核电站RGL系统棒位处理机柜冗余改造

李俊宁 刘永强

摘 要：文章针对目前部分在建及商运核电机组棒控和棒位系统（RGL）的棒位处理设备（PPE-Position Processing Equipment）设计方案进行了分析和研究，考虑机组安全稳定运行及运行技术规范的要求，对PPE机柜I/O机架进行冗余改进，避免了单一卡件故障导致同组控制棒的棒位信息丢失机组被迫后撤的风险。

关键词：PPE机柜；棒位测量；改造

中图分类号：TM623 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）21-0012-02

1 概 述

控制棒控制系统（RGL）作为主要的反应堆控制系统之一，其主要功能是根据电网负荷的变化，系统相应提升或插入控制棒调节堆芯的反应性，从而控制堆芯温度和核功率。当反应堆处在稳定运行工况时，堆芯的反应性处在一个动态平衡状态，反应性快变化由控制棒上下移动来补偿；当反应堆处于非稳定运行工况时，控制棒控制系统还能在堆启动阶段把反应堆从零功率带到满功率以及在正常停堆阶段执行停堆或在事故情况下紧急停堆，保护反应堆，保证堆芯安全。同时监视每一控制棒束在堆芯的位置，为操纵人员提供控制棒在堆芯的真实棒位。

而PPE（Position Processing Equipment）机柜是用来将PME（Position Measuring Equipment）机柜所测量的棒位信号进行处理后进行棒位失步功能的判断，同时也将处理后的棒位显示信号送给主控及后备盘进行棒位显示。反应堆运行模式下，RGL系统的监视信号是反映机组棒位的信息载体，不仅影响自身的稳定运行，且对电站可用性存在一定的安全隐患。

2 PPE设备存在的问题及改造方案

目前，国内在建压水堆核电站RGL系统由法国Rolls-Royce公司承制，主要由控制棒控制设备、棒位测量设备、控制棒驱动机构组成。其中PME机柜接收来自棒位探头的连续信号，经专用卡件转换为格雷码的形式后送入PPE机柜，PPE将格雷码转换为棒位信息，同时进行棒位相关故障和报警判断，送往主控进行显示，简要流程如图1所示。

2.1 系统简介

核电站RGL系统共有61个控制棒组件，共分为16个子棒组，每个子棒组有4个控制棒组件组成（SA2只有一个控制棒组件）。RGL控制设备负责控制棒的提插，同时对应有61个棒位探头，每一个棒位探头根据控制棒的位置产生相应连续的棒位信号，并将信号送入PME机柜进行处理，转换为格雷码的形式送入 PPE机柜，PPE机柜将棒位信息及相关报警送主控进行显示。

2.2 改造前PPE机柜问题

PPE机柜由法国Rolls-Royce公司承制，采用施耐德的昆腾系列PLC，其CPU机架采用了主从冗余配置，同时有两个远程I/O机架接收来自PME机柜的棒位信号，未采取冗余配置，且存在同一子棒组的4根棒束信号同时送入同一个I/O卡件的问题，PPE机柜硬件配置，如图2所示，棒位信号分配，见表1。

每个控制棒组件的格雷码信号需要占用5个I/O通道，每个PLC的I/O卡件共有32个信号通道。I/O通道的分配存在以下几个问题：

①PPE柜I/O卡件通道分配不合理：存在同一棒组的6根棒束棒位信号或同一子棒组的4根棒束棒位信号进入同一个I/O卡件的情况。这种情况下单一数字量输入卡件故障可能会使同棒组中4-6束棒位测量信号失去，超出运行技术规范的要求。

②PPE柜的I/O机架中配置的电源模块未实现冗余配置：如果单一电源模块故障将导致整个机架的I/O卡件掉电，使RGL系统约一半的棒束棒位失去指示（其中对应IO机架1的棒束有33束，分别为温度棒和停堆棒；对应IO机架2的棒束有28束，全为功率棒），超出运行技术规范的要求。

③PPE柜的I/O机架未实现冗余配置：由于PPE机柜的I/O机架未实现冗余配置，使得I/O机架任意卡件损坏均会出现同组中多束棒位信息丢失，超出运行技术规范要求。

④I/O卡件故障时，维修人员受故障分析、确认及处理等各阶段因素影响，更换时间可能超出规定的机组后撤时间，存在机组被迫后撤的风险。

综合上述几点，认为此设计不符合单一故障准则的要求，存在较大的安全隐患。

2.3 改造方案

改造方案采用PPE新机柜替换原有机柜，并在原配置增加两个I/O机架、相应卡件及端子排，调整柜内设备布局，但I/O卡件的棒位信号分配保持不变。来自PME机柜的棒位信号进入PPE机柜端子排后，通过信号并线的方式同时送入主从I/O机架，保持主从机架信息一致。

同时在逻辑中增加故障时主从I/O机架的切换功能和手动切换功能。以实现接受来自PME机柜的格雷码棒位信号的输入卡件冗余及IO机架电源冗余， 避免一个I/O卡件故障导致一个子棒组或一个棒组棒位信息丢失的情况出现，同时避免单一故障导致机组后撤的风险，同时满足运行技术规范的要求。改造后PPE机柜硬件配置，如图3所示。

3 改造可行性分析

3.1 改造项目内容

①重新设计、制造带冗余I/O机架的PPE机柜。

②系统测试、安装、调试等。

③软件及文件升版。

④增加备件。

3.2 改造利弊

RGL系统供应商处于垄断地位，改造对工程投资控制影响较大，但考虑到改造对机组的安全稳定运行有较大的贡献，且对工程实施的质量和进度无较大影响，改造是否执行需要考虑。

优点：能确保在单一I/O卡件和电源卡模块故障的情况下，不丢失任一棒束的棒位指示信号，可以降低机组后撤风险和解决超出运行技术规范要求的问题。同时在维修期间保证棒位信息不丢失，保证机组的安全稳定运行。

缺点：改造费用较大，改造流程及周期较长。由于机柜需要重新供货，工期控制困难，存在延误工期的风险。

3.3 改造经济性

根据厂家提供的PPE机柜DI卡件的MTBF时间，单台机组PPE机柜DI卡件的数量，并考虑故障后设备的维修时间，可以通过PSA软件计算单台机组改造的经济性。

4 结 语

通过对核电站RGL系统PPE机柜冗余改造的实施，使棒位显示功能有效满足了核电机组单一故障准则的要求，避免了单一卡件故障造成的一系列影响系统和机组安全的问题，为机组长期的安全稳定运行提供了坚实的技术基础。

参考文献：

[1] 黄可东，张英，王华金，等.广东岭澳核电二期工程数字化棒控棒位系统 设计[J].核动力工程，2008，（2）.

[2] 雷晴.CPR1000_AP1000棒位指示和监测系统浅析[J].核动力工程， 2012.，（6）.