CPRIOOO核電廠棒位指示系統(tǒng)改進建議
商靜董威茍曉龍
（深圳中廣核工程設計有限公司，廣東深圳518172）
摘 要：RCC -P中要求核電廠要設計棒位測量與指示系統(tǒng)，用來測量、指示控制棒在堆芯內的高度，處理相關的報警指示以及測量落棒時間等。為了滿足反應堆安全運行的要求，確保核電廠的經濟性，需要不斷完善、優(yōu)化棒位測量與指示系統(tǒng)的設計。目前CPRIOOO核電廠中棒位測量與指示系統(tǒng)RPI總體運行狀況良好，同時也暴露了一些弊端。通過對以往CPRlOOO中RPI在安裝、調試、運行過程中遇到的問題進行調查、分析、總結，從系統(tǒng)功能、設備實現(xiàn)法案、信號處理、施工設計等方面提出若干合理化改進措施，為我國自主設計三代核電技術中的RPI系統(tǒng)提供參考建議。
關鍵詞：核電廠CPRIOOO安全系統(tǒng)棒位棒控探測器傳感器
中圖分類號：TH7；TP21 文獻標志碼：A DOI：10. 16086/j cnki. issnl000 - 0380. 201511022
Abstract:In RCC -P,the rod position measurement and indication system shall be designed in nuclear power plant for measurin~; and indicating the height of control rod in the core, handling relevant alarms and measuring the rod drop time, etc. In order to meet the requirements of safety operation of the reactor, and guarantee economic performance of nuclear power plant, continuous improvement of the design of the rod position measurement and indication system is necessary. At present, the operating conditions of rod measurement and indication( RPI) systems in CPRIOOO nuclear power plants are good, but some malpractices are also exposed, through investigating, analyzing and summarizing the problems in installation, commissioning and operation processes of RPI in CPRlOOO, some rationalizing improvement measures are proposed from the aspects of system functions. equipment implementing scheme, signal processing and construction design, etc., to provide reference suggestions for independently designing RPI systems in our 3rd generation nuclear power technology.
Keywords: Nuclear power plant CPRlOOO Safety system Rod position and rod contiol Detector Sensor
O引言
法國90萬kW壓水堆核電廠系統(tǒng)設計和建造準則RCC -P第2.1.1.3.3章節(jié)中針對核電站中反應性控制明確規(guī)定：堆芯反應性控制方案應具有功能多樣性，即能保證在各種正常運行工況下（包括從臨界到功率運行，再到停堆過程）使用功能多樣化的兩種手段控制堆芯反應性。一種手段是由控制棒組件構成，另一種手段是通過一回路冷卻劑中可溶毒物的濃度變
