胡文正，張益林，郭 偉

(中廣核研究院有限公司，廣東 深圳 518116)

壓水堆水壓試驗(yàn)超壓保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

胡文正，張益林，郭 偉

(中廣核研究院有限公司，廣東 深圳 518116)

根據(jù)我國核安全法規(guī)要求，壓水堆核電機(jī)組一回路邊界在水壓試驗(yàn)期間承受的最大壓力約為功率運(yùn)行工況下的1.33倍。為控制壓水堆核電機(jī)組一回路水壓試驗(yàn)過程中的系統(tǒng)超壓風(fēng)險(xiǎn)，必須由超壓保護(hù)裝置提供相應(yīng)的保護(hù)功能，以確保試驗(yàn)期間壓力可控。傳統(tǒng)方案多采用外置的控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，在實(shí)際應(yīng)用中存在增加儀控設(shè)備接口、維護(hù)工作量大等缺點(diǎn)。隨著數(shù)字化技術(shù)在核電領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，傳統(tǒng)方案已不適用于新建核電機(jī)組。為此，提出了一套基于核電機(jī)組數(shù)字化儀控系統(tǒng)平臺(tái)的一回路超壓保護(hù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)有效結(jié)合了數(shù)字化儀控平臺(tái)的特點(diǎn)，具有人機(jī)界面豐富、可實(shí)現(xiàn)多重冗余保護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。該系統(tǒng)已在某核電機(jī)組首次大修中得到了應(yīng)用，應(yīng)用結(jié)果表明，該系統(tǒng)避免了傳統(tǒng)方案的缺點(diǎn)，可操作性強(qiáng)且可靠性高，具有很高的推廣價(jià)值。

新能源； 核電站； 壓水堆； CPR1000; 數(shù)字化儀控平臺(tái)； 水壓試驗(yàn)； 超壓保護(hù)

0 引言

根據(jù)核安全法規(guī) RCC-M的相關(guān)要求，核電站在工程建設(shè)階段和投產(chǎn)后必須執(zhí)行一回路水壓試驗(yàn)[1-2]，而試驗(yàn)過程中面對(duì)的最大風(fēng)險(xiǎn)就是一回路超壓。超壓輕則使一回路出現(xiàn)破口，損壞邊界；重則影響一回路主要設(shè)備的使用壽命。在數(shù)字化儀控系統(tǒng)普及應(yīng)用于核電廠之前，傳統(tǒng)超壓保護(hù)功能的實(shí)現(xiàn)多采用模擬技術(shù)或PLC，需要額外配置相應(yīng)的儀控系統(tǒng)，如控制模塊、I/O模塊等，但與核電站本身的控制系統(tǒng)不兼容[3-4]。隨著數(shù)字化儀控平臺(tái)在二代及三代核電機(jī)組中的大規(guī)模應(yīng)用[5]，通過全廠數(shù)字化儀控平臺(tái)來實(shí)現(xiàn)超壓保護(hù)功能已成為一種可能，基于數(shù)字化儀控平臺(tái)實(shí)現(xiàn)壓水堆超壓保護(hù)功能的方案能有效解決上述問題。

1 超壓保護(hù)系統(tǒng)組成和工作原理

超壓保護(hù)系統(tǒng)工作流程如下。

①一回路水壓試驗(yàn)開始前，調(diào)試超壓保護(hù)系統(tǒng)，準(zhǔn)備投入超壓保護(hù)功能。試驗(yàn)期間，需要隨時(shí)監(jiān)測(cè)壓力，主控室大屏幕提供了實(shí)時(shí)壓力監(jiān)視畫面、聲光報(bào)警、閾值切換的人機(jī)接口。

