楊 鵬，姚 彤，蔡昊廷

（中核核電運行管理有限公司 維修三處，浙江 海鹽 314300）

0 引言

堆芯冷卻監(jiān)測系統(tǒng)（Inadequate Core Cooling Monitoring System，簡稱為ICCMS）是核電廠重要的事故后監(jiān)測系統(tǒng)之一。依據(jù)國家核安全法規(guī)的要求，堆芯冷卻監(jiān)測系統(tǒng)作為1E安全級系統(tǒng)，在正常工況、事故工況，以及事故后工況不間斷地監(jiān)測堆芯溫度分布、堆芯過冷裕度與壓力容器水位等參數(shù)。如果失去對這些堆芯狀態(tài)參數(shù)的監(jiān)測，機組將面臨退防的風險，對機組的安全運行和穩(wěn)定發(fā)電有著重要的影響，因此堆芯冷卻監(jiān)測系統(tǒng)必須要保證處于可用狀態(tài)。

秦山核電二廠的堆芯冷卻監(jiān)測系統(tǒng)在運行將近20年后，可靠性已顯現(xiàn)出了明顯的弱化，穩(wěn)定性大大降低，影響了對堆芯狀態(tài)的監(jiān)測。為了應對這種情況，提升性能和可靠性，對該系統(tǒng)實施了數(shù)字化升級改造。

1 系統(tǒng)簡介

秦山核電二廠堆芯冷卻監(jiān)測系統(tǒng)分為完全相同且冗余的A、B兩列，在電氣和實體上實現(xiàn)完全隔離，彼此之間互相獨立，各自實現(xiàn)對堆芯狀態(tài)的監(jiān)測功能[1]。

1.1 堆芯溫度監(jiān)測

堆芯冷卻監(jiān)測系統(tǒng)每列各包括15支鎧裝K型熱電偶，測量燃料組件出口冷卻劑的溫度，并對區(qū)域內熱電偶的偏差值進行監(jiān)測，還將堆芯熱電偶溫度數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)集中處理系統(tǒng)（KIT）進行計算分析，用以監(jiān)測堆芯徑向功率偏移，以及檢測棒控棒位系統(tǒng)（RGL）控制棒組中分離的棒束[1]。

1.2 過冷裕度監(jiān)測

堆芯冷卻監(jiān)測機系統(tǒng)接收來自過程儀表系統(tǒng)（SIP）的2個主回路壓力和3個穩(wěn)壓器壓力，進行篩選校核后，再計算得到一回路的絕對壓力，然后計算出堆芯飽和溫度，并與環(huán)路熱段溫度和堆芯熱電偶溫度進行比較，計算并監(jiān)測基于實際堆芯冷卻劑溫度的最低過冷裕度[1]。

1.3 壓力容器水位監(jiān)測

堆芯冷卻監(jiān)測系統(tǒng)每列分別采用3臺差壓變送器（窄量程、寬量程、參考量程），并接受來自過程儀表系統(tǒng)的環(huán)路的熱管段溫度、冷管段溫度、主回路壓力、穩(wěn)壓器壓力等模擬量信號，同時接受來自保護系統(tǒng)（RPR）的P10信號和來自堆芯冷卻劑系統(tǒng)（RCP）機架的主泵運行狀態(tài)這兩個開關量信號，通過對這些輸入信號進行處理和運算，實現(xiàn)對反應堆壓力容器水位的監(jiān)測和指示[1]。

2 改造范圍

目前由于秦山核電二廠尚未引入核電廠狀態(tài)導向規(guī)程（SOP），堆芯冷卻監(jiān)測仍基于事故導向規(guī)程（EOP），因此，在同時兼顧技術實現(xiàn)難度和改造效益的前提下，保留現(xiàn)場的一次儀表，保持現(xiàn)有的與其他系統(tǒng)或機架的通訊方式、接線方式不變，僅對系統(tǒng)的處理機柜部分進行改造[2]。

