馮威 羅煒 俞赟 尤愷

（中國核動力研究設(shè)計院核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)重點實驗室，四川成都610041）

0 引言

反應(yīng)堆保護系統(tǒng)是核電廠重要的安全系統(tǒng)。它對于限制核電廠事故的發(fā)展、減輕事故后果，保證反應(yīng)堆及核電廠設(shè)備和人員的安全、防止放射性物質(zhì)向周圍環(huán)境的釋放具有十分重要的作用。它監(jiān)測電廠重要的參數(shù)，對安全信號進行必要的采集、計算、定值比較、符合邏輯處理，當(dāng)選定的電廠參數(shù)達到安全系統(tǒng)整定值時，自動地觸發(fā)反應(yīng)堆緊急停堆和/或驅(qū)動專設(shè)安全設(shè)施動作，以實現(xiàn)并維持電廠的安全停堆工況。

1 設(shè)計準(zhǔn)則

反應(yīng)堆保護系統(tǒng)的設(shè)計須滿足以下設(shè)計準(zhǔn)則：

1.1 自動保護

除非出現(xiàn)危險工況到要求保護動作之間有足夠長的時間允許操縱員手動操作，否則所有保護動作都應(yīng)是自動的。保護動作一旦觸發(fā)就應(yīng)進行到底。除非操縱員有意識地操作逐個部件來終止專設(shè)安全設(shè)施動作。只有系統(tǒng)級驅(qū)動信號被復(fù)位后，才允許操縱員進行部件級手動復(fù)位。部件復(fù)位的一個原因是如果發(fā)生安全功能的誤驅(qū)動，可通過部件復(fù)位來終止安全功能。

1.2 單一故障準(zhǔn)則

反應(yīng)堆保護系統(tǒng)具有足夠的冗余度，保證不會因為單一故障而喪失保護功能。應(yīng)考慮發(fā)生在系統(tǒng)內(nèi)部的、發(fā)生在輔助系統(tǒng)中的以及由外部原因引起的故障。

即使在一個通道旁通用于試驗或維護的情況下，安全系統(tǒng)內(nèi)一個可信的單一故障不會阻止系統(tǒng)級保護功能的觸發(fā)或完成。即使在安全系統(tǒng)因單一故障退化的情況下，系統(tǒng)也包含足夠的冗余以滿足性能要求。安全系統(tǒng)內(nèi)的單一故障不會導(dǎo)致II類工況事件發(fā)展成為III類工況事件或III類工況事件發(fā)展成為IV類工況事件。

冗余序列間的連接或與非安全系統(tǒng)間的信號連接包含隔離裝置。隔離裝置是經(jīng)過測試的，以確保如物理損壞、短路、開路、輸出終端電壓故障等可信的故障不會反向傳播到隔離裝置的輸入端。隔離裝置確保非安全系統(tǒng)內(nèi)的可信單一故障不會降低安全系統(tǒng)的性能。

為防止共模故障，采用了諸如功能多樣性、物理隔離、試驗以及在設(shè)計、生產(chǎn)、安裝和運行過程中采取行政控制等附加方法。

保護系統(tǒng)的另一個設(shè)計目標(biāo)是將誤停堆和專設(shè)安全設(shè)施誤驅(qū)動的概率降至最低。對那些故障后會產(chǎn)生錯誤的停堆或?qū)ＴO(shè)安全設(shè)施觸發(fā)信號的重要電路提供了冗余。停堆四取二的驅(qū)動邏輯以及停堆斷路器的設(shè)置防止了單一故障觸發(fā)停堆。對于專設(shè)安全設(shè)施觸發(fā)，每個部件的驅(qū)動邏輯在符合邏輯內(nèi)部都是冗余執(zhí)行的。冗余的邏輯極大降低了了隨機單一故障導(dǎo)致誤驅(qū)動的概率，也使得在定期試驗期間專設(shè)驅(qū)動邏輯同樣滿足單一故障準(zhǔn)則。用于觸發(fā)系統(tǒng)級專設(shè)安全設(shè)施的專用開關(guān)利用激勵觸發(fā)的方式，極大降低了誤驅(qū)動概率。

1.3 故障檢測

為了能檢測系統(tǒng)內(nèi)部的故障，并核實系統(tǒng)的性能參數(shù)與功能要求相一致，要求能夠?qū)Ψ磻?yīng)堆保護系統(tǒng)進行定期試驗。

對于從來自不同通道信號得到最終系統(tǒng)輸出信號所需的通道和裝置，提供了試驗及校準(zhǔn)的能力。從保護系統(tǒng)傳感器輸入到被驅(qū)動設(shè)備的試驗通過一系列重疊連續(xù)的試驗完成，大部分的試驗可以在電廠滿功率期間進行。當(dāng)滿功率情況下試驗會擾亂電廠運行或損壞設(shè)備時，這類設(shè)備的試驗將在低功率或反應(yīng)堆停堆時進行。

1.4 控制與保護的接口

控制系統(tǒng)與保護系統(tǒng)共用探測器時，為了防止控制系統(tǒng)的故障延伸到保護系統(tǒng)，信號傳輸通過隔離裝置。

來自保護通道的部分信息用于電廠控制。這樣設(shè)計的優(yōu)點在于：

1）控制采用與保護相同的測量信號。這樣使得控制系統(tǒng)的功能能夠維持運行狀態(tài)和安全限值之間的裕度，減少誤停堆的可能性。

2）減少單個過程參數(shù)重復(fù)測量數(shù)量能夠減少全廠關(guān)鍵壓力邊界(如反應(yīng)堆冷卻劑回路，穩(wěn)壓器和蒸汽發(fā)生器)貫穿件的數(shù)量和復(fù)雜度。這樣也降低了電廠成本和維護要求，節(jié)省了空間，并提高了隔離性。

