AP1000反應(yīng)堆安全停堆可靠性分析

孫紅芳

摘 要：AP1000的保護(hù)與安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠根據(jù)電廠異常瞬態(tài)在事故情況下保證反應(yīng)堆安全停堆，緩解事故后果。該文通過(guò)對(duì)反應(yīng)堆停堆處理器、停堆邏輯矩陣以及停堆斷路器等硬件的分析，詳細(xì)研究了AP1000停堆觸發(fā)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程，并對(duì)其可靠性和先進(jìn)性進(jìn)行了深入的分析。

關(guān)鍵詞：AP1000 停堆矩陣 停堆斷路器 可靠性

中圖分類號(hào)：TM58 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）05（c）-0051-02

AP1000反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)在電廠工況達(dá)到安全限值時(shí)，觸發(fā)自動(dòng)反應(yīng)堆停堆功能，同時(shí)驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的安全設(shè)施動(dòng)作，限制設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故的后果。該文通過(guò)對(duì)停堆處理器、停堆邏輯矩陣和停堆斷路器的分析，研究了反應(yīng)堆停堆功能的觸發(fā)過(guò)程，同時(shí)對(duì)停堆可靠性進(jìn)行了分析。

1 安全停堆分析

AP1000核電廠設(shè)計(jì)了20種停堆信號(hào)，主要包括核啟動(dòng)停堆、超功率停堆、堆芯余熱導(dǎo)出停堆、反應(yīng)堆超壓力保護(hù)停堆、失熱阱以及給水隔離停堆等幾大類，它們停堆的機(jī)制基本相同?？偟膩?lái)說(shuō)，現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程參數(shù)傳感器（如一回路溫度、壓力、蒸汽發(fā)生器液位、主泵轉(zhuǎn)速等）以及核探測(cè)器傳感器的信號(hào)首先采集后送入保護(hù)與安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（PMS）冗余的4個(gè)序列；信號(hào)在PMS中與給定參數(shù)的設(shè)定值做比較，將比較結(jié)果通過(guò)相應(yīng)的處理器進(jìn)行邏輯判斷與綜合分析，最終產(chǎn)生的停堆信號(hào)使得停堆斷路器斷開，此時(shí)，棒控電動(dòng)發(fā)電機(jī)組供往控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的電源被切斷，所有控制棒失電掉落堆芯，反應(yīng)堆停堆。

1.1 安全停堆過(guò)程分析

下面將對(duì)AP1000核電廠安全停堆的實(shí)現(xiàn)過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)分析。涉及到停堆的現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程參數(shù)傳感器有重要設(shè)備的壓力、溫度、液位，主泵轉(zhuǎn)速以及監(jiān)測(cè)核功率的核探測(cè)器等，其中每一類傳感器一般設(shè)置為冗余的4個(gè)，信號(hào)采集后送往PMS對(duì)應(yīng)A、B、C、D4個(gè)序列。傳感器信號(hào)首先進(jìn)入對(duì)應(yīng)序列BCC機(jī)柜中的BPL處理器，每個(gè)序列有兩個(gè)BCC機(jī)柜，標(biāo)記為BCCX01和BCCX02（X代表ABCD），對(duì)應(yīng)的BPL處理器標(biāo)記為BPL-X1/X2，BPL處理器被稱為雙穩(wěn)態(tài)邏輯處理器，也就是說(shuō)此處理器輸出0和1兩種穩(wěn)定狀態(tài)。每個(gè)序列設(shè)置有兩個(gè)冗余的BPL處理器。輸入信號(hào)在BPL中的PM646處理器中與給定的設(shè)定值進(jìn)行計(jì)算比較，超過(guò)技術(shù)規(guī)格書的設(shè)定值時(shí)，雙穩(wěn)態(tài)邏輯處理器輸出結(jié)果為1，否則輸出為0。例如：如果送往A序列的主泵1A的軸承水溫度傳感器采集值大于85 ℃的設(shè)定值，則此序列A的兩個(gè)BPL的輸出為1，這也意味著該序列產(chǎn)生了部分停堆信號(hào)。由于冗余設(shè)置，同一序列的兩個(gè)比較結(jié)果一般是相同的，不同則說(shuō)明出現(xiàn)了軟件和硬件方面的故障。

