重水堆核電廠主控窗報系統(tǒng)卡件國產(chǎn)化的良好實踐

黃 穎 鄖綺雯 徐海心

（中核核電運行管理有限公司，浙江嘉興314300）

0 引言

中核運行秦山重水堆核電廠主控室報警系統(tǒng)單臺機組共有380個核心報警信號，用以監(jiān)測電站重要系統(tǒng)及設備的運行狀態(tài)，把現(xiàn)場異常狀態(tài)和主控室盤臺手動開關(guān)處于非正常位置的狀態(tài)通過對應的聲光報警表現(xiàn)出來，提醒操縱員根據(jù)報警響應進行相關(guān)操作。

系統(tǒng)原設計采用美國RONAN公司的SS2771系列報警裝置，兩臺機組共配置報警卡926塊、濾波卡38塊、驅(qū)動卡38塊、不一致卡76塊。由于該系統(tǒng)沒有冗余設計，加之重水堆核電站在大修期間堆芯始終有核燃料，主控操縱員必須時時監(jiān)控機組的狀態(tài)，一旦主控窗報系統(tǒng)出現(xiàn)整體老化共模失效，將嚴重影響操縱員對現(xiàn)場系統(tǒng)和設備的風險管控，對保障機組安全穩(wěn)定運行帶來不可估量的后果。為了提高電站設備的可靠性，秦山重水堆核電廠對主控報警窗系統(tǒng)的相關(guān)板卡進行了國產(chǎn)化改造。經(jīng)過秦山重水堆核電廠儀控科和中科華核電技術(shù)研究院有限公司北京分公司歷時三年多的共同設計開發(fā)和調(diào)試試驗，首批及第二批國產(chǎn)化卡件（報警卡18塊、濾波卡3塊、驅(qū)動卡3塊、不一致卡5塊）已在秦山重水堆核電廠連續(xù)試運行兩個大修周期（4年），目前故障率為零。

1 主控報警窗系統(tǒng)運行特點

系統(tǒng)由背面帶有標示牌的燈箱、操作按鈕以及安裝于主控設備間的邏輯框架和卡件（報警卡、驅(qū)動卡、濾波卡、不一致卡）組成，現(xiàn)場觸點報警的產(chǎn)生和控制過程有特定的次序。

1.1 主控室窗報系統(tǒng)運行基本原理

報警卡件持續(xù)監(jiān)測就地觸點狀態(tài)的改變，并為聲光指示提供驅(qū)動信號?？赏獠繜o調(diào)節(jié)電源48 V直流電源供電，所有的按鈕控制信號包括ACKNOWLEDGE、SILENCE、RESET、TEST，在到達報警卡件之前都先經(jīng)過“FILTER”MODULE（濾波卡件）和“FLASHER/HORN DRIVER”MODULE（驅(qū)動卡件）。同時，進入報警卡件的還有現(xiàn)場邏輯信號以及從FSFF來的快閃和慢閃信號?？ぷ髟韴D如圖1所示。

驅(qū)動卡件為系統(tǒng)提供多重閃爍信號，它包括四個CMOS震蕩器，其中兩個慢頻、兩個快頻，通過兩個快閃的紅色LED和兩個慢閃的綠色LED來檢測。驅(qū)動卡件提供頻率信號給報警卡件，當報警信號來之后，經(jīng)過邏輯處理、比較后，產(chǎn)生閃爍信號AL，經(jīng)驅(qū)動卡件到主控室報警窗。

圖1 窗口報警系統(tǒng)工作原理圖

每24塊報警卡件組成一個報警機架，每一個機架有一個驅(qū)動卡件。它將閃爍及控制信號處理后輸送到報警總線，同時提供聲音報警繼電器驅(qū)動。當報警信號經(jīng)過處理產(chǎn)生閃爍信號的同時也產(chǎn)生了聲音報警信號A1或A2。聲音報警信號經(jīng)過驅(qū)動卡件驅(qū)動，再經(jīng)過濾波卡濾波后到達TONE GENERATER（音調(diào)發(fā)生器）產(chǎn)生音調(diào)，再經(jīng)過放大器，最終形成喇叭報警聲音。

