(中國核動力研究設計院 核反應堆系統(tǒng)設計技術重點實驗室,四川 成都 610041)

反應堆保護系統(tǒng)作為核電站重要的安全系統(tǒng),它的功能是實時監(jiān)測與反應堆安全有關的重要參數(shù),如果這些參數(shù)達到安全分析確定的整定值時就自動觸發(fā)緊急停堆和/或啟動專設安全設施,從而限制事故的發(fā)展和減輕事故后果,以保證反應堆及核電站設備和人員的安全、防止放射性物質(zhì)向周圍環(huán)境釋放。

巴基斯坦卡拉奇核電站K2、K3項目全廠DCS系統(tǒng)采用數(shù)?；旌戏桨?NC和NC*系統(tǒng)采用和利時HOLLiAS-N來實現(xiàn),IAW、IDA、ITI采用綜合控制NicSys2000平臺實現(xiàn),保護系統(tǒng)采用模擬技術實現(xiàn),因此在保護系統(tǒng)設計上要結(jié)合這種混合型全廠DCS的設計做適應性的應對設計。

1 總體結(jié)構(gòu)

反應堆保護系統(tǒng)(RRP)包括A、B兩個在實體和電氣上隔離的獨立系列,任何一個系列發(fā)出保護動作信號都觸發(fā)反應堆停堆或?qū)ＴO驅(qū)動動作。每個系列在內(nèi)部又分為兩個在電氣上是隔離的“半邏輯”(X、Y半邏輯),當兩個“半邏輯”都發(fā)出保護動作信號時才能觸發(fā)系統(tǒng)級的保護動作信號。在電氣隔離的設計上,保護系統(tǒng)與其他系統(tǒng)、保護系統(tǒng)內(nèi)部各機柜之間都是隔離的。

RRP的部件設計放置在上鎖的機柜中,機柜門打開時在控制室將發(fā)出柜門打開報警。電纜從機柜頂部進出。去耦組件采用光電耦合器;邏輯器件采用CMOS集成電路;保護動作觸發(fā)信號的輸出部件采用繼電器,繼電器分為有自保持功能(雙穩(wěn)態(tài))和無自保持功能(單穩(wěn)態(tài))兩種。報警和指示信號通過光電耦合器輸出到非安全級DCS。反應堆保護系統(tǒng)包括：

1)測量儀表(探測器、傳感器、計算模塊和閾值繼電器等),監(jiān)測核電廠變量,由閾值繼電器將模擬量轉(zhuǎn)換為開/關量信號,送到保護邏輯；

2)保護邏輯,接受儀表組送來的開/關量信號,進行邏輯處理,由輸出繼電器向停堆斷路器及安全驅(qū)動器發(fā)送保護動作指令；

3)信號處理,接受半邏輯X、Y送來的信號,經(jīng)邏輯處理后,向控制室提供報警、指示等信息。

保護系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。設計了兩個完全獨立的邏輯系列A和B用于緊急停堆系統(tǒng)和專設安全設施驅(qū)動系統(tǒng)。A系列和B系列的輸出信號提供給相應系列的安全驅(qū)動器,設計了兩套完全獨立的執(zhí)行機構(gòu)以保證獨立性,一個系列動作即能完成保護任務,A系列和B系列都安裝在分隔的房間,并且由不同的電源供電。每個系列的機柜分為緊急停堆系統(tǒng)機柜和專設安全設施系統(tǒng)機柜。這兩類機柜按功能又分為：

1)X半邏輯柜;

2)Y半邏輯柜;

3)功能輸出柜;

4)T3試驗柜;

5)繼電器及電源分配柜。

圖1 保護系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of the reactor protection system

在電站正常運行時,邏輯單元的信號通常為高電平。每個邏輯部件輸入信號的狀態(tài)在插件面板上都有顯示。

在儀表部分的設計上其冗余方式與邏輯部分不同,設計了四套冗余的保護儀表組。每個參數(shù)用冗余的3或4個探測器監(jiān)測,經(jīng)過與由安全分析確定的整定值比較,超過定值時給出保護動作初始啟動信號。由閾值繼電器送出的啟動信號經(jīng)去耦組件隔離后分兩路分別送到半邏輯X、Y,信號分別在X、Y邏輯線路中進行邏輯處理,邏輯處理后的信號經(jīng)放大器放大驅(qū)動輸出繼電器。由輸出繼電器接點實現(xiàn)X和Y邏輯輸出信號的“與”,最后將保護動作觸發(fā)信號送到停堆斷路器和專設安全設施驅(qū)動器。

在保護邏輯線路中,針對不同情況采用失激勵(失去電壓)動作和激勵(接通電壓)動作兩種邏輯處理方式。

失激勵動作：用于緊急停堆系統(tǒng)和專設安全設施驅(qū)動系統(tǒng)的邏輯線路和停堆斷路器。激勵動作：用于專設安全設施驅(qū)動器的控制和禁止保護動作的聯(lián)鎖。

