鄭培根

(上海核工程研究設(shè)計(jì)院，上海 200233)

基于系統(tǒng)工程理論的地震自動(dòng)停堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄭培根

(上海核工程研究設(shè)計(jì)院，上海 200233)

福島事故后，核電廠在地震條件下的安全性引起了廣泛關(guān)注。為提升核電廠抗震防護(hù)能力，在CAP1400國核示范工程中增設(shè)了地震自動(dòng)停堆系統(tǒng)。采用系統(tǒng)工程理論，從核電廠地震自動(dòng)停堆系統(tǒng)的需求分析、要求分析、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)驗(yàn)證等方面進(jìn)行了詳細(xì)介紹。該系統(tǒng)具有高可靠性，能夠最大限度降低誤觸發(fā)和拒觸發(fā)的可能性，無論對(duì)新建核電廠，還是在役核電廠，均具有較強(qiáng)的推廣價(jià)值和應(yīng)用前景。該設(shè)計(jì)方法對(duì)核電廠儀控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也具有一定的借鑒意義。

核電; 地震自動(dòng)停堆系統(tǒng); 傳感器; 安全; 數(shù)字低通濾波; 電磁兼容; 老化試驗(yàn); 整定; 防護(hù)

0 引言

在地震條件下，核電廠的系統(tǒng)、構(gòu)筑物和部件都可能遭受破壞，影響整個(gè)核電廠的安全運(yùn)行，因此核電廠在選址、設(shè)計(jì)和制造過程中都要關(guān)注電廠的抗震防護(hù)能力。

福島事故發(fā)生后，核電廠在地震條件下的安全性引起了人們的廣泛關(guān)注，許多國家都強(qiáng)調(diào)提升核電廠抗震防護(hù)能力及地震次生災(zāi)害的應(yīng)對(duì)能力。我國核安全監(jiān)管機(jī)構(gòu)也針對(duì)國內(nèi)新建核電廠的抗震設(shè)計(jì)提出了更高要求。國家核安全局在《新建核電廠安全要求》中提出新建核電廠宜設(shè)置地震自動(dòng)停堆系統(tǒng)(earthquakescramsystem，ESS)。在CAP1400安全評(píng)審對(duì)話過程中，審評(píng)方也多次要求增設(shè)地震自動(dòng)停堆功能。

然而，我國此前并無大型核電廠地震自動(dòng)停堆系統(tǒng)自主設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，也缺乏相關(guān)的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)。為此，本文基于系統(tǒng)工程理論，詳細(xì)介紹了CAP1400國核示范工程地震自動(dòng)停堆系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

本文基于系統(tǒng)工程理論，對(duì)核電廠地震自動(dòng)停堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程進(jìn)行描述，包括需求分析、要求分析、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)驗(yàn)證4個(gè)階段。

1 需求分析

國際原子能機(jī)構(gòu)(internationalatomicenergyagency,IAEA)在NS-G-1.6[1-4]第7.6節(jié)中指出：核電廠是否設(shè)置地震自動(dòng)停堆系統(tǒng)，應(yīng)充分考慮廠址可能發(fā)生的地震震級(jí)、頻率和持續(xù)時(shí)間，在非地震活躍帶的廠址一般無需設(shè)置該系統(tǒng)；若設(shè)置地震自動(dòng)停堆系統(tǒng)，其適合作為提升電廠抗震防護(hù)能力的額外措施，且應(yīng)充分考慮其存在誤觸發(fā)的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

國際上已有多個(gè)核電站基于不同考慮，設(shè)置了地震自動(dòng)停堆系統(tǒng)。

日本處于亞歐板塊與太平洋板塊的交界處，板塊相互擠壓導(dǎo)致地震頻發(fā)，因此日本的核電廠在選址、設(shè)計(jì)和建造過程中格外關(guān)注地震對(duì)核電廠安全的影響。根據(jù)日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省第62號(hào)條例規(guī)定，每個(gè)核電機(jī)組均須安裝地震自動(dòng)停堆系統(tǒng)。該系統(tǒng)在日本應(yīng)用較早，系統(tǒng)大多是模擬系統(tǒng)，設(shè)計(jì)為安全級(jí)系統(tǒng)。系統(tǒng)通過布置在自由場(chǎng)的3個(gè)地震傳感器采集地震信號(hào)，在機(jī)柜中進(jìn)行信號(hào)處理和3取2(2/3)邏輯表決，并通過反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)觸發(fā)停堆。