②升壓階段。在壓力達(dá)到15.4 MPa前，調(diào)整保護(hù)定值為17.2 MPa，超出定值執(zhí)行停止升壓及泄壓指令。

③水壓上行至17.2 MPa，升壓前調(diào)整保護(hù)定值為19.2 MPa。

④水壓繼續(xù)上行至20.6 MPa，升壓前調(diào)整保護(hù)定值為20.64 MPa。

⑤在完成20.6 MPa平臺(tái)各項(xiàng)檢查等試驗(yàn)項(xiàng)目后，進(jìn)入降壓階段。參考步驟③、步驟④，分別調(diào)整保護(hù)定值至19.2 MPa、16.8/17.2 MPa。

⑥水壓試驗(yàn)結(jié)束，退出超壓保護(hù)。

超壓保護(hù)系統(tǒng)配置如圖1所示。

圖1 超壓保護(hù)系統(tǒng)配置圖

圖1中，①為系統(tǒng)自帶的高精度活塞式壓力計(jì),用于提供標(biāo)準(zhǔn)壓力比對(duì)；②為系統(tǒng)自帶的差壓式壓力傳感器，用于測(cè)量一回路壓力與標(biāo)準(zhǔn)壓力差值；③為系統(tǒng)自帶的靜壓式壓力傳感器，用于測(cè)量一回路壓力；④為額外添加的靜壓式壓力傳感器，具有寬量程，用于水壓試驗(yàn)期間一回路壓力檢測(cè)和監(jiān)視；⑤為額外添加的靜壓式壓力傳感器，具有窄量程，用于水壓試驗(yàn)期間一回路壓力檢測(cè)和保護(hù)；⑥為額外添加的就地顯示壓力計(jì)，用于就地顯示測(cè)量的壓力；⑦為系統(tǒng)自帶的泄壓閥，用于執(zhí)行一回路泄壓；⑧為系統(tǒng)自帶的升壓泵，用于執(zhí)行一回路升壓；⑨、⑩分別為額外添加的就地記錄儀及額外添加的主控記錄儀。

其中，從靜壓式壓力傳感器④、⑤去往LEVEL1的2個(gè)輸入通道用于輸入模擬量，從LEVEL1去往就地記錄儀⑨及主控記錄儀⑩的2個(gè)輸出通道用于輸出模擬量，而從LEVEL1去往泄壓閥⑦、升壓泵⑧的2個(gè)輸出通道用于輸出開關(guān)量。

2 超壓保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

由于壓水堆一回路水壓試驗(yàn)超壓保護(hù)系統(tǒng)是一種臨時(shí)裝置(每十年大修時(shí)使用一次)，故在機(jī)組整體設(shè)計(jì)時(shí)未設(shè)計(jì)試驗(yàn)專用的儀表以及相應(yīng)的貫穿件通道；而控制邏輯、操作畫面也需要單獨(dú)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。因此，設(shè)計(jì)要求基于核電機(jī)組大修低低水位的工作窗口，在不破壞原有DCS平臺(tái)功能的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)超壓保護(hù)功能。

2.1 軟件設(shè)計(jì)

在軟件設(shè)計(jì)方面，要考慮實(shí)現(xiàn)超壓保護(hù)功能所需的控制邏輯、人機(jī)界面、數(shù)據(jù)庫參數(shù)配置等。

2.1.1 數(shù)據(jù)庫I/O點(diǎn)設(shè)計(jì)

基于參與超壓保護(hù)功能的儀表和執(zhí)行機(jī)構(gòu)數(shù)量，列出I/O清單，并結(jié)合DCS機(jī)柜功能分配原則，選取合適的機(jī)柜進(jìn)行硬件配置。同時(shí)，根據(jù)各個(gè)儀表信號(hào)參與的保護(hù)、報(bào)警等功能，設(shè)置相應(yīng)的閾值。超壓保護(hù)系統(tǒng)I/O清單如表1所示。

