压水堆水压试验超压保护系统的设计与应用

胡文正，张益林，郭 伟

(中广核研究院有限公司，广东 深圳 518116)

压水堆水压试验超压保护系统的设计与应用

胡文正，张益林，郭 伟

(中广核研究院有限公司，广东 深圳 518116)

根据我国核安全法规要求，压水堆核电机组一回路边界在水压试验期间承受的最大压力约为功率运行工况下的1.33倍。为控制压水堆核电机组一回路水压试验过程中的系统超压风险，必须由超压保护装置提供相应的保护功能，以确保试验期间压力可控。传统方案多采用外置的控制系统来实现，在实际应用中存在增加仪控设备接口、维护工作量大等缺点。随着数字化技术在核电领域的广泛应用，传统方案已不适用于新建核电机组。为此，提出了一套基于核电机组数字化仪控系统平台的一回路超压保护系统。该系统有效结合了数字化仪控平台的特点，具有人机界面丰富、可实现多重冗余保护等优点。该系统已在某核电机组首次大修中得到了应用，应用结果表明，该系统避免了传统方案的缺点，可操作性强且可靠性高，具有很高的推广价值。

新能源； 核电站； 压水堆； CPR1000; 数字化仪控平台； 水压试验； 超压保护

0 引言

根据核安全法规 RCC-M的相关要求，核电站在工程建设阶段和投产后必须执行一回路水压试验[1-2]，而试验过程中面对的最大风险就是一回路超压。超压轻则使一回路出现破口，损坏边界；重则影响一回路主要设备的使用寿命。在数字化仪控系统普及应用于核电厂之前，传统超压保护功能的实现多采用模拟技术或PLC，需要额外配置相应的仪控系统，如控制模块、I/O模块等，但与核电站本身的控制系统不兼容[3-4]。随着数字化仪控平台在二代及三代核电机组中的大规模应用[5]，通过全厂数字化仪控平台来实现超压保护功能已成为一种可能，基于数字化仪控平台实现压水堆超压保护功能的方案能有效解决上述问题。

1 超压保护系统组成和工作原理

超压保护系统工作流程如下。

①一回路水压试验开始前，调试超压保护系统，准备投入超压保护功能。试验期间，需要随时监测压力，主控室大屏幕提供了实时压力监视画面、声光报警、阈值切换的人机接口。

②升压阶段。在压力达到15.4 MPa前，调整保护定值为17.2 MPa，超出定值执行停止升压及泄压指令。

③水压上行至17.2 MPa，升压前调整保护定值为19.2 MPa。

④水压继续上行至20.6 MPa，升压前调整保护定值为20.64 MPa。

⑤在完成20.6 MPa平台各项检查等试验项目后，进入降压阶段。参考步骤③、步骤④，分别调整保护定值至19.2 MPa、16.8/17.2 MPa。

⑥水压试验结束，退出超压保护。

超压保护系统配置如图1所示。

图1 超压保护系统配置图

图1中，①为系统自带的高精度活塞式压力计,用于提供标准压力比对；②为系统自带的差压式压力传感器，用于测量一回路压力与标准压力差值；③为系统自带的静压式压力传感器，用于测量一回路压力；④为额外添加的静压式压力传感器，具有宽量程，用于水压试验期间一回路压力检测和监视；⑤为额外添加的静压式压力传感器，具有窄量程，用于水压试验期间一回路压力检测和保护；⑥为额外添加的就地显示压力计，用于就地显示测量的压力；⑦为系统自带的泄压阀，用于执行一回路泄压；⑧为系统自带的升压泵，用于执行一回路升压；⑨、⑩分别为额外添加的就地记录仪及额外添加的主控记录仪。

其中，从静压式压力传感器④、⑤去往LEVEL1的2个输入通道用于输入模拟量，从LEVEL1去往就地记录仪⑨及主控记录仪⑩的2个输出通道用于输出模拟量，而从LEVEL1去往泄压阀⑦、升压泵⑧的2个输出通道用于输出开关量。

2 超压保护系统的设计

由于压水堆一回路水压试验超压保护系统是一种临时装置(每十年大修时使用一次)，故在机组整体设计时未设计试验专用的仪表以及相应的贯穿件通道；而控制逻辑、操作画面也需要单独设计和实现。因此，设计要求基于核电机组大修低低水位的工作窗口，在不破坏原有DCS平台功能的基础上，实现超压保护功能。