俄羅斯VVER-1000反應(yīng)堆安裝了工業(yè)抗震保護(hù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)作為反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)的子系統(tǒng)，設(shè)計(jì)為雙通道安全級(jí)系統(tǒng)，在2個(gè)不同標(biāo)高分別設(shè)置了4個(gè)測(cè)點(diǎn)采集地震信號(hào)。每個(gè)通道進(jìn)行4取2(2/4)符合邏輯表決，分別發(fā)出停堆觸發(fā)信號(hào)。我國田灣核電站也設(shè)置了該系統(tǒng)。

美國有2座核電站安裝了地震自動(dòng)停堆系統(tǒng)，均在加利福尼亞州，分別是迪亞部落峽谷核電站和圣奧諾弗雷核電站。但這并非是美國核管會(huì)的要求，而是反應(yīng)堆安全咨詢委員會(huì)出于對(duì)安全的考慮建議安裝的。這2座核電站的地震自動(dòng)停堆系統(tǒng)同樣設(shè)計(jì)為安全級(jí)，3個(gè)測(cè)點(diǎn)布置在反應(yīng)堆廠房及其附近區(qū)域，在機(jī)柜中進(jìn)行2/3符合邏輯表決，并通過停堆斷路器觸發(fā)反應(yīng)堆停堆。

2007年，日本柏崎刈羽核電站在地震中遭受重大破壞，韓國核安全監(jiān)管機(jī)構(gòu)從中吸取了教訓(xùn)，并基于核電站安全和提升公眾信心的考慮，要求所有核電站安裝地震自動(dòng)停堆系統(tǒng)。目前，韓國已有26個(gè)機(jī)組安裝了地震自動(dòng)停堆系統(tǒng)，且采用統(tǒng)一技術(shù)路線，設(shè)計(jì)為非安全分級(jí)，在核島底板設(shè)置了4個(gè)地震傳感器。地震信號(hào)經(jīng)調(diào)理后發(fā)送到邏輯機(jī)柜，在機(jī)柜中完成定值器邏輯及2/4符合邏輯表決，輸出2路停堆信號(hào)分別控制2臺(tái)棒電源機(jī)組出口斷路器。

中國臺(tái)灣位于亞歐板塊和菲律賓海板塊的復(fù)雜交界處，屬于地震頻發(fā)區(qū)。1999年，集集地震造成了巨大破壞，促使該地區(qū)所有6臺(tái)在役機(jī)組加裝地震自動(dòng)停堆系統(tǒng)。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)為安全級(jí)，6個(gè)測(cè)點(diǎn)分2組布置在2個(gè)標(biāo)高位置，分別進(jìn)行2/3邏輯，并通過反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)觸發(fā)停堆。

從以上案例可以看出，由于所處的地質(zhì)條件和出發(fā)點(diǎn)不同，各國在地震自動(dòng)停堆系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上略有差異，主要包括系統(tǒng)分級(jí)、傳感器數(shù)量和布置、停堆邏輯和驅(qū)動(dòng)方式等。因此，ESS主要從這些方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2 要求分析

2.1 頂層設(shè)計(jì)要求

ESS的頂層設(shè)計(jì)要求主要包括安全分級(jí)、縱深防御功能、抗震分類和鑒定試驗(yàn)等。

核電廠儀控系統(tǒng)是否劃分為安全級(jí)系統(tǒng)，需要滿足用于識(shí)別安全級(jí)物項(xiàng)的3個(gè)基本安全功能[5]。而不設(shè)置ESS，并不影響電廠在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事件條件下保證3個(gè)安全功能的實(shí)現(xiàn)，即ESS并未構(gòu)成安全級(jí)物項(xiàng)的充分必要條件，因此，ESS應(yīng)為非安全級(jí)系統(tǒng)。

另一方面，相關(guān)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，地震事件引起的其他工藝參數(shù)變化，如汽輪機(jī)振動(dòng)過高或喪失廠外電源等也可能間接觸發(fā)停堆[3]。但與工藝參數(shù)累積觸發(fā)報(bào)警相比，地震峰值加速度直接觸發(fā)停堆可以提供5～20s的時(shí)間提前量[3]。這一提前量有助于降低反應(yīng)堆余熱，并防止事故進(jìn)一步惡化。換言之，ESS并不直接執(zhí)行安全功能，而是為核電廠提供縱深防御功能，提升核電廠的抗震防護(hù)能力。