1.5 對共因故障的保護

提供使反應(yīng)堆保護系統(tǒng)免受共因故障影響的措施，減小這類同時影響冗余通道的故障的幾率。采用冗余裝置間的實體分隔和電氣隔離來限制外部事件的后果，考慮到共因故障可能起源于系統(tǒng)內(nèi)部，設(shè)計中采用功能多樣性原理。各冗余部分由獨立的電源供電。

為了防止反應(yīng)堆保護系統(tǒng)可能出現(xiàn)的共模故障對核電廠安全的影響，需設(shè)計獨立于反應(yīng)堆保護系統(tǒng)的多樣性驅(qū)動系統(tǒng)，多樣性驅(qū)動系統(tǒng)可以是非安全級的。

1.6 保護功能的手動啟動

系統(tǒng)級的每個保護動作，可以在控制室手動啟動。手動啟動所用設(shè)備的數(shù)量必須盡量少，手動啟動與自動動作的共用設(shè)備應(yīng)盡量少。

1.7 旁通

只有當(dāng)余下的通道仍滿足單一故障準(zhǔn)則時，才允許為了試驗或維修的目的將一個通道退出運行（維修旁通）。如果這一原則不能滿足，只要通道不可用的時間足夠短，在這一時間內(nèi)仍在工作的通道的故障率與1/2系統(tǒng)在正常運行中的故障率相當(dāng)，則允許一個通道旁通。根據(jù)反應(yīng)堆運行工況的需要，允許閉鎖某些保護功能，稱為運行旁通；當(dāng)允許條件不滿足時，運行旁通自動取消。

安全系統(tǒng)允許在維護、試驗或維修時對監(jiān)測選定變量的保護通道進行旁通。該旁通可在功率運行期間進行，并不會引起保護動作的觸發(fā)。當(dāng)在功率運行期間允許選定變量的一個通道被旁通一段時間時，系統(tǒng)仍滿足單一故障準(zhǔn)則。如果系統(tǒng)的某部分被行政旁通或退出運行，在主控制室會有相應(yīng)的顯示。

在一個通道旁通時，保護系統(tǒng)不允許監(jiān)測同一變量的第二個通道被旁通。試圖旁通多個通道的操作是被閉鎖的。對于每個驅(qū)動功能，運行技術(shù)規(guī)范限制了一個通道允許被旁通或退出運行的時間間隔。技術(shù)規(guī)格書中列出的時間是考慮了功能的冗余性和重要性確定的。

1.8 信息

與電廠狀態(tài)和反應(yīng)堆保護系統(tǒng)狀態(tài)有關(guān)的數(shù)據(jù)應(yīng)明確地、完整地并及時地顯示在控制室。這些顯示使操縱員能跟蹤保護系統(tǒng)的運行，在需要的時候啟用手動控制。

對于沒有自動控制又是安全系統(tǒng)完成其安全功能所必需的手動控制操作，為其提供信息的顯示儀表應(yīng)是安全系統(tǒng)的一部分，并且應(yīng)滿足對核電廠事故監(jiān)測儀表的要求。顯示儀表的設(shè)計應(yīng)使可能引起操縱員混淆的不明確顯示減到最少。

報警也能夠提醒操縱員電廠工況與正常運行工況的偏離，使其能采取適當(dāng)?shù)膭幼饕员苊鈱Π踩到y(tǒng)的挑戰(zhàn)。

保護系統(tǒng)提供給操縱員持續(xù)旁通狀態(tài)的指示。狀態(tài)信息的顯示允許操縱員識別特定的旁通功能，并判斷邏輯是否已經(jīng)退化。除狀態(tài)指示外，對于一個給定的保護功能，如果試圖旁通一個以上的保護通道，主控室中將會產(chǎn)生報警。

1.9 獨立性

安全系統(tǒng)的靈活性使得冗余序列之間是實體分隔的。通道的獨立性貫穿整個系統(tǒng)，從傳感器一直到驅(qū)動保護功能的裝置。冗余變送器之間也是實體分隔的。冗余通道的配線通過使用實體分隔、分析、隔離、試驗或屏障的方式提供電路的獨立性。

設(shè)計的理念是最大化地利用測量儀表的多樣性，因此保護系統(tǒng)持續(xù)監(jiān)測大量多樣化的系統(tǒng)變量。一般地，兩個或兩個以上多樣化的保護功能能夠在嚴重后果發(fā)生前結(jié)束一個事件。

對于保護系統(tǒng)冗余設(shè)備間的通訊，采用了隔離裝置以保持不同序列間的電氣隔離。同時隔離裝置也保證了安全設(shè)備和那些使用保護信號的非安全系統(tǒng)間的隔離。

2 結(jié)束語

反應(yīng)堆保護系統(tǒng)對電廠安全起到了至關(guān)重要的作用，在工程設(shè)計中應(yīng)遵循其各類設(shè)計準(zhǔn)則，以確保反應(yīng)堆的安全。

［1］GB 4083-2005核反應(yīng)堆保護系統(tǒng)安全準(zhǔn)則[S].