1.2 窗報系統(tǒng)報警響應過程

報警系統(tǒng)分為開報和閉報兩種，當現(xiàn)場觸點狀態(tài)發(fā)生改變，則觸發(fā)報警，報警窗將快速閃爍，報警聲音響起。當報警產(chǎn)生后，按下“SILENCE”按鈕，報警聲音被消除，此時，報警處于消音狀態(tài)。然后按下“ACKNOWLEDGE”鍵，如果現(xiàn)場觸點、依然處于非正常狀態(tài)，則報警處于確認狀態(tài)，在此狀態(tài)下，報警燈常亮，報警聲音消除。

當現(xiàn)場觸點狀態(tài)恢復正常之后，報警燈慢閃，報警聲音間歇響起。按下“SILENCE”和“ACKNOWLEDGE”按鈕，這時，報警窗慢閃，喇叭聲消音。最后按下“RESET”按鈕，報警燈光及報警聲音均消除，報警窗進入正常狀態(tài)。

2 報警窗系統(tǒng)近幾年故障

隨著系統(tǒng)卡件持續(xù)運行時間超過系統(tǒng)維修手冊建議的10年使用壽命周期，誤報、報警后不能正常復位等故障有逐年增多的趨勢。

2.1 窗報系統(tǒng)報警卡件故障

窗報系統(tǒng)最常見故障就是報警卡故障，具體常見現(xiàn)象如下：

（1）報警出現(xiàn)時，對應的光字牌報警，但相對應的CI報警沒有出現(xiàn)；

（2）報警出現(xiàn)時，對應的CI報警報警，但相對應的光字牌沒有出現(xiàn)；

（3）相對應的CI報警沒有出現(xiàn)，窗報出現(xiàn)瞬間報警；

（4）做窗報試驗時，對應的光字牌沒有出現(xiàn)快速閃爍—慢閃—燈滅的過程，光字牌一直保持燈“滅”狀態(tài)（燈泡完好的前提下）；

（5）做窗報試驗時，有窗口與其他窗口響應不一致。

處理以上故障時，要先明確對應的報警卡件是“常開”卡板還是“常閉”卡板，然后短接或斷開卡件輸入端端子（常開：短接；常閉：斷開），改變觸點狀態(tài)，觀察光字牌的狀態(tài)是否翻轉(zhuǎn)，如果狀態(tài)沒有翻轉(zhuǎn)，就可判斷出該報警卡件損壞。對以上故障更換下的卡件進行外觀檢查，發(fā)現(xiàn)板卡上有電子元件過熱的現(xiàn)象。

2.2 系統(tǒng)驅(qū)動卡件和濾波卡件故障

驅(qū)動卡件提供頻率信號給報警卡件，當報警信號來之后，經(jīng)過邏輯處理、比較后，產(chǎn)生閃爍信號AL，經(jīng)驅(qū)動卡件驅(qū)動到主控室報警窗。信號經(jīng)過驅(qū)動卡件驅(qū)動后，經(jīng)過濾波卡濾波到達TONE GENERATER產(chǎn)生音調(diào)，再經(jīng)過放大器最終形成喇叭報警聲音。

（1）做窗報試驗時，某一排機架對應的24個光字牌出現(xiàn)閃爍故障（正常閃爍過程為“快速閃爍—慢閃—燈滅”）。

（2）做窗報試驗時或者單獨報警出現(xiàn)時，主控會伴有聲音報警，來提醒操縱員有報警發(fā)出，正常按下“SILENCE”按鈕，報警聲音不能消除。

以上故障都是因為驅(qū)動卡元件老化造成。

2.3 窗報系統(tǒng)不一致卡件故障

不一致報警功能主要檢查電站主控室盤臺重要手動開關(guān)是否在正確位置，其主要適用于手動開關(guān)在不正確位置將對電站的安全性和可靠性產(chǎn)生直接影響的系統(tǒng)。主控室操作員進行控制盤目視檢查時，不一致指示燈亮可以提醒有異常狀況。