ESS對(duì)地震信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，且需要在地震發(fā)生期間保持其功能性，因此，其應(yīng)設(shè)計(jì)為抗震I類系統(tǒng)。系統(tǒng)的鑒定試驗(yàn)主要包括電磁兼容性(electromagneticcompatibility,EMC)試驗(yàn)、環(huán)境試驗(yàn)和抗震試驗(yàn)。ESS頂層要求如表1所示。

表1 ESS頂層要求

2.2 功能要求

ESS的功能是連續(xù)監(jiān)測(cè)地震信號(hào)。當(dāng)監(jiān)測(cè)到地震峰值加速度超過預(yù)先設(shè)定的停堆整定值時(shí)，產(chǎn)生停堆觸發(fā)信號(hào)并發(fā)送至停堆驅(qū)動(dòng)設(shè)備，觸發(fā)反應(yīng)堆停堆，同時(shí)在主控制室進(jìn)行報(bào)警、指示。因此，系統(tǒng)應(yīng)盡可能降低誤觸發(fā)和拒觸發(fā)的可能性。

首先，應(yīng)根據(jù)地震信號(hào)的特性，設(shè)計(jì)合理的濾波器，提取真實(shí)地震信號(hào)，濾除背景噪聲和機(jī)械振動(dòng)的影響。其次，應(yīng)優(yōu)化系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)和停堆邏輯，合理布置系統(tǒng)設(shè)備。

2.3 性能要求

ESS的性能要求主要包括響應(yīng)時(shí)間、不確定度和可靠性。

系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間與各部件的響應(yīng)時(shí)間有關(guān)。一般而言，地震信號(hào)需經(jīng)傳感器、濾波器、I/O卡件和處理器處理后生成停堆信號(hào)，因此每個(gè)通道的響應(yīng)時(shí)間由以上部件的響應(yīng)時(shí)間組成。由于部件的響應(yīng)時(shí)間與具體的部件選型有關(guān)，因此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段，該指標(biāo)通過工程經(jīng)驗(yàn)估算得出?？紤]到控制棒落棒時(shí)間[3]，系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間可設(shè)置為不大于3s。

根據(jù)地震儀表的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，系統(tǒng)精度通常設(shè)置為±5%，因此，ESS的不確定度可設(shè)置為±5%。

系統(tǒng)的可靠性可為系統(tǒng)的定期試驗(yàn)和維護(hù)提供決策參考。ESS雖不執(zhí)行安全功能，但提供縱深防御功能。根據(jù)相似系統(tǒng)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，為保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，系統(tǒng)的半年和首個(gè)換料周期(18個(gè)月)的可靠性指標(biāo)可分別設(shè)置為0.99和0.95。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

ESS采用數(shù)字化設(shè)計(jì)和冗余架構(gòu)設(shè)計(jì)，ESS架構(gòu)如圖1所示。

圖1 ESS架構(gòu)圖

3.2 加速度傳感器

ESS設(shè)置4個(gè)3軸向加速度傳感器對(duì)地震信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和采集，分別布置在核島底板的4個(gè)獨(dú)立房間。加速度傳感器安裝在密閉的保護(hù)罩內(nèi)，與安裝面進(jìn)行剛性連接，防止信號(hào)放大，并與邏輯觸發(fā)機(jī)柜的輸入/輸出(I/O)模塊連接。3軸向加速度傳感器主要參數(shù)如表2所示。

表2 3軸向加速度傳感器主要參數(shù)

3.3 邏輯觸發(fā)機(jī)柜

邏輯觸發(fā)機(jī)柜用于接收3軸向加速度傳感器信號(hào)，并進(jìn)行處理。

3.3.1 低通濾波

每臺(tái)邏輯觸發(fā)機(jī)柜對(duì)來自本通道的加速度傳感器信號(hào)(X、Y、Z這3個(gè)軸向分量)進(jìn)行數(shù)字低通濾波。2009年，IAEA工作組會(huì)議報(bào)告[4-6]對(duì)大量過往的地震及造成的后果進(jìn)行了分析。分析結(jié)果表明，地震中的高頻成分不會(huì)對(duì)電廠構(gòu)筑物造成重大破壞，因此在確定運(yùn)行基準(zhǔn)地震(operatingbaseearthquake,OBE)超限準(zhǔn)則時(shí)，應(yīng)選取2～8Hz的加速度信號(hào)進(jìn)行分析。而根據(jù)EPRINP-5930[4]，地震加速度對(duì)電廠的破壞主要集中在2～10Hz的頻率范圍內(nèi)，因此，本系統(tǒng)的低通濾波器截止頻率設(shè)定為10Hz。地震信號(hào)經(jīng)低通濾波后，可有效保留地震的主要能量，并避免非天然地震誤觸發(fā)停堆。