化來實現(xiàn)。同時，第2.1.1.3.6章節(jié)中要求能夠給出有關反應性控制的信息，即給出控制棒位置的明確信息。2.1.1.3.3章節(jié)針對緊急停堆狀況，要求控制棒落入堆芯的速度應足夠快，以保證符合各種設計基準運行工況的有關準則。控制棒的落棒時間應小于在這些設計基準工況分析中所采用的時間。為滿足上述要求，法系的核電站中均設計了控制棒控制、指示系統(tǒng)，系統(tǒng)在控制堆芯反應性的同時，獲取控制棒在堆芯的位置信息并進行落棒時間測量。
CPRIOOO核電廠中棒位指示系統(tǒng)RPI作為棒控棒位系統(tǒng)RCL的一個子系統(tǒng)，用于指示控制棒在堆芯內部的實際高度，并將棒位及其相關的報警信息送到主控室內供操縱員參考，引導操縱員正確操作。同時，該系統(tǒng)設計了落棒時間測量功能，通過測量落棒時控制棒驅動桿在棒位探測器初級線圈中的感生電動勢來反映落棒時間。本文首先簡要介紹RPI系統(tǒng)的功能以及硬件設備組成，然后針對現(xiàn)有設計方案的優(yōu)缺點進行分析、總結，并提出針對性的改善建議。
1棒位指示系統(tǒng)RPI簡介
根據(jù)RCC -P的要求，棒位指示系統(tǒng)RPI不執(zhí)行核安全功能，僅在機組正常運行工況下對堆芯內部控制棒的棒位進行監(jiān)測，并對控制棒的落棒時間進行測量。因此．CPRIOOO核電廠將該系統(tǒng)定義為非安全級系統(tǒng)。1.1 RPI系統(tǒng)功能
CPRlOOO中RPI的功能可分為4個部分：首先負責61組控制棒的棒位信息采集及計算；其次將上述信息通過網絡發(fā)送給操縱員及其他接口系統(tǒng)；此外負責棒位相關的信息處理以及故障管理，如需求棒位和測量棒位間的偏差、控制棒失步報警等；最后在換料后起堆過程中配合專用工具測量落棒過程中各階段(t4、t5、t5、t6)的時長，檢查是否滿足安全分析的要求。
1.2 RPI的硬件組成
CPRlOOO中RPI的硬件設備主要由61根棒位探測器、棒位測量設備（PME機柜）、棒位處理裝置（PPE機柜）及其之間的電纜、服務器組成，如圖1所示。
PME機柜是一個三聯(lián)柜，柜內設有21個CMPB20機架、61個電源模塊MCP10以及61個譯碼器MCP22。每個CMPBzo機架內可以安裝3個MCP10和3個MCP22（其中有1個機架內僅裝1個MCP11和1個MCP22）。MCP10模塊負責給棒位探測器初級線圈供電，MCP22負責接收和整形來自61個棒位探測器的測量信號，將其轉換成為葛萊碼形式的棒位信號，送給棒位處理機柜。
PPE機柜使用的是配有冗余CPU和I/O模塊的PLC，負責接收來自PME的葛萊碼棒位測量信號，并對其進行邏輯處理，如當需求棒位和測量棒位存在偏差時產生報警信號等。同時該機柜需要將上述棒位及報警等信號傳遞到其他相關接口系統(tǒng)上，如KIC、BUP、RCS等。棒位處理柜與外部接口傳遞信號的方式有以下幾種：一是硬接線，二是系統(tǒng)自身組建的環(huán)網，三是通過本機柜內部的網關與DCS進行通信。
CPRIOOO中使用的棒位探測器是由1個初級線圈和31個次級線圈組成的差分變壓器型的棒位探測裝置，棒位探測器測量原理如圖2所示。初級線圈內是正弦交流電，用來提供一個穩(wěn)恒的磁場。31個次級線圈等間距地分布在初級線圈外，次級線圈的平面垂直于初級線圈的中軸線方向。任意兩個相鄰次級線圈間距為P（如圖2中S1和S2的距離），當金屬控制棒驅動桿從左向右移動時，S1與S2線圈內的感生電動勢U1、U2就會隨著控制棒驅動桿的位置x而變化。如果S1與S2線圈的繞線反向相反，將U1與U2的差值作整形后的信號即為圖2中的輸出信號。由圖2可知，當控制棒驅動桿的位置x< -p或者x> +p時，輸出信號為0，當-p <x< +p時，輸出信號為l。這31個次級線圈分為A、B、C、D、E共5組，每個組內的線圈彼此串聯(lián)，如圖3所示。這5組線圈的輸出信號就組成了一個5位的葛萊碼，其中每組線圈分別代表5位代碼系統(tǒng)中的1位。葛萊碼編碼方式的最大優(yōu)勢在于清楚、明確，不易出錯，棒位在連續(xù)變化的過程中每一
