基于福岛事故后的地震监测系统改进探讨

2020-06-03黄鉴伟

仪器仪表用户 2020年6期

黄鉴伟

（三门核电有限公司设备管理处，浙江三门 317112）

0 引言

地震是影响核电厂安全运行的重要因素，在遭遇到强烈的地震时，核电机组的各个系统、设备以及建筑物等的功能和结构可能会受到破坏，从而影响核电厂的安全性。为了保证核电厂安全运行和震后对核电站安全性能的评估，根据有关法规规定，国内和国际上的核电机组都安装了地震监测系统。三门核电一期工程地震监测系统只能监测地震活动并给主控室发送报警，不具备自动反应堆停堆功能，但国际上的一些国家如日本、俄罗斯、美国、韩国、印度、意大利，还有台湾地区基于各种因素考虑，都设置了地震自动停堆功能[1]。

1 SJS简介[3]

三门核电一期工程 SJS 是非安全相关系统，其系统功能如下：

◇ 地震数据的数字化采集及存储。

◇ 发生超过预定值的地震事件时，通知操纵员。

◇ 地震事件发生后4 个小时内，现场分析电厂地震反应数据。

◇ 地震数据分析确定符合停堆判定标准时，通知操纵员。

SJS 在每台机组上布置4 个三轴向加速度传感器：自由场、核岛备用电池充电器房间、安全壳内东侧蒸汽发生器隔间东侧及屏蔽厂房。

发生地震事件时，只要任意一个传感器监测到的地震震动强度超过任一轴向的预定阈值，系统将触发所有4 个通道开始记录数据，并向主控室发出“地震事件触发”的报警，当数据分析结果满足预定或超过运行基准地震（OBE）标准时，系统会再次向主控室发出“超OBE”报警。

SJS 所有的报警信号不参与自动控制，在主控室接收到超OBE 报警后，运行人员需依据相关运行规程进行电厂巡检，并综合评估电厂的损坏情况等，确定是否需要手动停堆。

2 改进的必要性

福岛事故发生后，核电厂在地震条件下的安全性引起了广泛关注，地震引起的工艺系统瞬态也可导致某一个或多个工艺参数超过设定值而触发反应堆紧急停堆，但是设置地震自动停堆功能可缩短停堆系统在地震下的响应时间，这一提前量有助于降低反应堆堆内余热、缓解事故或防止事故进一步恶化，增加核电厂纵深防御的多样性和多重性。国际上的一些国家如日本、俄罗斯、美国、韩国、印度、意大利，还有台湾地区基于各种因素考虑，都设置了地震自动停堆功能。2011 年3 月11 日发生日本大地震时，日本受地震影响的所有核电站运行机组中，自动触发反应堆停堆的保护信号都来自于高地震振动加速度。

3 改进方案选择

通过不同的系统设计方式以及驱动不同的设备都可实现反应堆自动停堆。针对如何实现自动触发停堆功能，主要有如下两种改进策略：

◇ 策略一：将SJS 作为反应堆保护系统的一部分，SJS 传感器的信号直接接入反应堆保护系统，在反应堆保护系统内进行逻辑判断，符合停堆标准时，切断控制棒驱动机构（CRDM）的供电，实现反应堆停堆。

◇ 策略二：SJS 传感器的信号不接入反应堆保护系统，而是将传感器信号在SJS 机柜内进行逻辑判断后，输出触发信号接入控制棒电源供电控制机柜，切断CRDM 的供电，实现反应堆停堆。

在设计中，SJS 是非安全相关系统，而保护和安全监测系统（PMS）是安全相关系统，安全系统与非安全系统要保持电气及物理上的隔离，因此SJS 的信号不能直接接入PMS 中，另外PMS 也未预留相关接口等。如果采用策略一，对SJS 和PMS 的设计改动较大。

根据策略二的方案，只需要将触发信号送入棒电源供电控制机柜，对CRDM 的供电控制回路稍作修改，无需对PMS 的软硬件进行变更。既能实现地震自动触发反应堆停堆功能，也不会对PMS 的紧急停堆控制方式产生影响。

