數(shù)字化反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

【摘 要】通過(guò)介紹不同的反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，希望為后續(xù)的反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考意義。

【關(guān)鍵詞】保護(hù)系統(tǒng)；結(jié)構(gòu)；反應(yīng)堆

為提高核電站的安全性和經(jīng)濟(jì)性，采用數(shù)字化的儀表與控制系統(tǒng)是必然趨勢(shì)。反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)是儀表控制系統(tǒng)的重要組成部分，是反應(yīng)堆穩(wěn)定、可靠運(yùn)行的重要保障。自上世紀(jì)70年代，核電發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)開(kāi)始了數(shù)字化反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)的研究，并已投入核電站運(yùn)行。隨著計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的不斷發(fā)展，國(guó)內(nèi)也積極開(kāi)展了數(shù)字化反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)的的研究，結(jié)合數(shù)字化儀表與控制系統(tǒng)的一體化思想，并通過(guò)借鑒、吸收國(guó)外的成熟，設(shè)計(jì)出不同的反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)。

反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)是安全級(jí)系統(tǒng)，其功能是當(dāng)其所監(jiān)測(cè)的運(yùn)行參數(shù)達(dá)到或超過(guò)安全限值時(shí)，緊急落棒停堆，必要時(shí)啟動(dòng)專設(shè)安全設(shè)施，保證核安全屏障的完整性，防止或減輕放射性物質(zhì)對(duì)周圍環(huán)境的釋放。對(duì)任何一種反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)，無(wú)論采取何種結(jié)構(gòu)，都應(yīng)滿足上述要求。

一、反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則

（一）單一故障準(zhǔn)則

單一故障準(zhǔn)則是指要求某設(shè)備組合在其任何部位發(fā)生單一隨機(jī)故障時(shí)，仍能夠執(zhí)行其正常功能。在該單一故障引起的所有繼發(fā)性故障均視為單一故障不可分割的組成部分，該準(zhǔn)則要求保護(hù)系統(tǒng)內(nèi)單一故障或單次事件引起的多故障不應(yīng)有損于系統(tǒng)的保護(hù)功能。

（二）獨(dú)立性

保護(hù)系統(tǒng)獨(dú)立于其他非安全系統(tǒng)，保護(hù)系統(tǒng)的輸入/輸出都是電氣隔離的；保護(hù)系統(tǒng)內(nèi)部的各個(gè)通道之間進(jìn)行實(shí)體分離和電氣隔離。

（三）冗余性

為了滿足單一故障準(zhǔn)則，提高反應(yīng)堆的安全性，反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)采用冗余設(shè)計(jì)技術(shù)。冗余設(shè)計(jì)一般包括安全監(jiān)測(cè)通道的冗余，安去安全邏輯裝置的冗余，邏輯系統(tǒng)的冗余，電源冗余等。

（四）多樣性

多樣性包括功能多樣性和設(shè)備的多樣性，對(duì)每個(gè)規(guī)定的反應(yīng)堆假定始發(fā)事件盡量用不同的物理效應(yīng)或不同的變量來(lái)監(jiān)測(cè)。在某些條件下可用不同類型的設(shè)備來(lái)測(cè)量同一物理量，以便克服共因故障。

共因故障是指一些故障發(fā)生時(shí)，某單一事件能阻止多重的和類似的部件和設(shè)備按照設(shè)計(jì)的模式工作。

（五）故障安全準(zhǔn)則

故障安全準(zhǔn)則是在某系統(tǒng)中發(fā)生任何故障時(shí)仍能使該系統(tǒng)保持在安全狀態(tài)的設(shè)計(jì)原則。

（六）可試驗(yàn)性和可維修性

保護(hù)系統(tǒng)的冗余度是為了使保護(hù)系統(tǒng)在發(fā)生一些故障之后還能成功的運(yùn)行。然而，為了能發(fā)現(xiàn)和修理故障元件，以防止故障積累和因?yàn)樵摴收隙l(fā)生的總的保護(hù)系統(tǒng)故障，保護(hù)系統(tǒng)需要定期的試驗(yàn)。試驗(yàn)的要求是必須能夠發(fā)現(xiàn)第一個(gè)故障。保護(hù)系統(tǒng)的冗余性為在線測(cè)試提供了可能性。

二、保護(hù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

反應(yīng)堆緊急停堆系統(tǒng)的主要功能是打開(kāi)停堆斷路器，使控制棒插入堆芯從而完成停閉反應(yīng)堆的功能。它包括從傳感器/探測(cè)器到反應(yīng)堆停堆斷路器的所有設(shè)備，主要分為3部分：前端的傳感器/探測(cè)器部分及信號(hào)采集與處理部分、中間的邏輯處理部分和末端的反應(yīng)堆停堆斷路器部分。

（一）典型的反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

典型的反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示（圖中2oo3表示三個(gè)通道里面取兩個(gè)，即“三取二”）。