表1 超壓保護(hù)系統(tǒng)I/O清單

超壓保護(hù)定值清單明確了信號(hào)的報(bào)警、保護(hù)動(dòng)作定值。在升壓過程中，當(dāng)壓力在某個(gè)平臺(tái)超出閾值后，即輸出報(bào)警和保護(hù)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)超壓保護(hù)功能。以RCP016MP為例，該壓力變送器測(cè)量的是一回路壓力值和以RCP017LP為代表的標(biāo)準(zhǔn)值。在206 bar平臺(tái)，當(dāng)RCP016MP輸出為0 bar時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)行聲光報(bào)警，提示壓力已達(dá)到試驗(yàn)要求值，不能再繼續(xù)升壓；當(dāng)RCP016MP輸出為40 bar時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)開啟RIS124VP進(jìn)行泄壓操作，避免系統(tǒng)超壓。

2.1.2 邏輯組態(tài)設(shè)計(jì)

邏輯組態(tài)設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)的功能包括:將對(duì)應(yīng)閾值判斷結(jié)果傳遞到相應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以及各閾值保護(hù)功能的投入和切除。

一回路水壓試驗(yàn)過程中，在一回路壓力達(dá)到不同的壓力值之前，閾值需要隨著壓力的升高而逐漸切換到較高閾值；降壓階段與此相反。在邏輯組態(tài)中引入功能切換模塊，以實(shí)現(xiàn)不同壓力平臺(tái)下的閾值切換。例如，在一回路壓力上升階段，當(dāng)壓力在154 bar以下時(shí)，保護(hù)設(shè)定值為168 bar；當(dāng)壓力上升至206 bar時(shí)，保護(hù)設(shè)定值變?yōu)?06.4 bar和209 bar。因此，在一回路壓力已經(jīng)達(dá)到154 bar并完成相應(yīng)平臺(tái)操作、繼續(xù)提升壓力前，提前切除168 bar的保護(hù)，并投入206.4 bar和209 bar的保護(hù)。在邏輯組態(tài)中實(shí)施以上組態(tài)后，操作員即可在主控室操作員站一鍵完成相應(yīng)操作。

2.1.3 畫面組態(tài)設(shè)計(jì)

畫面組態(tài)設(shè)計(jì)任務(wù)是為主控室操作員提供一回路水壓試驗(yàn)期間的壓力監(jiān)視、保護(hù)功能投切、手動(dòng)控制等功能。上述功能可通過利用平臺(tái)的數(shù)據(jù)庫，在數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行定義和關(guān)聯(lián)相應(yīng)的I/O點(diǎn)，并使用繪圖軟件設(shè)計(jì)相應(yīng)畫面來實(shí)現(xiàn)。

2.2 硬件設(shè)計(jì)

2.2.1 I/O設(shè)備規(guī)模

超壓保護(hù)需要多個(gè)冗余的壓力表來測(cè)量壓力，并輸入控制器參與保護(hù)邏輯。為確保測(cè)量參數(shù)可信，設(shè)計(jì)了就地壓力計(jì)和遠(yuǎn)傳壓力傳感儀表；選用不同的測(cè)量范圍，窄量程實(shí)現(xiàn)保護(hù)，寬量程用于顯示?；谏鲜鲂枨髞泶_定需要參與保護(hù)系統(tǒng)的儀表和泵閥門的數(shù)量及其地理位置、系統(tǒng)的I/O點(diǎn)數(shù)，包括模擬量I/O信號(hào)、開關(guān)量I/O信號(hào)以及各類型信號(hào)的數(shù)量等。先確定參與超壓保護(hù)的儀表和閥門泵組的數(shù)量，計(jì)算出需要配置的硬件I/O規(guī)模如下:模擬量輸入通道2個(gè)、模擬量輸出通道2個(gè)、開關(guān)量輸出通道2個(gè)(上述通道均取自核電站數(shù)字化儀控系統(tǒng)機(jī)柜內(nèi)設(shè)備)；泄壓閥門及升壓泵采用核電站系統(tǒng)自帶設(shè)備；臨時(shí)壓力變送器2臺(tái)(取自核電站試驗(yàn)專用儀表)。