从比较结果看，策略二实施起来更加容易、更可取。

3.1 触发信号选择

设置地震自动停堆功能之后，触发信号的选择就显得尤为重要。过低的触发信号将可能使得反应堆误停堆的风险增加，从而影响电站的经济性；过高的触发信号可能会导致反应堆在地震时无法及时关闭。各国的地震停堆设定值虽略有差异，但基本设置在OBE 附近：印度核电站的地震停堆设定值要求不超过OBE，台湾地区核电站的地震停堆设定值为OBE-0.05g,田湾核电机组的工业抗震保护系统设定值为OBE[1]。另外在RG1.166 中规定，当地震超过OBE 时，应关闭反应堆[2]。在三门核电一期工程中，SJS 在数据分析结果超过OBE 时，会向主控室传送报警。基于上述因素，可以将触发超OBE 报警的信号用来直接触发反应堆自动停堆。

3.2 触发设备选择

CRDM 的电源由两组电动发电机（M/G SET）提供，实现反应堆停堆的方式是切断CRDM 的供电。M/G SET 是非安全相关设备，在正常运行时，励磁模块产生励磁，发电机转子在电动机的带动下转动切割励磁来发电。励磁模块无励磁输出时，M/G SET 无电源输出，CRDM 的供电将失去，反应堆自动停堆。基于上述分析，可选择励磁模块作为SJS 的触发设备，通过切断励磁模块供电实现停堆。

4 改进方案实施

两组M/G SET 平行运行，任意一组M/G SET 退出运行不会导致CRDM 的掉电，两组M/G SET 的运行分别由电厂控制系统（PLS）两个RDM 机柜控制。如按照策略二所选择的触发信号和触发设备，实现地震自动触发停堆功能，需对RDM 机柜和SJS 进行改进。

4.1 RDM机柜改进

1）抗震等级的提升

PLS 的RDM 机柜为非安全相关设备，抗震等级为非抗震I 级，在发生安全停堆地震时，RDM 机柜内的设备可能会失效，导致机柜功能丧失。为了保证地震时SJS 的自动停堆触发信号传送到RDM 机柜后，能触发相应的设备动作，实现反应堆的自动停堆，RDM 机柜需满足抗震I 级的要求。

2）励磁模块供电控制回路改进

当多样化驱动系统（DAS）的触发逻辑满足2 取2 之后，通过控制图1 中的继电器K1 得电，常开触点K1 闭合，对应的回路导通，K2 得电动作，常闭触点K2 断开，励磁模块的供电回路断开，励磁模块由于失电而无励磁输出，导致MG SET 无电源输出，CRDM 失电，控制棒在重力作用下插入燃料组件内，实现反应堆的自动停堆。

图1 DAS触发停堆控制回路Fig.1 DAS Triggers stop-heap control loop

图2 改进后的励磁模块供电控制回路Fig.2 Improved excitation module power supply control circuit

参考DAS 的停堆控制方式，对RDM 机柜内的MG SET励磁模块供电控制回路进行以下改进：

◇ 在SJS 机柜内增加一个继电器K3 作为停堆信号输出设备，该继电器的动作方式为得电动作，并联到超OBE报警的继电器上。

◇ 将K3 继电器的一个常开触点并联到励磁模块供电控制回路中的常开触点K1 的两端。

改进之后的RDM 机柜反应堆停堆控制回路如图2 所示。

当SJS 逻辑判断满足超OBE 标准时，继电器K5 和K3得电，常开触点K5 闭合。一方面SJS 通过DPU 机柜往主控室送超OBE 报警，另一方面继电器K3 得电后，励磁模块供电控制回路中的常开触点K3 闭合，回路导通，继电器K2 得电动作，常闭触点K2 断开，励磁模块的供电回路断开，励磁模块由于失电而无励磁输出，MG SET 无电源输出，CRDM 失电，控制棒在重力作用下插入燃料组件内，实现反应堆停堆。改进后的控制回路不会对DAS 的反应堆紧急停堆功能造成影响，导致误停堆或者拒停堆。

4.2 SJS改进

增设地震自动停堆功能从另一方面来说也增加了电厂误停堆的风险，对于SJS 来说，除了要在硬件上增加输出停堆开关量信号的继电器之外，还要继续深入研究如何通过提高设备的可靠性如供电系统的冗余配置，提高通道电缆等抗震等级（目前记录仪和机柜之间的电缆敷设无抗震I级要求），优化软件触发逻辑以及系统故障时对应设备的默认状态等来降低误停堆的概率。