次只需有一位代碼進行跳變，這樣大大降低了控制棒移動過程中由于多位代碼同時跳變而出錯的幾率。由于31個線圈彼此間距P為127 mm（8個機械步），則理論上該種類型探測器的分辨率為ip/2=±64 mm（±4個機械步）。
2RPI系統(tǒng)設計方案的不足與分析
2.1 RPI系統(tǒng)功能設計
目前，二代核電CPRlOOO中RPI為非安全級系統(tǒng)，其棒位信號僅做指示和報警功能，不參與其他系統(tǒng)的邏輯處理。相比之下，三代核電某些堆型中RPI系統(tǒng)除了用于處理控制棒棒位的測量，將棒位測量結果提供給反應堆控制、監(jiān)測和限制系統(tǒng)以及落棒時間測量設備以外，它的棒位測量信號已經開始用于保護系統(tǒng)(PS)中。隨著棒控系統(tǒng)功能的多樣化，棒位信號的應用也變得越來越廣泛，棒位探測也顯得尤為重要。在自主研發(fā)三代堆型時，可以充分開發(fā)棒位信號的利用價值，使之在控制系統(tǒng)和保護系統(tǒng)中有更加廣泛的應用。如當反應堆出現(xiàn)跳堆時，棒位指示系統(tǒng)可以實時進行落棒探測，給出落棒時間測量值；此外可以考慮用棒位測量信號參與反應堆保護系統(tǒng)或者反應堆控制系統(tǒng)的相關邏輯，如用棒位信號來產生ATWS信號，參與化學容積控制系統(tǒng)的隔離等。不過，如果將棒位信號應用于保護系統(tǒng)，則需要提高系統(tǒng)的安全級別以及硬件設備的等級，其造價也會相應地提高。設計人員需要找到系統(tǒng)功能以及成本間的平衡點，綜合考慮最優(yōu)方案。
2.2 RPI系統(tǒng)YK處理設備的實現(xiàn)
CPRlOOO中的RPI作為第三方系統(tǒng)獨立于DCS平臺，與DCS間的通信需要通過雙方的網關來實現(xiàn)，這樣容易出現(xiàn)較多的接口問題。工程中遇到的典型事例就是RPI系統(tǒng)最初設計了對自身網關狀態(tài)監(jiān)測的報警信號，然而到貨的設備發(fā)現(xiàn)該報警無法觸發(fā)。究其原因是RPI自身設計的兩個冗余的網關無法彼此進行監(jiān)視，以至于正常工作的網關無法將異常網關的信息傳遞出去，而異常的網關本身自然也無法將報警信號傳遞給DCS。該問題最后只能通過修改DCS的組態(tài)方案，用DCS來監(jiān)測兩者間的通信異常狀態(tài)并觸發(fā)相關報警來解決。雖然該問題不難解決，但是會涉及設計、采購、廠家等多方人員，尤其牽涉合同變更的問題，
給工程項目帶來不必要的麻煩。另一個案例CPRIOOO中，RPI系統(tǒng)沒有設計時鐘授時，而是通過將送給DCS的信號在DCS網關內打時間標簽，再記錄于KIC日志中的方式解決日志時間同步問題。用戶對此提出異議，用戶認為與DCS存在通信的第三方系統(tǒng)均需要授時，以確保系統(tǒng)內的時間日志和DCS嚴格保持同步。由此可見，將RPI作為一個單獨的第三方系統(tǒng)進行設計，引入的接口問題眾多，難以規(guī)避。
調研其他三代堆型，將RPI的棒位處理功能放在DCS平臺中實現(xiàn)是一種常態(tài)化的設計。如EPR中RPI放在安全級DCS平臺TXS中實現(xiàn)，可以避免眾多接口問題，使設計更為簡單，也降低了硬件設備的成本。因此未來新堆型的系統(tǒng)設計中需要設計人員對此問題進行深入思考。
2.3棒位探測器的改進
前文已經對CPRlOOO中使用的棒位探測器作了詳細的介紹。從前文可知，此種棒位探測器只能給出以葛萊碼為基礎的數(shù)字量棒位信號，但無法實現(xiàn)對棒位的連續(xù)測量，其測量精度僅在±8步之間。在未來的新堆型中，可以考慮提高棒位探測器的測量精度，甚至可以使探測器對棒位實現(xiàn)連續(xù)測量。目前，某些三代堆型中的棒位探測器已經可以實現(xiàn)上述功能，此種探測器由1個初級線圈和3個次級線圈組成，其中兩個次級線圈（輔助次級線圈）用來指示控制棒在堆內最頂端和最底端；第三個次級線圈（主次級線圈）覆蓋整個棒位探測器的有效測量范圍，棒位測量信號就來自于這個線圈與初級線圈內磁場的耦合作用。當初級