2.2.2 遠(yuǎn)傳信號(hào)電纜路徑布置

按常規(guī)方法，核島電纜路徑設(shè)計(jì)是在主電纜橋架布置圖和次電纜橋架指導(dǎo)圖的基礎(chǔ)上，依據(jù)系統(tǒng)電纜表使用專用軟件進(jìn)行的，其涉及到土建結(jié)構(gòu)、機(jī)械力學(xué)等多專業(yè)配合[6]。信號(hào)一般經(jīng)電纜橋架、防火封堵、電氣貫穿件后才能從核島內(nèi)傳遞至核島外，在工程土建施工階段此方法具有一定可行性；但機(jī)組商運(yùn)后此方法對(duì)周圍已投運(yùn)的設(shè)備影響較大，在電纜敷設(shè)接近超容的情況下，增加試驗(yàn)電纜存在一定的難度[7]。因此，考慮相應(yīng)的優(yōu)化措施。

DCS信號(hào)電纜路徑的布置優(yōu)化需要充分考慮機(jī)組DCS機(jī)柜在電氣廠房的分布。經(jīng)實(shí)地勘察，對(duì)信號(hào)電纜路徑設(shè)計(jì)的目的和難點(diǎn)進(jìn)行了分解，主要有兩大類：一是跨廠房的信號(hào)電纜，如電氣廠房的信號(hào)機(jī)柜和核島廠房的就地變送器之間，需要經(jīng)過貫穿件；二是同一廠房跨樓層的信號(hào)電纜，如電氣廠房的機(jī)柜間和主控室之間，需要經(jīng)過多扇防火門。采取借用通道的措施可解決上述難點(diǎn)。對(duì)試驗(yàn)用設(shè)備附件的設(shè)備信號(hào)電纜進(jìn)行臨時(shí)轉(zhuǎn)接，包括島內(nèi)電纜和島外電纜，即可實(shí)現(xiàn)無需額外經(jīng)貫穿件走線，確保防火門的完整性。

2.3 就地儀表布置與安裝

試驗(yàn)期間，就地儀表實(shí)現(xiàn)的功能包括一回路壓力信號(hào)的采集(包括遠(yuǎn)傳與就地顯示)、一回路壓力標(biāo)準(zhǔn)壓力源的操作與控制、信號(hào)就地的敷設(shè)、成品保護(hù)措施等。其中壓力變送器的遷移和安裝直接關(guān)系到壓力測(cè)量的精準(zhǔn)度。

由于壓力變送器的安裝位置和壓力取樣點(diǎn)不在同一水平面上，存在一定的壓差，因此根據(jù)壓力測(cè)量原理，需要對(duì)變送器進(jìn)行遷移和校準(zhǔn)。遷移量與儀表實(shí)際安裝位置有關(guān)。如基于臨時(shí)安裝高度需要調(diào)整的液柱高度為14.6 m，根據(jù)一回路水的密度、重力加速度可計(jì)算出遷移量為0.143 MPa，即儀表測(cè)量顯示的值減去0.143 MPa才是一回路真實(shí)壓力。

