王銀麗 羅 煒 陳 樂 李 高 楊戴博 沈 峰

（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

核儀表系統(tǒng)通過設(shè)置在反應(yīng)堆壓力容器外的多個中子探測器來測量堆芯泄漏的中子注量率，以實現(xiàn)對反應(yīng)堆功率、功率變化率和功率分布的連續(xù)監(jiān)測，為操縱員提供堆芯裝料、停堆、啟堆和功率運行期間的反應(yīng)堆狀態(tài)信息；同時在中子注量率及其變化超過安全分析確定的整定值時，向反應(yīng)堆保護系統(tǒng)提供用于反應(yīng)堆緊急停堆的信號。此外，核儀表系統(tǒng)還向反應(yīng)堆棒控棒位系統(tǒng)（RGL）提供控制聯(lián)鎖信號，向多樣化反應(yīng)堆保護系統(tǒng)（DAS）和堆芯控制系統(tǒng)（CCS）提供核功率信號。

與參考電站核儀表系統(tǒng)采用的模擬技術(shù)相比，秦山核電廠擴建項目（方家山核電工程）核儀表系統(tǒng)機柜采用了基于Rolls-Royce Civil Nuclear 的SPINLINE 3 的數(shù)字化技術(shù)。下面從系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)接口設(shè)計、系統(tǒng)自檢及定期試驗、經(jīng)驗反饋等方面介紹方家山核電工程核儀表系統(tǒng)相對于參考電站的改進情況。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

方家山核電工程核儀表系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。整個系統(tǒng)主要由8 支中子探測器、4 個保護機柜、1 個控制機柜和1 個LSS 機柜組成。

1.1 保護機柜

保護機柜由4 個基于SPINLINE 3 的標(biāo)準(zhǔn)機柜組成，分別隸屬于4 個保護儀表組IP、IIP、IIIP、IVP。保護機柜IP、IIP 分別由SR、IR 和PR 信號調(diào)理和處理設(shè)備組成，保護機柜IIIP、IVP 分別由PR 信號調(diào)理和處理設(shè)備組成。與參考電站采用的模擬技術(shù)不同，方家山核電工程核儀表系統(tǒng)的信號處理功能由軟件完成，包括信號調(diào)理設(shè)備的信號的采集，計數(shù)率、中子倍增時間、中子注量率水平、功率水平、軸向功率偏差等參數(shù)的計算和處理，將相關(guān)參數(shù)與整定值進行比較，并產(chǎn)生相應(yīng)的保護或控制邏輯信號。

數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用從一定程度上精簡了設(shè)備配置，提高了保護通道的精度，但保護通道的響應(yīng)時間相比模擬技術(shù)要略慢些。對于RPN 送往反應(yīng)堆保護系統(tǒng)的核功率“局部脫扣”信號，為了滿足保護通道響應(yīng)時間的要求（分配給RPN 和反應(yīng)堆保護系統(tǒng)Tricon 設(shè)備的響應(yīng)時間只有200ms），每個信號在RPN 機柜側(cè)設(shè)計為4 路輸出，經(jīng)隔離分配后同時送至四個保護組對應(yīng)的多樣性子組，這種設(shè)計確保了每個保護組均直接從每個保護組RPN 機柜獲得了與RPN 探測器冗余度相對應(yīng)的“局部脫扣”信號，從而節(jié)約了由一個保護組的Tricon處理單元采集之后再轉(zhuǎn)發(fā)給其他三個保護組的響應(yīng)時間。

1.2 控制機柜

參考電站中控制機柜采用的是模擬技術(shù)，參數(shù)在控制機柜側(cè)的顯示通過切換開關(guān)來選擇需要的參數(shù)，相關(guān)的報警邏輯則通過繼電器機架實現(xiàn)。方家山核電工程核儀表系統(tǒng)控制機柜采用數(shù)字技術(shù)后，由控制計算機實現(xiàn)對保護通道的監(jiān)測和相關(guān)報警邏輯的處理，并通過網(wǎng)絡(luò)通信將核儀表系統(tǒng)用于主控制室信息顯示、記錄、報警的信息送至DCS，具備24h 數(shù)據(jù)存儲保護，同時管理源量程計數(shù)率的音頻輸出，并提供良好的人-機接口（HMI）功能，簡化設(shè)備的同時大大提高了設(shè)備的可用性和操縱人員的可操作性。

參考電站中，LSS 機柜僅在主控制室配置有一套顯示器和鍵盤，送往主控制室的監(jiān)測信息均通過布置在臺盤上的專用顯示、記錄和報警設(shè)備來實現(xiàn)，同時在臺盤上設(shè)置有允許修改LSS 機柜內(nèi)部參數(shù)的鑰匙開關(guān)。方家山核電工程中LSS 機柜就地和主控制室均設(shè)置了顯示器和鍵盤，便于信息的監(jiān)測和設(shè)備的維修，LSS 機柜內(nèi)部參數(shù)的修改通過在軟件中設(shè)置相應(yīng)的操作權(quán)限即可進行。

