北京廣利核系統(tǒng)工程有限公司 路德才，張 斌，梁中起，左 新，謝逸欽

高溫氣冷堆核電站保護(hù)系統(tǒng)定期試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

北京廣利核系統(tǒng)工程有限公司 路德才，張 斌，梁中起，左 新，謝逸欽

華能山東石島灣高溫氣冷堆核電站示范工程（HTR-PM），是世界上第一座具有第四代核能系統(tǒng)安全特征的高溫氣冷堆商用示范核電站。結(jié)合高溫氣冷堆的特點(diǎn)，清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院和北京廣利核系統(tǒng)工程有限公司共同開發(fā)了HTR-PM專用的數(shù)字化保護(hù)系統(tǒng)，該保護(hù)系統(tǒng)是基于和睦系統(tǒng)（FirmSys）產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)的。按照標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)要求，需對(duì)反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行定期試驗(yàn)，該定期試驗(yàn)方案采用集成化較高的定期試驗(yàn)裝置實(shí)現(xiàn)，可在保證保護(hù)系統(tǒng)安全的情況下，完成對(duì)保護(hù)系統(tǒng)全覆蓋的T1（不含交叉檢驗(yàn)）、T2、T3試驗(yàn)。本文針對(duì)HTR-PM專用的數(shù)字化保護(hù)系統(tǒng)，提出了一套完整的定期試驗(yàn)解決方案，該方案滿足法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的要求，與壓水堆項(xiàng)目相比，簡(jiǎn)化了保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，優(yōu)化了試驗(yàn)人員的操作過程。對(duì)其他堆型的定期試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)有借鑒意義。

和睦系統(tǒng)；高溫氣冷堆核電站；定期試驗(yàn)

1 引言

華能山東石島灣高溫氣冷堆核電站示范工程（HTR-PM），是世界上第一座具有第四代核能系統(tǒng)安全特征的高溫氣冷堆商用示范核電站。該核電站設(shè)計(jì)是兩套核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)（NSSS）連接一臺(tái)汽輪機(jī)，形成一套核電機(jī)組。每座反應(yīng)堆設(shè)置一套獨(dú)立的保護(hù)系統(tǒng)，兩套保護(hù)系統(tǒng)的功能和結(jié)構(gòu)完全相同，并采用同樣的設(shè)備實(shí)現(xiàn)。兩套保護(hù)系統(tǒng)是由清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院和北京廣利核系統(tǒng)工程有限公司基于和睦系統(tǒng)（FirmSys）產(chǎn)品共同開發(fā)的。FirmSys是我國(guó)首個(gè)并且是目前唯一一個(gè)研制成功并通過鑒定的數(shù)字化核安全級(jí)儀控系統(tǒng)。為了確保保護(hù)系統(tǒng)能夠在異常工況下可靠的執(zhí)行保護(hù)動(dòng)作，應(yīng)采用定期試驗(yàn)的方法，驗(yàn)證其有效性。本文介紹HTR-PM保護(hù)系統(tǒng)的定期試驗(yàn)方案。

2 HTR-PM專用的數(shù)字化保護(hù)系統(tǒng)對(duì)定期試驗(yàn)功能要求

HTR-PM專用的數(shù)字化保護(hù)系統(tǒng)采用四通道冗余和兩級(jí)四取二（“2／4”）表決的結(jié)構(gòu)，并采用局部符合（即對(duì)同一個(gè)保護(hù)變量四個(gè)冗余監(jiān)測(cè)信號(hào)進(jìn)行“2／4”符合）邏輯，以降低誤動(dòng)作概率并提高可維護(hù)性。保護(hù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 保護(hù)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

保護(hù)系統(tǒng)對(duì)定期試驗(yàn)的功能要求如下：

· 定期試驗(yàn)應(yīng)能在役（不停堆情況下）進(jìn)行，定期試驗(yàn)可通過手動(dòng)完成；

· 在試驗(yàn)時(shí)不會(huì)妨礙保護(hù)系統(tǒng)的正常功能，也不會(huì)造成誤停堆；

· 當(dāng)需要對(duì)單一通道實(shí)行試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)將其置于旁通狀態(tài)；

· 定期試驗(yàn)的范圍包括從敏感元件到安全驅(qū)動(dòng)裝置執(zhí)行安全功能的所有部分，試驗(yàn)分段進(jìn)行，各段試驗(yàn)間應(yīng)相互銜接并有覆蓋；

· 保護(hù)系統(tǒng)設(shè)備應(yīng)設(shè)置適當(dāng)?shù)男盘?hào)接口和操作手段，滿足各種功能試驗(yàn)和維護(hù)要求。