3.3.2 邏輯處理

每臺(tái)邏輯觸發(fā)機(jī)柜中設(shè)置2個(gè)定值器邏輯處理器，分別對(duì)本通道的兩組地震信號(hào)的幅值加速度與預(yù)先設(shè)定的停堆整定值進(jìn)行比較。當(dāng)本通道任意一個(gè)加速度傳感器檢測(cè)到任一軸向分量超過停堆整定值時(shí)，其對(duì)應(yīng)的定值器邏輯設(shè)置為觸發(fā)狀態(tài)。定值器輸出信號(hào)同時(shí)發(fā)送至本機(jī)柜和另一機(jī)柜的符合邏輯處理器，作為其輸入信號(hào)。

每臺(tái)邏輯觸發(fā)機(jī)柜中設(shè)有1個(gè)符合邏輯處理器，接收4個(gè)定值器輸出信號(hào)(其中2個(gè)來自本通道、2個(gè)來自另一個(gè)通道)，并對(duì)4個(gè)信號(hào)進(jìn)行2/4符合邏輯表決。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行旁通試驗(yàn)或確認(rèn)某一傳感器存在故障時(shí)，自動(dòng)切換為2/3符合邏輯表決。

該邏輯設(shè)計(jì)通過冗余設(shè)計(jì)可提高系統(tǒng)的可靠性，且能夠避免因單一設(shè)備故障導(dǎo)致的系統(tǒng)不可用現(xiàn)象。

3.3.3 整定值設(shè)定

在CAP1400設(shè)計(jì)中，ESS為新增系統(tǒng)，國內(nèi)尚無該系統(tǒng)的自主化設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)；且ESS設(shè)計(jì)為非安全級(jí)系統(tǒng)，這意味著ESS沒有具體的整定值計(jì)算方法，也沒有相關(guān)的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)計(jì)算整定值。鑒于此，本節(jié)提出了一種基于安全級(jí)系統(tǒng)整定值計(jì)算[6]的ESS整定值計(jì)算方法，如圖2所示。

圖2 ESS整定值計(jì)算方法示意圖

考慮到ESS的功能要求，ESS宜采用峰值加速度作為停堆參數(shù)。事實(shí)上，國際上已設(shè)置地震自動(dòng)停堆系統(tǒng)的核電廠均采用峰值加速度作為停堆參數(shù)。除韓國外，其余國家和地區(qū)的地震停堆整定值均等于或小于OBE。而根據(jù)IAEA的建議和RG1.166的要求，當(dāng)?shù)卣鹜６颜ㄖ党^OBE時(shí)，應(yīng)手動(dòng)停閉反應(yīng)堆，因此圖2中的安全分析限值設(shè)置為OBE。同時(shí)根據(jù)系統(tǒng)的性能要求和工程經(jīng)驗(yàn)，圖2中的各個(gè)參數(shù)取值如表3所示。

綜上所述，ESS的停堆整定值為測(cè)點(diǎn)位置0.3SSE反應(yīng)譜對(duì)應(yīng)的峰值加速度(zeropeakacceleration,ZPA)。

表3 ESS停堆整定值計(jì)算參數(shù)

3.3.4 停堆驅(qū)動(dòng)

ESS為非安全級(jí)系統(tǒng)，其停堆觸發(fā)信號(hào)不應(yīng)直接接入反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)。為保證在地震事件下觸發(fā)停堆，ESS應(yīng)通過驅(qū)動(dòng)棒電源機(jī)組出口斷路器觸發(fā)停堆。若2/4符合邏輯表決結(jié)果，表明地震強(qiáng)度超過停堆整定值，則每個(gè)通道產(chǎn)生1個(gè)停堆觸發(fā)信號(hào)，單獨(dú)控制1臺(tái)對(duì)應(yīng)的棒電源機(jī)組出口斷路器；2個(gè)通道同時(shí)輸出停堆信號(hào)時(shí)，將驅(qū)動(dòng)2臺(tái)棒電源機(jī)組出口斷路器跳閘，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆停堆。