線圈內通以穩(wěn)定的正弦交流電時，次級線圈內即可測到感生電壓，即從次級線圈中可得到一個連續(xù)測量的模擬量棒位信號，該電壓信號大小基本正比于控制棒驅動桿的位置。經過棒位處理模塊的計算與修正后，該類型的棒位探測器測量精度有顯著提高。也有些三代核電堆型中雖然仍然延續(xù)了數(shù)字量棒位信號的傳統(tǒng)設計方案，但其設計了兩組棒位探測線圈，A組和B組線圈，這樣既提高了系統(tǒng)的可靠性（冗余設計），又提高了棒位測量信號的精度。
正常情況下，兩組探測線圈同時使用，棒位指示的分辨率能達到土3步。即使其中一組線圈出現(xiàn)故障，僅使用另一組探測線圈，損失一半的精度，分辨率也可以達到t6步，同樣也能保證系統(tǒng)的正常運行[6-9]�？梢�，三代核電中進一步提高棒位探測器的穩(wěn)定性以及精度是業(yè)界的發(fā)展趨勢。
2.4 110卡件內棒位信號分配方案
以往工程項目中曾發(fā)現(xiàn)CPRlOOO使用的棒位處理機柜PPE中設有兩個I/0機架，每個I/0機架配置1塊電源模塊給整個機架的I/0卡件提供工作電源。其中，I/O機架1負責處理溫度棒和停堆棒共33束控制棒的棒位信息，I/0機架2負責處理28束功率棒的棒位信息。而同一塊I/0卡件內常常分配了同一子棒組內的4束棒位信號，甚至是同一子組內的6束棒位信號。這樣的信號分配方案，在I/0機架的電源模塊掉電時會丟失約一半（28束或者33束）的棒位信號，如果其中某- 1/0卡件故障也會導致同一子組的4～6束棒位信號丟失。根據(jù)現(xiàn)有CPRlOOO核電廠運行技術規(guī)范的規(guī)定，如果一個子棒組有2個棒位指示器不可用或一個棒組內有3個棒位指示器不可用，這種狀態(tài)將被定義超出運行技術規(guī)范，記為第一組I/O和LOE事件。即上文所述棒位信號丟失的問題一旦發(fā)生，造成第一組110 24 h內無法恢復，機組將進行后撤，這直接影響反應堆的運行品質和經濟效益。為此，工程人員增加了2個1/0機架，將其修改成冗余配置，避免上述棒位丟失的風險。類似問題有必要在未來國產化設計時充分考慮，予以避免。如可以考慮設計兩個冗余的棒位數(shù)據(jù)處理機柜，電子控制柜部分配有冗余的控制器，配備冗余電源、雙冗余網絡接口等，這些措施都可以作為解決上述問題的良好方案。
2.5施工設計中的優(yōu)化
目前CPRlOOO中RPI機柜放在標高為15.5 m的電氣廠房，61根測量電纜從堆頂棒位探測器出發(fā)經過反應堆水池旁邊的電纜轉接板走橋架到電氣貫穿件，再經過電氣廠房最終到達棒位測量柜，整條路徑61根電纜需要走約140 m的長度，這無疑給本就電纜托盤密布、空間緊張的電氣廠房帶來不小的壓力。未來可以考慮從電纜選型、信號傳輸方式、機柜布置位置等方面予以優(yōu)化，以期減少電纜的數(shù)量，降低施工工作量，進一步降低成本。如可以考慮將棒位測量柜與棒位處理柜在空間上分開布置，使測量柜盡量靠近貫穿件殼外附近，這樣既可以縮短電纜路徑，又可以降低信號被干擾的風險。此外，棒位測量柜和棒位處理柜之間也可以考慮換用網絡信號通信，這樣也可以大規(guī)模減少測量柜和處理柜間的電纜數(shù)量�？傊O計人員要在確保系統(tǒng)安全可靠運行的前提下，盡量減少施工工作量，降低建造成本。
2.6落棒時間測量的優(yōu)化
目前，CPRlOOO中落棒時間測量采用的方案是：同時測量CRDM中保持線圈SC中的電流值以及控制棒下落過程中驅動桿在棒位探測器初級線圈中生成的感生電流，從上述兩條電流曲線中用軟件或者手動截取t4、t5、t5 、t6時間。這種測量方式受現(xiàn)場設備和電流采
集設備的影響較大，如果測出的電流曲線不夠標準，則難以界定控制棒下落各階段的時間點，這會給測量結果帶來較大誤差。另外，該測量方法需要將棒位探測器的初級線圈斷電，即落棒時間測量與棒位測量互相沖突，無法同時進行。因此，在未來進行新堆型設計時，可以
考慮進一步完善該功能，實現(xiàn)隨時監(jiān)測落棒時間，另外可以考慮引入開關量信號作為落棒時間測量的時間點。
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