3 定期試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

針對(duì)上述要求，本設(shè)計(jì)采用分段交迭試驗(yàn)的方法，共分為三段，分別為T1試驗(yàn)、T2試驗(yàn)和T3試驗(yàn)，每段試驗(yàn)之間具有重疊，可以保證試驗(yàn)的完整性。

T1試驗(yàn)對(duì)傳感器間信號(hào)進(jìn)行交叉檢驗(yàn)并檢驗(yàn)通道定值比較功能的正確性；T2試驗(yàn)用于驗(yàn)證邏輯符合功能的正確性；T3試驗(yàn)用于驗(yàn)證保護(hù)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)是否正常。

為描述清楚分段設(shè)計(jì)及交迭范圍，對(duì)圖1進(jìn)行了細(xì)化，示意圖如圖2所示。

圖2 保護(hù)系統(tǒng)的分段試驗(yàn)方案

為了實(shí)現(xiàn)上述方案，北京廣利核系統(tǒng)工程有限公司定制開發(fā)了定期試驗(yàn)裝置，用于完成保護(hù)系統(tǒng)的T1（不包含交叉檢驗(yàn)）、T2、T3試驗(yàn)。

3.1 定期試驗(yàn)裝置

定期試驗(yàn)裝置是完成HTR-PM專用的數(shù)字化保護(hù)系統(tǒng)定期試驗(yàn)的專有裝置，該裝置可完成保護(hù)系統(tǒng)的T1（不包含交叉檢驗(yàn)）、T2、T3試驗(yàn)。為了保證定期試驗(yàn)裝置本身的可靠性，該裝置具有自身的定期校驗(yàn)、校準(zhǔn)功能。

在反應(yīng)堆停堆和運(yùn)行過程中，試驗(yàn)裝置均可對(duì)反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行定期試驗(yàn)，且不會(huì)對(duì)保護(hù)系統(tǒng)造成干擾。

在試驗(yàn)過程中，遇到關(guān)鍵的測(cè)試步驟，定期試驗(yàn)裝置給出提示，待操作人員確認(rèn)后才能進(jìn)行下一步操作；所有試驗(yàn)項(xiàng)目，可以分項(xiàng)獨(dú)立完成，也可以統(tǒng)一連續(xù)完成；試驗(yàn)啟動(dòng)后，試驗(yàn)信號(hào)注入與結(jié)果顯示過程自動(dòng)完成，并自動(dòng)保存試驗(yàn)結(jié)果；操作人員可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，即時(shí)中斷試驗(yàn)。

3.2 接口描述

定期試驗(yàn)裝置與HTR-PM專用的數(shù)字化保護(hù)系統(tǒng)的接口有物理接口和網(wǎng)絡(luò)接口兩種，本文中物理接口的定義為：定期試驗(yàn)裝置與保護(hù)系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交互是通過預(yù)制電纜/半預(yù)制電纜/硬接線等方式實(shí)現(xiàn)；通訊接口定義為：定期試驗(yàn)裝置與保護(hù)系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交互是通過通訊的方式實(shí)現(xiàn)。

（1）物理接口

保護(hù)系統(tǒng)具有專用的定期試驗(yàn)接口板卡，該板卡與定期試驗(yàn)裝置通過航空插頭進(jìn)行連接。

（2）通訊接口

本系統(tǒng)具有專用的網(wǎng)絡(luò)通訊切換板卡，該板卡有專用的定期試驗(yàn)接口，通過LEMO14芯連接器實(shí)現(xiàn)定期試驗(yàn)裝置與保護(hù)系統(tǒng)的連接。

3.3 T1試驗(yàn)

3.3.1 交叉檢驗(yàn)

交叉檢驗(yàn)是通過定期對(duì)各通道安全顯示顯示的信息進(jìn)行比較、記錄、分析，以檢驗(yàn)敏感元件、信號(hào)隔離分配的設(shè)備有無故障以及輸入信號(hào)有無漂移等。交叉檢驗(yàn)通過手動(dòng)比對(duì)的方式實(shí)現(xiàn)，不通過定期試驗(yàn)裝置。具體原理如圖3所示。

圖3 交叉檢驗(yàn)