3 新系統(tǒng)概述

秦山核電二廠堆芯冷卻監(jiān)測系統(tǒng)改造采用的是北京廣利核工程有限公司基于安全級Firmsys平臺開發(fā)的系統(tǒng)。

改造后的堆芯冷卻監(jiān)測系統(tǒng)同樣分為A、B兩列，由硬件部分和軟件部分組成。硬件主要包括機柜、機箱、卡件、電源、電纜等，整體設備為K3級。軟件集成在主處理單元模塊中，主要包括系統(tǒng)軟件和應用軟件，系統(tǒng)軟件負責管理計算機系統(tǒng)中各種獨立的硬件協(xié)調工作，應用軟件是根據(jù)工藝需求設計的運算程序。系統(tǒng)通過信號輸入/輸出模塊采集現(xiàn)場傳感器的模擬量信號和開關量信號，再由主處理單元運行應用軟件進行運算處理后，進行輸出和顯示。應用軟件和系統(tǒng)軟件進行不間斷的周期循環(huán)運行以完成所有系統(tǒng)功能[3]。

圖1 新系統(tǒng)結構Fig.1 New system composition

改造后的系統(tǒng)由電源子系統(tǒng)、信號處理子系統(tǒng)、顯示記錄子系統(tǒng)構成，系統(tǒng)結構示意圖如圖1所示。

3.1 電源子系統(tǒng)

電源子系統(tǒng)由220VAC/24VDC電源模塊、24V DC/5V DC電源模塊、熱敏電阻、浪涌保護器和濾波器等硬件設備組成，為整個系統(tǒng)提供可靠的交流電源、直流電源和接地保護。

220VAC/24VDC電源模塊采用三重冗余方式，24VDC/5VDC電源模塊采用雙重冗余方式，任何單獨一個電源模塊故障都不會對供電造成影響，當系統(tǒng)失電不超過10 ms時，不會產(chǎn)生故障或者電源重啟的虛假報警信號，充分保證了供電功能的可靠。

3.2 信號處理子系統(tǒng)

信號處理子系統(tǒng)完成信號調理隔離、信號輸入和輸出、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)通信功能，信號處理子系統(tǒng)整體結構圖如圖2所示。

3.2.1 信號調理隔離功能

信號調理功能由信號調理板卡實現(xiàn)。對于模擬量信號如K型熱電偶、冷端補償熱電阻、1V～5V標準信號，信號調理板卡對其進行隔離和線性調理，將其轉換成4mA～20mA的標準信號；對于P10信號和主泵運行狀態(tài)的這些開關量信號，信號調理板卡則將其進行隔離處理。這些經(jīng)過隔離調理后的信號通過硬接線連接的方式傳輸給信號輸入部分。

圖2 信號處理子系統(tǒng)結構Fig.2 Signal processing subsystem structure

3.2.2 信號輸入和輸出功能

信號輸入和輸出功能由模擬量輸入、模擬量輸出、開關量輸入、開關量輸出板卡實現(xiàn)，分別完成4mA～20mA直流信號的輸入和輸出以及無源觸點信號輸入和輸出。

3.2.3 數(shù)據(jù)通信

數(shù)據(jù)通信功能由通信單元執(zhí)行，實現(xiàn)主處理單元、信號輸入/輸出單元之間的信息交換，同時也為系統(tǒng)與外部交換信息提供接口。處理機柜與顯示單元直接通過安全級網(wǎng)絡SN4通信，增加了將SN4協(xié)議轉換為RS-422網(wǎng)絡協(xié)議的協(xié)議轉換機箱，實現(xiàn)了到KIT系統(tǒng)的單向通信。

3.2.4 數(shù)據(jù)處理功能

數(shù)據(jù)處理功能由主處理單元板卡完成。主處理單元板卡通過通信單元獲得數(shù)據(jù)后，按照程序和邏輯，對數(shù)據(jù)進行運算處理，計算得到堆芯飽和溫度、堆芯過冷裕度、壓力容器水位等結果，并把運算后的結果通過通信單元進行輸出、顯示和記錄。系統(tǒng)算法流程圖如圖3所示。