2 設計特點

K2、K3項目反應堆保護系統(tǒng)的設計應用模擬技術(電阻、電容、二極管、三極管、CMOS集成電路、光電耦合器、繼電器、開關、按鈕等)來實現(xiàn)以往工程項目基于數(shù)字化平臺設計的所有RRP保護功能,相對于以前秦山二期擴建工程核電站的模擬系統(tǒng)來說功能有所增加,相應的邏輯柜和輸出柜的信號以及T3試驗柜的設計都要做相應的改進。ATWS系統(tǒng)則在DCS部分實現(xiàn)。

2.1 接口方式的設計

由于接口系統(tǒng)有數(shù)字化也有模擬化的系統(tǒng),在保護系統(tǒng)的接口方式上相對于模擬和數(shù)字化的系統(tǒng)來說都有所不同。在采用模擬技術實現(xiàn)的系統(tǒng)接口來說,邏輯信號處理按失電動作的原理來設計。而采用數(shù)字技術實現(xiàn)的系統(tǒng)接口來說,采用得電動作原理來設計,一般設計成為輸入高電平有效。這就需要設計人員要做系統(tǒng)接口上的區(qū)分,具體表現(xiàn)在采用的閾值比較器不同。

另外一個大的變化就是信號柜取消帶來的設計變更導致的接口變化。在保護系統(tǒng)的設計中,要區(qū)分是從邏輯柜直接輸出還是輸出柜輸出,此兩類信號送給DCS后的處理方式不一樣,從邏輯柜輸出給DCS的信號由于X和Y半邏輯的處理分為X和Y,將影響到相關設計文件,從輸出柜輸出的信號除送給DCS外也有直接通過繼電器機架送給相應的下級控制設備。

2.2 定期試驗的設計

整個反應堆保護系統(tǒng)的定期試驗分三段進行：T1、T2和T3試驗。試驗范圍見圖2。其中,T1試驗是測量儀表通道的試驗,它不屬于RRP。RRP的邏輯功能的試驗由T2試驗裝置(保護邏輯定期試驗裝置)來完成,RRP的輸出功能的試驗由T3試驗柜來完成。

根據(jù)K2、K3項目RRP功能圖,參考秦山二期擴建工程反應堆保護系統(tǒng)的T3定期試驗設計,對于K2、K3項目RRP系統(tǒng)T3定期試驗的類型劃分為以下6類型：

1)類型1：從ⅡC上觸發(fā)的專設驅(qū)動器不閉鎖成組T3試驗；

2)類型2：從BUP上觸發(fā)的控制棒落棒試驗；

3)類型3：從T3試驗柜試驗面板上觸發(fā)的停堆斷路器試驗；

4)類型4：從T3試驗柜試驗面板上觸發(fā)的不閉鎖型T3試驗；

5)類型5：從T3試驗柜試驗面板上觸發(fā)的閉鎖型T3試驗；

6)類型6：從T3試驗柜試驗面板上觸發(fā)的采用帶Feedback反饋信號的試驗。

在K2、K3項目中,總體來說T3試驗分為采用模擬技術實現(xiàn)和數(shù)字化技術實現(xiàn)的兩類T3試驗。由于在主控室的設備采用的是類似于FQ56核電站的數(shù)字化設計,原有模擬系統(tǒng)不閉鎖的成組T3試驗位于電子設備間的CC開關用主控室的KC/KG開關來替代,T3試驗路徑發(fā)生變化,來自二層的KC/KG信號直接送到RRP中的邏輯柜進行處理,再輸出到對應的接口設備,此過程不經(jīng)過T3試驗柜,試驗信號反饋在主控室可見。對于閉鎖的成組試驗仍然在電子設備間實現(xiàn),試驗路徑同秦山二期擴建工程。

圖2 T1、T2和T3試驗范圍Fig.2 The test range of T1,T2 and T3

2.3 采用8個停堆斷路器實現(xiàn)更可靠的停堆

考慮到“2/4”的表決邏輯在誤動率和拒動率的指標都要優(yōu)于“1/2”表決邏輯,為了提高緊急停堆的可靠性和減少誤停堆概率,相對于秦山二期核電站采用主斷路器和旁通斷路器的結(jié)構(gòu)設計來說,K2、K3反應堆保護系統(tǒng)設計了如圖3所示的8個停堆斷路器,反應堆保護系統(tǒng)有兩個系列共8個緊急停堆斷路器(每個系列4個)。其中A系列對應AX、AY,B系列對應BX、BY。四組斷路器采取“2/4”的方式控制停堆,當AX,AY,BX,BY中有任何兩組或者兩組以上斷路器打開,控制棒線圈將失去供電,打開控制棒保持鉤爪,控制棒受重力影響插入堆芯,從而實現(xiàn)安全停堆。

圖3 反應堆停堆斷路器的連接Fig.3 Connection of reactor shutdown circuit breaker

3 結(jié) 論

巴基斯坦卡拉奇核電站K2、K3項目反應堆保護系統(tǒng)設計充分考慮到了全廠數(shù)?；旌戏桨赶鄬τ诩兡M技術所帶來的設計變更,對整個電廠來說比模擬技術在安全性和經(jīng)濟性上都有所提高,同時又吸收了數(shù)字化的優(yōu)點。作為我國自主設計的第一個基于全廠數(shù)?；旌螪CS的反應堆保護系統(tǒng)設計,為我國核電技術走出國門樹立了一個良好的樣板效應。