基于数模混合方案的核电站保护系统设计

(中国核动力研究设计院 核反应堆系统设计技术重点实验室,四川 成都 610041)

反应堆保护系统作为核电站重要的安全系统,它的功能是实时监测与反应堆安全有关的重要参数,如果这些参数达到安全分析确定的整定值时就自动触发紧急停堆和/或启动专设安全设施,从而限制事故的发展和减轻事故后果,以保证反应堆及核电站设备和人员的安全、防止放射性物质向周围环境释放。

巴基斯坦卡拉奇核电站K2、K3项目全厂DCS系统采用数模混合方案,NC和NC*系统采用和利时HOLLiAS-N来实现,IAW、IDA、ITI采用综合控制NicSys2000平台实现,保护系统采用模拟技术实现,因此在保护系统设计上要结合这种混合型全厂DCS的设计做适应性的应对设计。

1 总体结构

反应堆保护系统(RRP)包括A、B两个在实体和电气上隔离的独立系列,任何一个系列发出保护动作信号都触发反应堆停堆或专设驱动动作。每个系列在内部又分为两个在电气上是隔离的“半逻辑”(X、Y半逻辑),当两个“半逻辑”都发出保护动作信号时才能触发系统级的保护动作信号。在电气隔离的设计上,保护系统与其他系统、保护系统内部各机柜之间都是隔离的。

RRP的部件设计放置在上锁的机柜中,机柜门打开时在控制室将发出柜门打开报警。电缆从机柜顶部进出。去耦组件采用光电耦合器;逻辑器件采用CMOS集成电路;保护动作触发信号的输出部件采用继电器,继电器分为有自保持功能(双稳态)和无自保持功能(单稳态)两种。报警和指示信号通过光电耦合器输出到非安全级DCS。反应堆保护系统包括：

1)测量仪表(探测器、传感器、计算模块和阈值继电器等),监测核电厂变量,由阈值继电器将模拟量转换为开/关量信号,送到保护逻辑；

2)保护逻辑,接受仪表组送来的开/关量信号,进行逻辑处理,由输出继电器向停堆断路器及安全驱动器发送保护动作指令；

3)信号处理,接受半逻辑X、Y送来的信号,经逻辑处理后,向控制室提供报警、指示等信息。

保护系统的总体结构如图1所示。设计了两个完全独立的逻辑系列A和B用于紧急停堆系统和专设安全设施驱动系统。A系列和B系列的输出信号提供给相应系列的安全驱动器,设计了两套完全独立的执行机构以保证独立性,一个系列动作即能完成保护任务,A系列和B系列都安装在分隔的房间,并且由不同的电源供电。每个系列的机柜分为紧急停堆系统机柜和专设安全设施系统机柜。这两类机柜按功能又分为：

1)X半逻辑柜;

2)Y半逻辑柜;

3)功能输出柜;

4)T3试验柜;

5)继电器及电源分配柜。

图1 保护系统结构Fig.1 Overall structure of the reactor protection system

在电站正常运行时,逻辑单元的信号通常为高电平。每个逻辑部件输入信号的状态在插件面板上都有显示。

在仪表部分的设计上其冗余方式与逻辑部分不同,设计了四套冗余的保护仪表组。每个参数用冗余的3或4个探测器监测,经过与由安全分析确定的整定值比较,超过定值时给出保护动作初始启动信号。由阈值继电器送出的启动信号经去耦组件隔离后分两路分别送到半逻辑X、Y,信号分别在X、Y逻辑线路中进行逻辑处理,逻辑处理后的信号经放大器放大驱动输出继电器。由输出继电器接点实现X和Y逻辑输出信号的“与”,最后将保护动作触发信号送到停堆断路器和专设安全设施驱动器。

在保护逻辑线路中,针对不同情况采用失激励(失去电压)动作和激励(接通电压)动作两种逻辑处理方式。

失激励动作：用于紧急停堆系统和专设安全设施驱动系统的逻辑线路和停堆断路器。激励动作：用于专设安全设施驱动器的控制和禁止保护动作的联锁。

2 设计特点

K2、K3项目反应堆保护系统的设计应用模拟技术(电阻、电容、二极管、三极管、CMOS集成电路、光电耦合器、继电器、开关、按钮等)来实现以往工程项目基于数字化平台设计的所有RRP保护功能,相对于以前秦山二期扩建工程核电站的模拟系统来说功能有所增加,相应的逻辑柜和输出柜的信号以及T3试验柜的设计都要做相应的改进。ATWS系统则在DCS部分实现。