圖中每個(gè)參數(shù)采用三個(gè)傳感器來(lái)測(cè)量，三個(gè)測(cè)量參數(shù)進(jìn)行閾值比較后利用不同的“三取二”邏輯符合單元進(jìn)行邏輯判斷，再對(duì)這三個(gè)邏輯符合的輸出進(jìn)行“三取二”邏輯符合后生成通道級(jí)保護(hù)動(dòng)作信號(hào)，最后由系統(tǒng)級(jí)“三取一”邏輯符合裝置進(jìn)行邏輯符合運(yùn)算后生成系統(tǒng)級(jí)保護(hù)信號(hào)，觸發(fā)保護(hù)動(dòng)作。

該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是可以避免由于單個(gè)邏輯符合單元的故障導(dǎo)致保護(hù)系統(tǒng)動(dòng)作，減少非安全故障概率，滿足單一故障準(zhǔn)則。缺點(diǎn)是在測(cè)量某個(gè)保護(hù)參數(shù)時(shí)，如果有兩個(gè)及兩個(gè)以上的傳感器故障或信號(hào)波動(dòng)，系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生保護(hù)動(dòng)作信號(hào)。因此，系統(tǒng)的安全故障概率大。

這種典型的反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)多用于實(shí)驗(yàn)堆或較早的動(dòng)力堆，目前國(guó)內(nèi)核電站大多已采用在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)的保護(hù)系統(tǒng)。

圖1 典型的反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

（二）國(guó)內(nèi)常見(jiàn)的保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為滿足反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則要求，并具有高度的可靠性，國(guó)內(nèi)核電廠普遍采用4個(gè)傳感器/探測(cè)器監(jiān)測(cè)同一個(gè)保護(hù)參數(shù)，4組停堆斷路器以設(shè)定的組合方式執(zhí)行緊急停堆功能的保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

1.兩系列的反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

兩系列的反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖中四個(gè)通道（A、B、C、D）在實(shí)體上分離，電氣上隔離，且采用不同的測(cè)量技術(shù)，滿足獨(dú)立性和多樣性的要求。

圖中每個(gè)通道同時(shí)對(duì)多個(gè)保護(hù)變量進(jìn)行測(cè)量，每個(gè)通道對(duì)每個(gè)保護(hù)變量進(jìn)行閾值比較后會(huì)有四個(gè)輸出，每一個(gè)獨(dú)立通道分別先對(duì)同一個(gè)保護(hù)變量進(jìn)行“四取二”（或者“二取一”“三取二”）邏輯符合，再對(duì)不同的保護(hù)變量進(jìn)行“N取1”邏輯運(yùn)算，稱為X、Y半邏輯運(yùn)算。A、B兩個(gè)通道的X、Y半邏輯運(yùn)算進(jìn)行“與”運(yùn)算，C、D兩個(gè)通道的X、Y半邏輯運(yùn)算進(jìn)行“與”運(yùn)算，兩個(gè)“與”運(yùn)算的結(jié)果進(jìn)行“或”運(yùn)算后產(chǎn)生保護(hù)動(dòng)作信號(hào)，觸發(fā)保護(hù)系統(tǒng)動(dòng)作。

目前采用此種保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的核電廠有大亞灣核電站、嶺澳一期、嶺澳二期等。

圖2 兩系列的反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.四通道的反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

四通道的反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。和兩系列的反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)一樣，四個(gè)通道（A、B、C、D）在實(shí)體上分離，電氣上隔離，且采用不同的測(cè)量技術(shù)，滿足獨(dú)立性和多樣性的要求。

每個(gè)通道同時(shí)對(duì)多個(gè)保護(hù)變量進(jìn)行測(cè)量，每個(gè)通道對(duì)每個(gè)保護(hù)變量進(jìn)行閾值比較后會(huì)有四個(gè)輸出，每一個(gè)獨(dú)立通道分別先對(duì)同一個(gè)保護(hù)變量進(jìn)行“四取二”（或者“二取一”“三取二”）邏輯符合，再對(duì)不同的保護(hù)變量進(jìn)行“N取1”邏輯運(yùn)算，稱為X、Y半邏輯運(yùn)算。A、B、C、D四個(gè)通道的X、Y半邏輯后緊跟四個(gè)斷路器，每一個(gè)半邏輯都可以輸出一個(gè)通道級(jí)保護(hù)動(dòng)作信號(hào)，最后由系統(tǒng)級(jí)的“四取二”邏輯符合裝置進(jìn)行邏輯運(yùn)算后，生成系統(tǒng)級(jí)保護(hù)動(dòng)作觸發(fā)信號(hào)，觸發(fā)保護(hù)系統(tǒng)動(dòng)作。

目前采用此種保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的核電廠有紅沿河、陽(yáng)江、寧德、福清等。

圖3 四通道的反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

總 結(jié)

與典型的反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，兩系列和四通道的反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不但更好的滿足單一故障準(zhǔn)則，而且可以有效的降低系統(tǒng)的非安全故障概率，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。

與兩系列的反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)相比，四通道反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)由于增加了停堆斷路器，成本較高，但可以實(shí)現(xiàn)斷路器的在線檢測(cè)、更換或定期試驗(yàn)，而并不影響反應(yīng)堆的正常運(yùn)行，因此在應(yīng)用中更加方便。

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作者簡(jiǎn)介：

趙勝威（1987-），男，助理工程師。2009年畢業(yè)于西安交通大學(xué)核工程與核技術(shù)專業(yè)，現(xiàn)從事反應(yīng)堆運(yùn)行工作。