同時主控制室設(shè)計采用數(shù)字化儀控平臺后，LSS 機柜送往主控制室的監(jiān)測信息均集成在DCS 系統(tǒng)中，并設(shè)計有專門的監(jiān)測畫面，精簡主控制室的設(shè)備的同時提高了操縱人員的可操作性。

1.3 維護設(shè)備

相比參考電站，本項目核儀表系統(tǒng)還設(shè)計有專用的維修試驗裝置（MTE）和就地顯示單元（LDU）。MTE 主要由工控計算機、輸入/輸出板卡、電流/脈沖信號發(fā)生器、顯示器、鍵盤鼠標(biāo)和打印機組成，用于核儀表系統(tǒng)保護通道的定期試驗、探測器的曲線繪制以及高壓和甄別閾值等的定值調(diào)節(jié)，MTE 的使用使得定期試驗的操作簡單化。LDU 是一臺標(biāo)準(zhǔn)的筆記本電腦，用于執(zhí)行與保護通道安全級軟件相關(guān)的任務(wù)，包括連接通道軟件的識別、軟件故障的查看、軟件變量和參數(shù)的顯示、軟件參數(shù)的修改、描述文件的裝入、log 事件的查閱等。

2 系統(tǒng)接口設(shè)計

與參考電站不同，方家山核電工程數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用，使得RPN 系統(tǒng)的內(nèi)、外部信號接口設(shè)計不再只采用單一的硬接線技術(shù)，同時采用了網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。其中，RPN 保護機柜與RPN 控制機柜之間的內(nèi)部信號連接采用光纖通信Nervia 網(wǎng)，RPN 保護機柜與外部系統(tǒng)機柜之間的信號連接采用硬接線，RPN 控制機柜與外部系統(tǒng)機柜之間的連接采用RS485 串口通信和硬接線。

（1）光纖通信Nervia 網(wǎng)。由于RPN 控制機柜對信號的響應(yīng)時間要求不高，故采用光纖Nervia 網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，且數(shù)據(jù)只由RPN 保護機柜流向RPN 控制機柜，滿足隔離要求，保證控制機柜的故障不會影響保護機柜功能的實現(xiàn)，同時極大地減少了保護機柜和控制機柜之間連接電纜的數(shù)量。

（2）RS-485 串口通信。同樣針對信號的接收方對響應(yīng)時間要求不高的情況，外部系統(tǒng)所需數(shù)據(jù)經(jīng)網(wǎng)關(guān)送入電廠總線網(wǎng)絡(luò)，目標(biāo)系統(tǒng)從電廠總網(wǎng)線上獲取所需的信息。如從RPN 控制機柜和LSS 機柜送往主控制室電廠計算機和控制系統(tǒng)（KIC）進行顯示和報警的信號。

（3）硬接線。主要針對對信號響應(yīng)時間要求高、信號接收方無法與RPN 系統(tǒng)進行網(wǎng)絡(luò)通信或信號數(shù)量很少的情況。如由于緊急停堆信號響應(yīng)時間要求高，RPN 送往邏輯保護系統(tǒng)（RPR）用于緊急停堆的信號采用了硬接線連接。對于硬接線傳輸?shù)男盘?，在RPN 保護機柜側(cè)均設(shè)計有隔離輸出模塊，以確保信號接收設(shè)備的故障不會對RPN 保護機柜產(chǎn)生影響。如對于開關(guān)量信號，在RPN 側(cè)設(shè)計為電磁繼電器輸出，以實現(xiàn)與信號接收設(shè)備的電氣隔離。

3 系統(tǒng)自檢和定期試驗

作為核電廠安全儀控系統(tǒng)，為檢驗系統(tǒng)設(shè)備的可用性，必須對核儀表系統(tǒng)的功能和性能進行檢查。由于本項目采用了數(shù)字化技術(shù)，相比參考電站，在系統(tǒng)故障檢測（含自檢和定期試驗）方面存在一些變化。

3.1 自檢

參考電站采用的是模擬技術(shù)，系統(tǒng)提供的自檢能力很少，設(shè)備部件的運行狀態(tài)主要通過就地的二極管指示燈來識別。

由于本項目采用了數(shù)字技術(shù)，核儀表系統(tǒng)通過信號處理單元采集設(shè)備部件自身產(chǎn)生的邏輯狀態(tài)來實現(xiàn)設(shè)備運行狀況的自檢，并將相關(guān)報警和監(jiān)測信息通過Nervia 網(wǎng)送往控制機柜，使得下列核儀表系統(tǒng)設(shè)備的運行狀態(tài)通過系統(tǒng)的在線自檢即可識別：