3.3.2 定值比較

該試驗(yàn)將檢驗(yàn)通道定值比較功能的正確性和驗(yàn)證其功能是否符合要求。試驗(yàn)原理如圖4所示。

圖4 測(cè)試信號(hào)輸入方式及定值比較試驗(yàn)方法示意圖

進(jìn)行本試驗(yàn)時(shí)，需要旁通。保護(hù)系統(tǒng)的旁通方案通過FirmSys系統(tǒng)的旁通板卡實(shí)現(xiàn)，該板卡為純硬件設(shè)計(jì)，相比軟件而言，可靠性更高。本試驗(yàn)通過定期試驗(yàn)裝置輸出切換控制信號(hào)，將現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)切換成測(cè)試信號(hào)，通過物理接口注入到保護(hù)系統(tǒng)；通過通訊接口將試驗(yàn)結(jié)果回讀到定期試驗(yàn)裝置。此操作過程，僅需通過相應(yīng)接口將定期試驗(yàn)裝置與保護(hù)系統(tǒng)可靠連接后，即可進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)啟動(dòng)后，試驗(yàn)信號(hào)注入與結(jié)果顯示過程自動(dòng)完成，并自動(dòng)保存試驗(yàn)結(jié)果。

3.4 T2試驗(yàn)

T2試驗(yàn)將檢驗(yàn)邏輯符合功能的正確性，試驗(yàn)原理如圖5所示。

圖5 T2試驗(yàn)方法示意圖

進(jìn)行本試驗(yàn)時(shí)，需要旁通。在試驗(yàn)過程中，定期試驗(yàn)裝置調(diào)節(jié)各測(cè)試信號(hào)值的大小及符合邏輯的不同組合，使保護(hù)系統(tǒng)輸出不同的結(jié)果，并與預(yù)期結(jié)果相比較，以判斷邏輯符合功能的正確性。

3.5 T3試驗(yàn)

3.5.1 停堆斷路器試驗(yàn)

停堆斷路器試驗(yàn)，與T2試驗(yàn)的區(qū)別在于，T2試驗(yàn)的輸出結(jié)果，保護(hù)系統(tǒng)不輸出到現(xiàn)場(chǎng)。而本試驗(yàn)中，通過定期試驗(yàn)裝置發(fā)出控制信號(hào)，保護(hù)系統(tǒng)輸出觸發(fā)信號(hào)至停堆斷路器，定期試驗(yàn)裝置通過回讀停堆短路器狀態(tài)，驗(yàn)證停堆斷路器是否正常脫扣動(dòng)作。試驗(yàn)結(jié)束后，需要通過其他通訊方式聯(lián)系現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)停堆斷路器進(jìn)行復(fù)位。

3.5.2 緊急停堆聯(lián)鎖試驗(yàn)與專設(shè)動(dòng)作試驗(yàn)

本試驗(yàn)用于驗(yàn)證保護(hù)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)是否正常，主要包括緊急停堆聯(lián)鎖信號(hào)與專設(shè)安全設(shè)施驅(qū)動(dòng)信號(hào)。試驗(yàn)原理如圖6所示。

圖6 T3試驗(yàn)方法示意圖

進(jìn)行本試驗(yàn)時(shí)，需要旁通。在試驗(yàn)過程中，定期試驗(yàn)裝置調(diào)節(jié)測(cè)試信號(hào)的不同邏輯組合，使保護(hù)系統(tǒng)輸出緊急停堆聯(lián)鎖動(dòng)作觸發(fā)信號(hào)和專設(shè)安全設(shè)施驅(qū)動(dòng)裝置觸發(fā)信號(hào)，同時(shí)定期試驗(yàn)裝置采集觸發(fā)信號(hào)的觸點(diǎn)狀態(tài)，以判斷各輸出觸點(diǎn)狀態(tài)的正確性；因保護(hù)系統(tǒng)中緊急停堆聯(lián)鎖動(dòng)作觸發(fā)信號(hào)和專設(shè)安全設(shè)施驅(qū)動(dòng)裝置觸發(fā)信號(hào)具有保持功能，試驗(yàn)結(jié)束后，需要定期試驗(yàn)裝置輸出復(fù)位信號(hào)將保護(hù)系統(tǒng)復(fù)位。

4 設(shè)計(jì)特點(diǎn)

（1）定期試驗(yàn)裝置的高度集成

僅通過HTR-PM專用的定期試驗(yàn)裝置，即可完成保護(hù)系統(tǒng)的T1（不包含交叉檢驗(yàn)）、T2、T3試驗(yàn)，不需要在不同的試驗(yàn)階段采用不同的測(cè)試裝置。

（2）定期試驗(yàn)裝置的易用性

定期試驗(yàn)裝置完成T1（不包含交叉檢驗(yàn)）、T2、T3試驗(yàn)過程中，均不需要人工注入信號(hào)與回讀數(shù)據(jù)，可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)；同時(shí)，該裝置可自動(dòng)生成測(cè)試結(jié)果，并在裝置界面中顯示每一條用例的執(zhí)行結(jié)果。