故障現(xiàn)象如下：當設備現(xiàn)場運行狀況和主控手動開關(guān)不一致時，不一致燈亮，但沒有聲音報警。

綜合近幾年報警窗系統(tǒng)運行情況，卡件誤報、報警后不能正常復位等故障有逐年增多的趨勢。但原卡件采購費用高、周期長，一次性更換所有過期卡件的費用非常巨大，目前采用卡件故障后再更換的維修策略，這種維修策略在一定程度上給主控室操縱員對現(xiàn)場異常狀況的掌控造成了困擾。

3 報警窗系統(tǒng)改造原由

3.1 溫度高加速元器件老化

系統(tǒng)維修手冊建議報警卡、驅(qū)動卡、濾波卡、接地卡等卡件的使用壽命為10年，報警窗系統(tǒng)自安裝調(diào)試以來多次出現(xiàn)報警卡件故障，特別是在系統(tǒng)調(diào)試期間，電站空調(diào)系統(tǒng)沒有投用，本系統(tǒng)存在機柜內(nèi)沒有通風扇等冷卻裝置的設計缺陷，造成系統(tǒng)邏輯卡件長時間運行溫度高于設計限值60℃，加速了卡件元器件的老化。

3.2 采購費用高

由于系統(tǒng)卡件由美國RONAN公司生產(chǎn)，采購費用高且周期長，不具備一次性更換所有已到設計壽命卡件的條件，只能通過卡件故障后再更換的方式逐一進行。

3.3 利用率高，沒有冗余

本系統(tǒng)利用率極高，包括每天至少3次的窗報試驗和不確定次數(shù)的電站報警，這些動作必然會對整個系統(tǒng)造成沖擊。而且現(xiàn)系統(tǒng)無冗余設備，一旦出現(xiàn)系統(tǒng)失效，電站將喪失主控報警功能，給運行人員判斷現(xiàn)場故障造成困難?，F(xiàn)階段，進行本系統(tǒng)整體預防性維修時將喪失全部或部分窗口報警，給運行人員的工作造成極大困擾，運行人員針對此弊端也多次提出過變更要求。

4 卡件制作及安裝調(diào)試

調(diào)研當前國內(nèi)外類似功能的報警系統(tǒng)，比較先進的控制方式是計算機控制，單體設備國產(chǎn)化方式并不是最先進的控制技術(shù)。但由于重水堆不停堆換料，在大修期間堆芯依然有燃料，需要使用主控室報警系統(tǒng)時刻關(guān)注機組異常狀況，而秦山重水堆核電廠主控室報警系統(tǒng)無冗余裝置，若采用將系統(tǒng)升級為計算機控制的方式，系統(tǒng)不可用時間保守估計大約為20天，這無疑將對機組的安全造成威脅。采用單體設備國產(chǎn)化的方式，可以大大減少系統(tǒng)改造投資，也可以縮短更換時間。研制國產(chǎn)化主控報警系統(tǒng)報警卡、濾波卡、驅(qū)動卡、不一致卡，可以降低電廠運營成本，提高維修人員的維修技能。

歷時兩年的研制，廠家根據(jù)技術(shù)規(guī)格書的要求，制作了符合要求的卡件，并進行了老化試驗、各種功能和性能測試及長期穩(wěn)定性試驗，然后交付秦三廠進行離線測試。在大修期間，選擇PL10盤的部分報警窗口進行國產(chǎn)化卡件在線測試；之后選擇試驗通道進行長周期在線試驗。

4.1 國產(chǎn)化卡件在線測試

將選中的待驗證通道報警卡件打到“DISABLE”狀態(tài)后，拔出報警卡件。觀察板卡FC跳線狀態(tài)，其中跳線為“NC”則為開報，跳線為“NO”則為閉報。先確認待驗證國產(chǎn)化卡件跳線方式與拔出來的卡件跳線方式相符合；然后將國產(chǎn)化報警卡件插進報警機架，同時將報警卡件恢復到原來的“ENABLE”狀態(tài)。