3.3.5 人機(jī)接口

在每臺(tái)邏輯觸發(fā)機(jī)柜的維修和試驗(yàn)組件(maintanceandtestassembly,MTA)中，為本通道的2個(gè)傳感器設(shè)置旁通允許開關(guān)和旁通開關(guān)。只有當(dāng)旁通允許開關(guān)閉合時(shí)，才可通過旁通開關(guān)進(jìn)行旁通試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)，可通過MTA強(qiáng)制輸入特定的試驗(yàn)信號(hào)，驗(yàn)證停堆邏輯的正確性和設(shè)備狀態(tài)。系統(tǒng)維修和試驗(yàn)時(shí)可旁通任一傳感器，且同一時(shí)刻只能旁通1個(gè)傳感器；與此同時(shí)，符合邏輯算法的表決邏輯由2/4變?yōu)?/3。

ESS在機(jī)柜和主控制室中同時(shí)提供報(bào)警指示，為電廠運(yùn)行人員提供設(shè)備狀態(tài)和停堆驅(qū)動(dòng)狀態(tài)等信息。

4 設(shè)計(jì)驗(yàn)證

為驗(yàn)證ESS設(shè)計(jì)的可靠性，采用可靠性框圖法(reliabilityblockdiagram,RBD)對(duì)ESS進(jìn)行可靠性分析。ESS可靠性分析基于以下假設(shè)：①機(jī)械設(shè)備的可靠度為1，即忽略機(jī)械設(shè)備存在故障的可能性；②電子器件的隨機(jī)故障分布假定為指數(shù)函數(shù)，即：

R=e-λt

(1)

式中：R為可靠性;λ為失效率,次/h;t為時(shí)間，h。

對(duì)圖1所示的系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行建模，可得到ESS的RBD框圖。地震自動(dòng)停堆系統(tǒng)中的傳感器模塊由3軸向加速度傳感器和低通濾波器組成，定值器邏輯則由AI卡、處理器和DO卡組成，2/4邏輯由DI卡、處理器和DO卡組成，停堆觸發(fā)模塊由繼電器和出口斷路器組成。根據(jù)參考文獻(xiàn)[10]中的失效率數(shù)據(jù)和參考文獻(xiàn)[2]中的典型數(shù)據(jù)，ESS部件失效率如表4所示。前2個(gè)換料周期內(nèi)正常發(fā)出停堆觸發(fā)信號(hào)的ESS部件可靠性如表5所示。

表4 ESS部件失效率

表5 ESS部件可靠性

5 結(jié)束語

本文采用系統(tǒng)工程理論，從需求分析、要求分析、系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方面詳細(xì)介紹了CAP1400國核示范工程地震自動(dòng)停堆系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。最終通過可靠性分析，對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有較高的可靠性，能夠最大限度降低誤觸發(fā)和拒觸發(fā)的可能性，兼顧了安全性和經(jīng)濟(jì)性。該系統(tǒng)的外部接口少，對(duì)其他儀控系統(tǒng)影響不大，因此對(duì)新建電廠和在役電廠均有較好的推廣價(jià)值和應(yīng)用前景。

[1]IAEA.Seismicdesignandqualificationfornuclearpowerplants[R].SafetyGuideNS-G-1.6,Vietnam,Austria,2003.

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DesignofEarthquakeScramSystemBasedonSystemEngineeringTheory

ZHENGPeigen

(ShanghaiNuclearEngineeringResearchandDesignInstitute,Shanghai200233,China)

ThesafetyofNPPunderearthquakehasbeenpaidextensiveattentionsinceFukushimanuclearaccident.Therefore,earthquakescramsystem(ESS)isaddedtoCAP1400StateNuclearPowerDemonstrationProject.ThedesignofESSisdetailedintroducedbasedonsystemengineeringtheory,includingneedanalysis,requirementanalysis,systemdesignanddesignverificationofseismicautomaticshutdownsystemofnuclearpowerplant.TheESSdesignfillstheblankofdomesticself-designing,withhighreliability,anditcanminmizelyreducethepossibilityofmistakeandrejechingfrigger,havingstrongpromotingvalueandapplyingprospecttobothnewconstructedandin-serviceNPPs.ThemethodcouldalsoprovideareferencefordesigningNPPI&Csystems.

Nuclearpower;Earthquakescramsystem;Sensor;Security;Digitallow-passfilter;Electromagneticcompatibility;Burn-intest;Settingvalue;Protection

鄭培根(1986—),男，碩士，工程師，主要從事核電廠機(jī)電設(shè)備控制技術(shù)的研究。E-mail:zhengpeigen@snerdi.com.cn。

TH-3;TP

ADOI: 10686/j.cnki.issn1000-0380.201701010

修改稿收到日期:2016-06-29