當(dāng)檢測到部件故障時，系統(tǒng)將產(chǎn)生故障安全輸出，同時發(fā)出相應(yīng)的報警信號。維修人員根據(jù)控制機柜產(chǎn)生的報警信號，并結(jié)合系統(tǒng)運行維修手冊，即可完成設(shè)備的故障診斷。

3.2 定期試驗

對于在線自檢不能覆蓋的部分，則需要通過定期試驗的方式進行檢驗。

參考電站中，核儀表系統(tǒng)定期試驗需借助安裝在保護機柜內(nèi)的相應(yīng)的信號發(fā)生器來完成，維修人員通過測量相應(yīng)的信號輸出來逐一判斷試驗結(jié)果是否滿足要求。

由于本項目采用了數(shù)字技術(shù)，定期試驗主要通過使用專用的維修試驗裝置（MTE）來進行。試驗時，只需將MTE 通過Nervia 網(wǎng)連接到相應(yīng)的試驗通道上，通過人機接口操作即可完成試驗，試驗完成后MTE自動產(chǎn)生試驗結(jié)果報告，維修人員通過查看試驗報告即可判斷試驗是否滿足要求。

定期試驗內(nèi)容主要包括：探測器試驗、信號調(diào)理單元試驗、信號處理單元試驗、系統(tǒng)信號輸出及與外部系統(tǒng)連接電纜試驗及外部系統(tǒng)輸入信號的連接電纜試驗。

4 經(jīng)驗反饋

4.1 中間量程探測器輸出信號量程切換問題

中間量程探測器輸出電流信號范圍為（10-11～10-3）A，為滿足如此寬量程信號線性測量的需要，中間量程信號調(diào)理設(shè)備設(shè)計了一個電流/電壓（I/U）轉(zhuǎn)換裝置，通過自動切換量程來跟蹤電流信號的變化，將輸入的電流信號轉(zhuǎn)換成（0～10）V 電壓輸出信號。設(shè)計中共設(shè)置有7 個量程檔位，中間量程探測器輸出電流的計算公式則為：電流（A）=輸出電壓（V）/10(11-量程檔位)（Ω）。

為避免量程切換過程中由于電流的誤計算而導(dǎo)致信號的誤觸發(fā)，在中間量程的信號處理軟件設(shè)計中對電流信號的有效性進行了管理。軟件設(shè)計中對量程的有效性、量程切換所需的時間（含相關(guān)卡件的延遲時間）、計算處理軟件的周期、信號處理設(shè)備是否故障等進行了充分考慮，在未完成量程切換時輸出電流保留上一個值。

4.2 部分定值可調(diào)節(jié)范圍過小問題

參考電站中，核儀表系統(tǒng)相關(guān)的定值調(diào)節(jié)是通過在機柜側(cè)調(diào)節(jié)電位器實現(xiàn)的，中間量程緊急停堆定值、C1、功率量程緊急停堆高定值、C2 的可調(diào)節(jié)范圍分別為（5～30）%FP、（5～25）%FP、（50～120）%FP、（75～120）%FP。

在方家山核電工程中，采用了數(shù)字化技術(shù)，核儀表系統(tǒng)相關(guān)的定值調(diào)節(jié)是通過連接就地顯示單元（LDU）修改參數(shù)實現(xiàn)的。在調(diào)試中發(fā)現(xiàn)，上述定值的調(diào)節(jié)下限設(shè)置的過高，且中間量程緊急停堆定值、C1的調(diào)節(jié)上限設(shè)置的過低，不滿足啟堆過程中的定值調(diào)節(jié)要求。在本電站中對中間量程緊急停堆定值、C1、功率量程緊急停堆高定值、C2 的可調(diào)節(jié)范圍分別調(diào)整為為（0～100）%FP、（0～100）%FP、（0～120）%FP、（0～120）%FP，并要求設(shè)備供貨商對相應(yīng)的軟件參數(shù)進行了相應(yīng)的修改。

5 結(jié)束語

本文簡述了核儀表系統(tǒng)的功能和結(jié)構(gòu)，同時將本系統(tǒng)及設(shè)備與參考電站進行了差異對比，對本系統(tǒng)相關(guān)的設(shè)備和設(shè)計改進情況進行了較為全面的總結(jié)，通過采取必要的改進使得設(shè)計更為合理，系統(tǒng)的功能得以更好實現(xiàn)，希望能對今后本系統(tǒng)的設(shè)計起到很好的借鑒作用。