2.1 软件设计

在软件设计方面，要考虑实现超压保护功能所需的控制逻辑、人机界面、数据库参数配置等。

2.1.1 数据库I/O点设计

基于参与超压保护功能的仪表和执行机构数量，列出I/O清单，并结合DCS机柜功能分配原则，选取合适的机柜进行硬件配置。同时，根据各个仪表信号参与的保护、报警等功能，设置相应的阈值。超压保护系统I/O清单如表1所示。

表1 超压保护系统I/O清单

超压保护定值清单明确了信号的报警、保护动作定值。在升压过程中，当压力在某个平台超出阈值后，即输出报警和保护动作，实现超压保护功能。以RCP016MP为例，该压力变送器测量的是一回路压力值和以RCP017LP为代表的标准值。在206 bar平台，当RCP016MP输出为0 bar时，系统进行声光报警，提示压力已达到试验要求值，不能再继续升压；当RCP016MP输出为40 bar时，系统自动开启RIS124VP进行泄压操作，避免系统超压。

2.1.2 逻辑组态设计

逻辑组态设计主要实现的功能包括:将对应阈值判断结果传递到相应执行机构，以及各阈值保护功能的投入和切除。

一回路水压试验过程中，在一回路压力达到不同的压力值之前，阈值需要随着压力的升高而逐渐切换到较高阈值；降压阶段与此相反。在逻辑组态中引入功能切换模块，以实现不同压力平台下的阈值切换。例如，在一回路压力上升阶段，当压力在154 bar以下时，保护设定值为168 bar；当压力上升至206 bar时，保护设定值变为206.4 bar和209 bar。因此，在一回路压力已经达到154 bar并完成相应平台操作、继续提升压力前，提前切除168 bar的保护，并投入206.4 bar和209 bar的保护。在逻辑组态中实施以上组态后，操作员即可在主控室操作员站一键完成相应操作。

2.1.3 画面组态设计

画面组态设计任务是为主控室操作员提供一回路水压试验期间的压力监视、保护功能投切、手动控制等功能。上述功能可通过利用平台的数据库，在数据库中进行定义和关联相应的I/O点，并使用绘图软件设计相应画面来实现。

2.2 硬件设计

2.2.1 I/O设备规模

超压保护需要多个冗余的压力表来测量压力，并输入控制器参与保护逻辑。为确保测量参数可信，设计了就地压力计和远传压力传感仪表；选用不同的测量范围，窄量程实现保护，宽量程用于显示。基于上述需求来确定需要参与保护系统的仪表和泵阀门的数量及其地理位置、系统的I/O点数，包括模拟量I/O信号、开关量I/O信号以及各类型信号的数量等。先确定参与超压保护的仪表和阀门泵组的数量，计算出需要配置的硬件I/O规模如下:模拟量输入通道2个、模拟量输出通道2个、开关量输出通道2个(上述通道均取自核电站数字化仪控系统机柜内设备)；泄压阀门及升压泵采用核电站系统自带设备；临时压力变送器2台(取自核电站试验专用仪表)。

2.2.2 远传信号电缆路径布置

按常规方法，核岛电缆路径设计是在主电缆桥架布置图和次电缆桥架指导图的基础上，依据系统电缆表使用专用软件进行的，其涉及到土建结构、机械力学等多专业配合[6]。信号一般经电缆桥架、防火封堵、电气贯穿件后才能从核岛内传递至核岛外，在工程土建施工阶段此方法具有一定可行性；但机组商运后此方法对周围已投运的设备影响较大，在电缆敷设接近超容的情况下，增加试验电缆存在一定的难度[7]。因此，考虑相应的优化措施。

DCS信号电缆路径的布置优化需要充分考虑机组DCS机柜在电气厂房的分布。经实地勘察，对信号电缆路径设计的目的和难点进行了分解，主要有两大类：一是跨厂房的信号电缆，如电气厂房的信号机柜和核岛厂房的就地变送器之间，需要经过贯穿件；二是同一厂房跨楼层的信号电缆，如电气厂房的机柜间和主控室之间，需要经过多扇防火门。采取借用通道的措施可解决上述难点。对试验用设备附件的设备信号电缆进行临时转接，包括岛内电缆和岛外电缆，即可实现无需额外经贯穿件走线，确保防火门的完整性。