BPL產(chǎn)生的部分停堆信號(hào)將送往該序列的兩個(gè)LCL處理器，標(biāo)記為L(zhǎng)CL-X1/X2，同時(shí)也通過(guò)高速數(shù)據(jù)鏈路HSL送往其他3個(gè)序列的LCL，也就是說(shuō)，每一個(gè)LCL將接收到4個(gè)序列共8個(gè)BPL的輸出信號(hào)。LCL為局部符合邏輯處理器，用于對(duì)BPL的輸出信號(hào)進(jìn)行表決、產(chǎn)生停堆信號(hào)和ESF系統(tǒng)級(jí)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，該文暫不分析ESF信號(hào)。LCL接收到BPL的信號(hào)后，將來(lái)自同一個(gè)序列的兩個(gè)BPL輸出經(jīng)過(guò)或門處理融合成一個(gè)信號(hào)0或者1。

每個(gè)LCL將融合后的4個(gè)信號(hào)送入LCL中的兩個(gè)冗余停堆處理器，標(biāo)記為RTX1/X3，RTX2/X4。每一個(gè)停堆處理器接收到4個(gè)局部RT信號(hào)后進(jìn)行四取二邏輯判斷。如果4個(gè)局部RT信號(hào)中至少有兩個(gè)為1，此停堆處理器就會(huì)輸出高電平1，這個(gè)信號(hào)為該序列完整停堆信號(hào)。

得到序列停堆信號(hào)后，這4個(gè)數(shù)字量輸出分別控制各自對(duì)應(yīng)的4個(gè)繼電器，通過(guò)繼電器控制該序列對(duì)應(yīng)的反應(yīng)堆停堆觸發(fā)和接口邏輯矩陣中的開關(guān)觸點(diǎn)。以A序列為例，RTA1處理器四取二后的輸出會(huì)將改變DO1CH0觸點(diǎn)的狀態(tài)。如果RTA1輸出為1，SIR1線圈上游的DO1CH1觸點(diǎn)會(huì)閉合使線圈得電，同時(shí)UIR1線圈上游的DO1CH0觸點(diǎn)斷開，使線圈斷電。SIR1線圈得電后，ST線圈（并聯(lián)跳閘線圈）停堆觸發(fā)邏輯矩陣中SIR1觸點(diǎn)就會(huì)閉合，同理UV線圈（低壓跳閘線圈）停堆觸發(fā)邏輯矩陣中UIR1觸點(diǎn)就會(huì)斷開，其他RT處理控制的觸點(diǎn)也會(huì)發(fā)生狀態(tài)改變，即UIR1/2/3/4觸點(diǎn)全部斷開以及SIR1/2/3/4觸點(diǎn)全部閉合。為了確?？煽縿?dòng)作，UIR1和UIR3串聯(lián)、UIR2和UIR4串聯(lián)；SIR1和SIR3并聯(lián)、SIR2和SIR4并聯(lián)。產(chǎn)生的結(jié)果使得控制反應(yīng)堆停堆斷路器開關(guān)的線圈RTCBA1UV/2UV線圈失電，而RTCBA1ST/2ST線圈得電。

A序列的兩個(gè)UV線圈失電，兩個(gè)ST線圈得電，使得反應(yīng)堆停堆斷路器A1和A2斷開。如果4個(gè)序列均發(fā)生上述動(dòng)作，則8個(gè)停堆斷路器均斷開，此時(shí)，棒控電動(dòng)發(fā)電機(jī)組供往控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的電源就會(huì)切斷，導(dǎo)致所有控制棒掉落堆芯，反應(yīng)堆停堆。

