的限制與30萬(wàn)機(jī)組有較大差別。30萬(wàn)機(jī)組是按照技術(shù)規(guī)格書(shū)的要求,對(duì)有越帶現(xiàn)象的工況按規(guī)定步驟進(jìn)行退防。方家山機(jī)組梯形圖除了退防要求外,還有如下一些自動(dòng)或手動(dòng)控制信號(hào):
當(dāng)△I超出左限線或△I超出右限線且堆功率>50%FP時(shí)觸發(fā)C21信號(hào),C21會(huì)觸發(fā)RUNBACK信號(hào),汽機(jī)自動(dòng)降負(fù)荷;
當(dāng)堆功率P<15%FP時(shí),C21自動(dòng)閉鎖;
右限線、絕對(duì)線、15%功率線及50%功率線所圍成的區(qū)域?yàn)橛?jì)時(shí)區(qū)。壽期末緊急停堆后碘坑下再啟堆時(shí),由于硼稀釋能力的限制,必須強(qiáng)行抽出功率補(bǔ)償棒,而不遵守其限制線規(guī)定。這時(shí)允許工作點(diǎn)落在此區(qū)內(nèi),但為了減少出現(xiàn)不可控氙振蕩的風(fēng)險(xiǎn),必須計(jì)時(shí)。四個(gè)功率量程核儀表測(cè)量的并經(jīng)計(jì)算出來(lái)的工作點(diǎn)只要有一個(gè)進(jìn)入此區(qū)域就開(kāi)始計(jì)時(shí),12小時(shí)內(nèi)累積計(jì)時(shí)時(shí)間不超過(guò)90分鐘。為防止超過(guò)這個(gè)限值,在累積計(jì)時(shí)達(dá)約1小時(shí)后,就應(yīng)采取降負(fù)荷措施。
方家山RPN系統(tǒng)功能相當(dāng)于我廠30萬(wàn)機(jī)組的堆外核測(cè)系統(tǒng),兩者產(chǎn)生的許多核測(cè)保護(hù)信號(hào)和控制信號(hào)都相同。但方家山RPN系統(tǒng)在信號(hào)處理流程、事故后監(jiān)測(cè)、部分邏輯控制信號(hào)上和30萬(wàn)機(jī)組均有很大不同。從明年開(kāi)始公司就要對(duì)方家山機(jī)組進(jìn)行操縱員培訓(xùn),希望系統(tǒng)培訓(xùn)的重點(diǎn)應(yīng)放在我廠原有機(jī)組和新機(jī)組對(duì)應(yīng)系統(tǒng)差異性對(duì)比方面,這樣培訓(xùn)可以做到融會(huì)貫通、事半功倍的效果。
[1]秦山核電有限公司培訓(xùn)中心編.300MW壓水堆核電站培訓(xùn)系列教材[Z].浙江海鹽:秦山核電有限公司,1998(12).
[2]孔昭育,龔云峰,編校.核電廠培訓(xùn)教程[M].北京:原子能出版社,1990(7).
[3]廣東核電培訓(xùn)中心編.900MW壓水堆核電站系統(tǒng)與設(shè)備[M].北京:原子能出版社,2008(10).
[4]李高,王銀麗,編.方家山核儀表系統(tǒng)手冊(cè)[Z].成都:核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院.2008(3).
[5]謝仲生,吳宏春,張少泓,編.核反應(yīng)堆物理分析[M].北京:原子能出版社,2004(7).