2.3 就地仪表布置与安装

试验期间，就地仪表实现的功能包括一回路压力信号的采集(包括远传与就地显示)、一回路压力标准压力源的操作与控制、信号就地的敷设、成品保护措施等。其中压力变送器的迁移和安装直接关系到压力测量的精准度。

由于压力变送器的安装位置和压力取样点不在同一水平面上，存在一定的压差，因此根据压力测量原理，需要对变送器进行迁移和校准。迁移量与仪表实际安装位置有关。如基于临时安装高度需要调整的液柱高度为14.6 m，根据一回路水的密度、重力加速度可计算出迁移量为0.143 MPa，即仪表测量显示的值减去0.143 MPa才是一回路真实压力。

3 应用案例

由于一般工业用分布式控制系统均具有控制的分散性、配置的灵活性以及组态的便利性等特点[8]，且目前国内CPR1000压水堆核电机组所采用的数字化仪控平台也具有类似的功能，因此红沿河1号机组具备实施超压保护装置功能的基础条件。选择参与超压保护仪表信号相对集中的控制站作为逻辑下装控制站，能减少柜间电缆数量、长度，降低对大修期间其他工作的交叉作业影响，使组态设计和硬件改动量尽量小。相关的信号采集和输出均来自该控制站，未产生柜间通信信号，有效减少了电缆数量；对该控制站所控制的设备(主要是执行机构)和联锁逻辑进行了梳理，并进行了风险分析和隔离措施；在完成隔离措施后进行控制器的清空下装，下装过程未对机组设备状态造成影响；在信号端接通过程中，提前梳理电气厂房至反应堆厂房间的电缆路径，通过借用通道的方式，有效避免了专用电缆的额外敷设。针对采用数字化仪控技术的电厂，设计了多重保护定值、保护驱动设备以及多样化显示设备，排除了数字化系统中出现共因失效[9]的可能性。以上工作均在水压试验开始前完成，无需占用大修关键路径；在某机组商运后的首次水压试验期间，超压保护装置运行正常，未产生误动和拒动，为水压试验的顺利实施打下了坚实基础。

4 结束语

本文对大型压水堆超压保护系统的设计需求进行了分析研究，基于数字化仪控平台开发出了超压保护系统设计方案，利用电站数字化仪控平台的资源实现了超压保护装置功能，大大减少了超压保护装置规模和工作量；无额外的设备购置费用，工期可控，具有很强的可操作性和经济性。该方案避免了水压试验超压保护装置作为一种临时装置需要重复设置、长期维护的问题，具有实时监控、多重冗余保护、多样性保护手段、免维护等特点。多次机组大修水压试验的应用情况表明：该方案安全可靠、可操作性强，应用效果良好，在项目资金、人力、工期等方面的投入优于传统方案，为同类型机组的超压保护系统设计提供了参考。

[1] 步伟东.方家山核电工程一回路主设备役前检查实施优化[J].中国核电，2016,9(1):71-75.

[2] AFCEN.RCC-M(2000 edition+2002 add)，Design and construction rules for mechanical components of PWR nuclear islands [S].2002.

[3] 章旋,涂丰盛,曹建亭.核电站仪控系统数字化改造方案分析[J].自动化仪表,2007,28(6):45-47.[4] 黄卫刚,戴忠华,张睿琼.大亚湾核电站电气和仪控设备国产化道路探索[J].核动力工程，2007,28(5):110-112.

[5] 张云波，谷鹏飞，王忠秋，等.以人为本的核电站数字化人机界面设计研究[J].自动化仪表,2014,35(12):46-48.

[6] 陈智,游建伟.秦山核电二期工程核岛电缆敷设设计实践[J].核动力工程，2003,24(2):201-202.

[7] 梁玲,周叶翔，田亚杰，等.数字化仪控通道相应时间定期试验设计[J].自动化仪表，2015,36(11):14-16.

[8] 刘琳，丁伯才.分散控制系统在核电厂的应用[J].中国新技术新产品，2016(20):18-19.

[9] 毛从吉，毋琦.从安全审评角度看核电站数字化仪控设计[J].自动化仪表，2012,33(7):39-41.

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，学士，工程师，主要从事核电仪控系统的研发和应用工作。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