1.2 安全停堆可靠性分析

通過(guò)上述對(duì)AP1000反應(yīng)堆停堆觸發(fā)過(guò)程的分析，總的來(lái)說(shuō)，反應(yīng)堆停堆系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，首先保證了過(guò)程參數(shù)傳感器、各個(gè)處理器、停堆斷路器等硬件沒有故障時(shí)，均能夠?qū)崿F(xiàn)四取二停堆；其次，當(dāng)某一硬件發(fā)生故障時(shí)，通過(guò)冗余設(shè)計(jì)也能夠保證反應(yīng)堆實(shí)現(xiàn)四取二停堆。具體而言，確保反應(yīng)堆安全可靠停堆主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

（1）看門狗計(jì)時(shí)器WDT的作用是當(dāng)RT處理器出現(xiàn)硬件故障時(shí)，相應(yīng)的觸點(diǎn)WDT1/2/3/4會(huì)發(fā)生狀態(tài)改變，使其下游對(duì)應(yīng)的線圈得電或者失電，從而使ST線圈得電，UV線圈失電，最終停堆斷路器斷開。

（2）每個(gè)停堆斷路器都受到UV線圈（低壓跳閘線圈，線圈失電對(duì)應(yīng)停堆斷路器斷開）和ST線圈（并聯(lián)跳閘線圈，線圈得電對(duì)應(yīng)停堆斷路器斷開）控制。這種冗余多樣化的設(shè)置，能夠避免共因故障和共模故障，滿足單一故障準(zhǔn)則。

（3）如果某一序列一個(gè)LCL內(nèi)部的兩個(gè)RT處理器在正常運(yùn)行時(shí)同時(shí)失效，它們對(duì)應(yīng)的觸點(diǎn)狀態(tài)改變后并不能使得該序列的UV線圈和ST線圈狀態(tài)發(fā)生改變，從而不能斷開該序列的停堆斷路器，因此，降低了誤停堆的可能性。

（4）對(duì)于停堆斷路器而言，只要有兩個(gè)或兩個(gè)以上PMS序列對(duì)應(yīng)的斷路器跳閘反應(yīng)堆就會(huì)停堆，而不必使所有的8個(gè)斷路器全部跳閘。停堆斷路器的冗余設(shè)置也保證了斷路器本身故障時(shí)不誤觸發(fā)停堆。

（5）另外，停堆信號(hào)中還包括主控室硬操盤臺(tái)上手動(dòng)反應(yīng)堆停堆信號(hào)、手動(dòng)ADS、S、CMT信號(hào)，手動(dòng)觸發(fā)時(shí)會(huì)直接斷開UV線圈停堆觸發(fā)邏輯矩陣下游對(duì)應(yīng)觸點(diǎn)，通過(guò)斷開UV線圈直接使反應(yīng)堆停堆，不經(jīng)過(guò)任何停堆邏輯判斷。

從以上分析中可以看出，保護(hù)系統(tǒng)的冗余設(shè)計(jì)是保證其可靠停堆的關(guān)鍵。同一參數(shù)儀表、PMS4個(gè)序列、序列內(nèi)BPL與LCL處理器、停堆邏輯矩陣以及停堆斷路器均為冗余設(shè)置。采用大量的冗余偏安全、偏保守的決策，不論是自動(dòng)停堆還是手動(dòng)停堆都具有很高的可靠性。

2 結(jié)語(yǔ)

該文主要從AP1000保護(hù)系統(tǒng)中的反應(yīng)堆停堆處理器、停堆觸發(fā)矩陣、停堆斷路器等硬件方面詳細(xì)分析了AP1000核電站如何實(shí)現(xiàn)安全停堆，并對(duì)其實(shí)現(xiàn)的可靠性進(jìn)行了分析，旨在讓讀者加深對(duì)AP1000核電技術(shù)保護(hù)功能的理解以及為PMS系統(tǒng)工程師提供技術(shù)參考。

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