3.3 顯示記錄報警系統(tǒng)

顯示功能由兩塊顯示器來完成，以通信方式從信號處理子系統(tǒng)獲得實時數(shù)據(jù)，可按照數(shù)據(jù)顯示、輸入與中間變量、電氣測量值、系統(tǒng)狀態(tài)等多個頁面進行顯示，利用按鈕實現(xiàn)各頁面的切換。

記錄功能由無紙記錄儀實現(xiàn)，通過硬接線的方式接受來自信號處理子系統(tǒng)的熱電偶溫度、最低過冷裕度和壓力容器水位等重要數(shù)據(jù)，保存在可移動存儲介質，供離線查詢。

系統(tǒng)產(chǎn)生的開關量報警信號發(fā)送至繼電器機架，最終在主控產(chǎn)生聲光報警，實現(xiàn)報警功能。

4 系統(tǒng)優(yōu)化

堆芯冷卻監(jiān)測系統(tǒng)改造完成后，運行情況穩(wěn)定可靠，并且在多個方面進行顯著優(yōu)化：

圖3 算法流程圖Fig.3 Algorithm flowchart

1）抑制啟動電流。電源子系統(tǒng)中設置了熱敏電阻回路，當上游220VAC進入機柜后，通過熱敏電阻回路對啟動電流進行有效抑制，確保機柜上電瞬間峰值電流保持在20A以下，從而避免了給上游電路帶來電流沖擊。

2）優(yōu)化穩(wěn)壓器壓力有效性判斷。在算法中需要對每一個輸入信號的可用性進行檢查，對于模擬信號有效性的檢查是通過判斷信號是否在量程范圍內，所設置的判斷閾值考慮了上游通道和傳感器的誤差。一旦發(fā)現(xiàn)超出量程范圍的模擬輸入信號，將進行報警、剔除和提示，不參加到隨后的計算中。對于穩(wěn)壓器壓力儀表來說，其量程范圍為11MPa～18MPa，在機組停堆期間狀態(tài)下行階段的降溫降壓過程中，實際堆芯壓力會超出穩(wěn)壓器壓力變送器的量程范圍，原系統(tǒng)會判斷穩(wěn)壓器壓力信號失效而觸發(fā)報警。新系統(tǒng)在進行有效性判斷時則結合了兩個主回路壓力變送器的測量結果，這兩個變送器的量程為0MPa～20MPa，覆蓋了穩(wěn)壓器壓力儀表的測量范圍，可以避免在正常情況下產(chǎn)生穩(wěn)壓器壓力失效報警。

3）散熱方式優(yōu)化。在機柜中未采用風扇散熱，而是采用自然循環(huán)的散熱方式，在機柜內形成了一個自下而上的通風通道，保證有足夠空氣流量和風速通過發(fā)熱源，防止器件過熱。這樣不僅保證機柜可靠散熱，也減少了故障點。

4）人機交互功能和可擴展性優(yōu)化。系統(tǒng)的安全級顯示設備可提供大量數(shù)據(jù)的便捷查詢，新增了移動式服務單元，可與主處理單元連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換、軟件下裝、試驗測試等功能，且提供了編程接口，大大提高了人機交互性能，且具備足夠的開發(fā)裕度，在有需要時不必對硬件進行大規(guī)模的改動，就能夠實現(xiàn)系統(tǒng)改進。

5 結束語

堆芯冷卻監(jiān)測系統(tǒng)在核電站中起著極為重要的作用，其可靠性對電廠的安全穩(wěn)定運行有著至關重要的作用。在改造后，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，不僅有效實現(xiàn)了原有的監(jiān)測功能，并且在諸多方面得到優(yōu)化提升，也為其他儀控系統(tǒng)設計和改造提供了一定的借鑒價值。