3 應(yīng)用案例

由于一般工業(yè)用分布式控制系統(tǒng)均具有控制的分散性、配置的靈活性以及組態(tài)的便利性等特點(diǎn)[8]，且目前國內(nèi)CPR1000壓水堆核電機(jī)組所采用的數(shù)字化儀控平臺(tái)也具有類似的功能，因此紅沿河1號(hào)機(jī)組具備實(shí)施超壓保護(hù)裝置功能的基礎(chǔ)條件。選擇參與超壓保護(hù)儀表信號(hào)相對(duì)集中的控制站作為邏輯下裝控制站，能減少柜間電纜數(shù)量、長度，降低對(duì)大修期間其他工作的交叉作業(yè)影響，使組態(tài)設(shè)計(jì)和硬件改動(dòng)量盡量小。相關(guān)的信號(hào)采集和輸出均來自該控制站，未產(chǎn)生柜間通信信號(hào)，有效減少了電纜數(shù)量；對(duì)該控制站所控制的設(shè)備(主要是執(zhí)行機(jī)構(gòu))和聯(lián)鎖邏輯進(jìn)行了梳理，并進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)分析和隔離措施；在完成隔離措施后進(jìn)行控制器的清空下裝，下裝過程未對(duì)機(jī)組設(shè)備狀態(tài)造成影響；在信號(hào)端接通過程中，提前梳理電氣廠房至反應(yīng)堆廠房間的電纜路徑，通過借用通道的方式，有效避免了專用電纜的額外敷設(shè)。針對(duì)采用數(shù)字化儀控技術(shù)的電廠，設(shè)計(jì)了多重保護(hù)定值、保護(hù)驅(qū)動(dòng)設(shè)備以及多樣化顯示設(shè)備，排除了數(shù)字化系統(tǒng)中出現(xiàn)共因失效[9]的可能性。以上工作均在水壓試驗(yàn)開始前完成，無需占用大修關(guān)鍵路徑；在某機(jī)組商運(yùn)后的首次水壓試驗(yàn)期間，超壓保護(hù)裝置運(yùn)行正常，未產(chǎn)生誤動(dòng)和拒動(dòng)，為水壓試驗(yàn)的順利實(shí)施打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

4 結(jié)束語

本文對(duì)大型壓水堆超壓保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求進(jìn)行了分析研究，基于數(shù)字化儀控平臺(tái)開發(fā)出了超壓保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，利用電站數(shù)字化儀控平臺(tái)的資源實(shí)現(xiàn)了超壓保護(hù)裝置功能，大大減少了超壓保護(hù)裝置規(guī)模和工作量；無額外的設(shè)備購置費(fèi)用，工期可控，具有很強(qiáng)的可操作性和經(jīng)濟(jì)性。該方案避免了水壓試驗(yàn)超壓保護(hù)裝置作為一種臨時(shí)裝置需要重復(fù)設(shè)置、長期維護(hù)的問題，具有實(shí)時(shí)監(jiān)控、多重冗余保護(hù)、多樣性保護(hù)手段、免維護(hù)等特點(diǎn)。多次機(jī)組大修水壓試驗(yàn)的應(yīng)用情況表明：該方案安全可靠、可操作性強(qiáng)，應(yīng)用效果良好，在項(xiàng)目資金、人力、工期等方面的投入優(yōu)于傳統(tǒng)方案，為同類型機(jī)組的超壓保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了參考。

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Design and Implementation of the Overpressure Protection Systemfor Hydrostatic Test of Pressurized Water Reactor

HU Wenzheng，ZHANG Yilin，GUO Wei

(China Nuclear Power Technology Research Institute Co.,Ltd.,Shenzhen 518116,China)

In accordance with the nuclear safety regulations of our country,during hydrostatic test,the maximum bearable pressure of the primary loop of the pressurized water reactor(PWR) unit shall be about 1.33 times of that of under normal operation.In order to control the overpressure risk of the system in hydrostatic test,relevant protection function shall be provided by certain overpressure protection device to guarantee the pressure in test period controllable.In traditional scheme,mostly the external control system is used,while I&C interfaces have to be added to bring more maintenance efforts.With the development of the digitized technology and applied in nuclear power field,traditional scheme is no longer suitable for new built units,thus the primary loop overpressure protection system based on a platform of digital I&C technology is proposed.The system integrates the characteristics of digital I&C platform,and has the advantages of rich man-machine interface and multiple redundant protection.The system has been applied in the first overhaul of a certain nuclear power plant.Practice shows that the system avoids the shortcomings of the traditional scheme,features high operability,reliability,and high promotional value.

New energy; Nuclear power plant; Pressurized water reactor; CPR1000; Digital I&C platform; Hydrostatic test; Overpressure protection

胡文正(1985—)，男，學(xué)士，工程師，主要從事核電儀控系統(tǒng)的研發(fā)和應(yīng)用工作。E-mail:summer20008@163.com。

TH812;TP272

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201706024

修改稿收到日期:2017-01-12