2.1 接口方式的设计

由于接口系统有数字化也有模拟化的系统,在保护系统的接口方式上相对于模拟和数字化的系统来说都有所不同。在采用模拟技术实现的系统接口来说,逻辑信号处理按失电动作的原理来设计。而采用数字技术实现的系统接口来说,采用得电动作原理来设计,一般设计成为输入高电平有效。这就需要设计人员要做系统接口上的区分,具体表现在采用的阈值比较器不同。

另外一个大的变化就是信号柜取消带来的设计变更导致的接口变化。在保护系统的设计中,要区分是从逻辑柜直接输出还是输出柜输出,此两类信号送给DCS后的处理方式不一样,从逻辑柜输出给DCS的信号由于X和Y半逻辑的处理分为X和Y,将影响到相关设计文件,从输出柜输出的信号除送给DCS外也有直接通过继电器机架送给相应的下级控制设备。

2.2 定期试验的设计

整个反应堆保护系统的定期试验分三段进行：T1、T2和T3试验。试验范围见图2。其中,T1试验是测量仪表通道的试验,它不属于RRP。RRP的逻辑功能的试验由T2试验装置(保护逻辑定期试验装置)来完成,RRP的输出功能的试验由T3试验柜来完成。

根据K2、K3项目RRP功能图,参考秦山二期扩建工程反应堆保护系统的T3定期试验设计,对于K2、K3项目RRP系统T3定期试验的类型划分为以下6类型：

1)类型1：从ⅡC上触发的专设驱动器不闭锁成组T3试验；

2)类型2：从BUP上触发的控制棒落棒试验；

3)类型3：从T3试验柜试验面板上触发的停堆断路器试验；

4)类型4：从T3试验柜试验面板上触发的不闭锁型T3试验；

5)类型5：从T3试验柜试验面板上触发的闭锁型T3试验；

6)类型6：从T3试验柜试验面板上触发的采用带Feedback反馈信号的试验。

在K2、K3项目中,总体来说T3试验分为采用模拟技术实现和数字化技术实现的两类T3试验。由于在主控室的设备采用的是类似于FQ56核电站的数字化设计,原有模拟系统不闭锁的成组T3试验位于电子设备间的CC开关用主控室的KC/KG开关来替代,T3试验路径发生变化,来自二层的KC/KG信号直接送到RRP中的逻辑柜进行处理,再输出到对应的接口设备,此过程不经过T3试验柜,试验信号反馈在主控室可见。对于闭锁的成组试验仍然在电子设备间实现,试验路径同秦山二期扩建工程。

图2 T1、T2和T3试验范围Fig.2 The test range of T1,T2 and T3

2.3 采用8个停堆断路器实现更可靠的停堆

考虑到“2/4”的表决逻辑在误动率和拒动率的指标都要优于“1/2”表决逻辑,为了提高紧急停堆的可靠性和减少误停堆概率,相对于秦山二期核电站采用主断路器和旁通断路器的结构设计来说,K2、K3反应堆保护系统设计了如图3所示的8个停堆断路器,反应堆保护系统有两个系列共8个紧急停堆断路器(每个系列4个)。其中A系列对应AX、AY,B系列对应BX、BY。四组断路器采取“2/4”的方式控制停堆,当AX,AY,BX,BY中有任何两组或者两组以上断路器打开,控制棒线圈将失去供电,打开控制棒保持钩爪,控制棒受重力影响插入堆芯,从而实现安全停堆。

图3 反应堆停堆断路器的连接Fig.3 Connection of reactor shutdown circuit breaker

3 结 论

巴基斯坦卡拉奇核电站K2、K3项目反应堆保护系统设计充分考虑到了全厂数模混合方案相对于纯模拟技术所带来的设计变更,对整个电厂来说比模拟技术在安全性和经济性上都有所提高,同时又吸收了数字化的优点。作为我国自主设计的第一个基于全厂数模混合DCS的反应堆保护系统设计,为我国核电技术走出国门树立了一个良好的样板效应。