本方案可以減少人為干預(yù)，大大提高效率，降低人因失誤的概率。

（3）旁通裝置的高可靠性

本方案中旁通信號(hào)采用純硬件實(shí)現(xiàn)，不會(huì)妨礙保護(hù)系統(tǒng)的正常功能，也不會(huì)造成誤停堆，相比軟件而言，可靠性更高，有效避免定期試驗(yàn)期間因軟件共因失效而造成誤停堆。

（4）定期試驗(yàn)裝置的高可靠性

定期試驗(yàn)裝置具有自身的定期校驗(yàn)、校準(zhǔn)功能。只有裝置自檢通過才可進(jìn)行試驗(yàn)操作。

5 設(shè)計(jì)驗(yàn)證

本方案已經(jīng)通過專家評(píng)審會(huì)的評(píng)審，并且在高溫氣冷堆核電站安全級(jí)控制保護(hù)系統(tǒng)設(shè)備訂貨合同項(xiàng)目FT測(cè)試中針對(duì)本方案進(jìn)行了驗(yàn)證，驗(yàn)證范圍包括：T1（不包含交叉檢驗(yàn)）、T2、T3試驗(yàn)，涵蓋所有需要試驗(yàn)的功能，上述試驗(yàn)均已通過驗(yàn)證。

6 結(jié)論

本文介紹的HTR-PM專用的數(shù)字化保護(hù)系統(tǒng)定期試驗(yàn)方案，滿足標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)要求，也滿足設(shè)計(jì)院規(guī)格書的要求，并通過專家會(huì)評(píng)審和測(cè)試驗(yàn)證，是一套合理的切實(shí)可行的定期試驗(yàn)方案。

本方案采用分段試驗(yàn)的試驗(yàn)策略，每段試驗(yàn)之間有重疊，分為T1、T2和T3試驗(yàn)，從而對(duì)保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行充分的測(cè)試以確保其安全性。

本方案采用定期試驗(yàn)裝置完成定期試驗(yàn)，大大提高了試驗(yàn)人員的效率，同時(shí)降低了人因帶來的風(fēng)險(xiǎn)，更利于業(yè)主進(jìn)行定期試驗(yàn)。

定期試驗(yàn)是HTR-PM專用的數(shù)字化保護(hù)系統(tǒng)的重要組成部分，為確保保護(hù)系統(tǒng)的正常有效運(yùn)行發(fā)揮重要作用。

[1] IEEE 338-2006. IEEE standard Criteria for Periodic Surveillance Testing of Nuclear Power Generating Station Safety Systems[S].

[2] IEC 60671-2007. Nuclear power plants – Instrumentation and control systems important to safety –Surveillance testing[S].

[3] GB/T 5204-2008. 核電廠安全系統(tǒng)定期試驗(yàn)與監(jiān)測(cè)[S].

High Temperature Gas Cooled Reactor Nuclear Power Plant Protection System Periodic Test Project Design

The demonstration project of Huaneng Shandong Shidao bay high temperature gas-cooled reactor nuclear power plant (HTR - PM), is the world's first fourth-generation nuclear power system safety characteristics of hightemperature gas-cooled reactor of commercial demonstration nuclear power plant. Combining with the characteristics of high temperature gas-cooled reactor, the Institute of Nuclear and New Energy Technology, Tsinghua University and China Technology CO.LTD jointly developed the HTR-PM special digital protection system, which is based on FirmSys products. According to the requirement of standard and regulations, the reactor protection system should be periodically tested. The periodic test scheme should be realized by the high-integrated periodic test device, which can complete the T1 (without cross examination), T2 and T3 test with full coverage of the protection system in the case of ensuring the safety of the protection system. This articleproposes a set of complete periodic test solution for the HTR-PM special digital protection system, whichmeets the requirements of the regulations and standards.Compared with pressurized water reactor project, it simplifies the design of the protection system, and optimizes the operation of the tester. It can provide the reference for other types of periodic test scheme.

FirmSys; High-temperature gas-cooled reactor nuclear power plant; Periodic test

路德才（1976-），男，山東人，工程師，碩士研究生，現(xiàn)就職于北京廣利核系統(tǒng)工程有限公司，主要從事公司技術(shù)部定制應(yīng)用開發(fā)項(xiàng)目技術(shù)管理、技術(shù)研究和項(xiàng)目管理方面的工作。