（1）報警功能驗證：模擬報警卡件輸入觸點狀態(tài)改變，觸發(fā)卡件報警。在主控室觀察報警窗快閃，同時報警聲音響起。此時請主控室操作員按“SILENCE”按鈕，報警聲音消掉，報警處于消音狀態(tài)，然后按“ACKNOWLEDGE”鍵，確認報警狀態(tài)后，報警窗停止閃爍，處于常亮狀態(tài)。

（2）報警恢復功能驗證：恢復現(xiàn)場接線，即接入上面步驟中斷開的接線端子或拆除短接線，此時報警窗慢閃，喇叭聲響起。當按下按鈕“SILENCE”之后，報警窗慢閃，喇叭聲消音。當按下按鈕“ACKNOWLEDGE”之后，報警窗報警消失。

4.2 長周期在線試驗

在報警功能驗證滿足要求后，將國產(chǎn)化卡件安裝在試驗通道，進行國產(chǎn)化卡件的長周期在線試驗，時間為秦三廠一個生產(chǎn)周期，即兩年。在整個過程中，報警卡件要經(jīng)過每天三次的窗報測試試驗考驗及監(jiān)測通道偶發(fā)性報警考驗。一個生產(chǎn)周期之后，再進行功能驗證，確認此批國產(chǎn)化卡件滿足系統(tǒng)功能要求。

首批國產(chǎn)化卡件（報警卡10塊、濾波卡1塊、驅(qū)動卡1塊、不一致卡3塊）已經(jīng)在2#機組連續(xù)試運行兩個大修周期，第二批國產(chǎn)化卡件（報警卡8塊、濾波卡2塊、驅(qū)動卡2塊、不一致卡2塊）已經(jīng)在1#機組連續(xù)試運行兩個大修周期，目前故障率為零。所有試運行卡件功能滿足三期現(xiàn)場實際需求，卡件穩(wěn)定性好、可靠性高，可以與原產(chǎn)RONAN卡件混合使用。

5 結(jié)論

（1）原有的卡件面臨停產(chǎn)，生產(chǎn)周期和采購周期很長，而國產(chǎn)化卡件采購周期較短，可以及時滿足現(xiàn)場生產(chǎn)要求。

（2）卡件的主控室人機界面及操作方式?jīng)]有改變，針對操縱員的人機工程也不發(fā)生改變，可有效防止因界面改變，造成人員失誤操作。

（3）秦山重水堆核電廠主控室報警系統(tǒng)無冗余裝置，若采用將系統(tǒng)升級為計算機控制的方式，系統(tǒng)不可用時間保守估計大約為20天，這無疑將對機組的安全造成威脅?？a(chǎn)化的方式，可以大大減少系統(tǒng)改造投資，并將系統(tǒng)不可用時間大大縮短。

（4）自主研發(fā)卡件費用僅為進口卡件的1/7，單機組一次性更換所有已到設計壽命卡件，采用進口卡件的費用保守估計約1 000萬元，而采用自主研發(fā)卡件的費用只需150萬元左右。以10年卡件使用壽命估算，秦三廠壽期內(nèi)需進行3次更換，兩臺機組合計可節(jié)約5 100萬元。

（5）自主研發(fā)卡件可與原進口卡件組合使用，能有效利用現(xiàn)有庫存?zhèn)浼，F(xiàn)報警卡有庫存?zhèn)浼?0塊，濾波卡有13塊，驅(qū)動卡有26塊，不一致卡有16塊，此項可減少損失約240萬元。

（6）該項目研發(fā)方案充分利用原系統(tǒng)卡件安裝框架及接線，有效降低了整體系統(tǒng)改造的人力、物力成本，使實施成本只有全部系統(tǒng)更換所需成本的1/3，此項估計可節(jié)約資金500萬元。