壓水堆核電站核儀表系統(tǒng)典型故障分析與改進(jìn)

鮑偉偉

（中核武漢核電運(yùn)行技術(shù)股份有限公司 浙江分公司，浙江 海鹽 314300）

0 引言

核儀表系統(tǒng)（RPN）是核電站重要的安全系統(tǒng)，用于在反應(yīng)堆啟動(dòng)過(guò)程中及其后的運(yùn)行中對(duì)反應(yīng)堆的核功率水平、分布及變化情況進(jìn)行連續(xù)不斷地測(cè)量和監(jiān)視。當(dāng)核功率或其變化范圍超過(guò)安全分析確定的整定值時(shí)，向反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)提供用于緊急停堆的信號(hào)。核儀表系統(tǒng)使用了源量程、中間量程及功率量程3 種通道來(lái)完成反應(yīng)堆從啟動(dòng)到滿功率運(yùn)行工況下核功率的測(cè)量，其核功率動(dòng)態(tài)范圍達(dá)10 個(gè)數(shù)量級(jí)以上。在核電站的調(diào)試及運(yùn)行過(guò)程中，受核儀表系統(tǒng)的影響而造成非計(jì)劃停堆的次數(shù)也是屢見(jiàn)不鮮，可見(jiàn)核儀表系統(tǒng)及與其他系統(tǒng)接口的良好狀態(tài)是保障反應(yīng)堆安全穩(wěn)定運(yùn)行的必要條件。

1 停堆邏輯和周期試驗(yàn)

核儀表系統(tǒng)直接參與的停堆邏輯較多，包括二取一停堆的源量程；二取一停堆的中間量程；四取二的功率量程低定值停堆；四取二的功率量程高定值停堆；四取二的功率量程高中子注量率正變化率停堆；四取二的功率量程高中子注量率負(fù)變化率停堆，同時(shí)核儀表系統(tǒng)還直接影響超溫ΔT 停堆和超功率ΔT 停堆、ATWT 停堆等。

核儀表系統(tǒng)周期試驗(yàn)是在正常功率運(yùn)行時(shí)，為保證系統(tǒng)工作正常，而對(duì)系統(tǒng)設(shè)備所做的預(yù)防性試驗(yàn)檢查。主要檢查相關(guān)報(bào)警和保護(hù)定值，機(jī)柜繼電器在特定保護(hù)定值下是否能正常動(dòng)作。由MTE 模擬來(lái)自探測(cè)器或轉(zhuǎn)換器的信號(hào)，經(jīng)保護(hù)機(jī)柜處理后，比較輸出值和期望值[1]。

2 典型故障分析與改進(jìn)

2.1 功率量程通道周期試驗(yàn)，引起反應(yīng)堆非計(jì)劃緊急停堆

2.1.1 事件描述

某壓水堆核電廠在10%FP 功率平臺(tái)進(jìn)行I 通道和III通道功率量程通道試驗(yàn)。在將I 通道功率量程由正常模式打到試驗(yàn)?zāi)Ｊ胶?，按照?guī)程執(zhí)行該通道試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程中反復(fù)產(chǎn)生“功率量程中子注量率變化率高停堆信號(hào)（IP）”，由于邏輯有RS 觸發(fā)器，試驗(yàn)程序結(jié)束后該信號(hào)被保持，試驗(yàn)通過(guò)后該功率量程通道又由試驗(yàn)?zāi)Ｊ酱虻秸ＤＪ?，然后?zhí)行III 通道功率量程通道試驗(yàn)，在將該通道由正常模式打到試驗(yàn)?zāi)Ｊ胶?，開(kāi)始執(zhí)行試驗(yàn)步驟，同樣在該試驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生“功率量程中子注量率變化率高停堆信號(hào)（IIIP）”，且該信號(hào)被保持。試驗(yàn)結(jié)束后，將該通道由試驗(yàn)?zāi)Ｊ酱虻秸ＤＪ?，此時(shí)由于“功率量程中子注量率變化率高停堆信號(hào)（IP）”和“功率量程中子注量率變化率高停堆信號(hào)（IIIP）”同時(shí)被保持存在，滿足2/4 保護(hù)停堆邏輯，觸發(fā)緊急停堆信號(hào)，反應(yīng)堆停堆。

2.1.2 原因分析

由于I 通道和III 通道同時(shí)觸發(fā)了“功率量程中子注量率變化率高”，停堆信號(hào)直接導(dǎo)致了反應(yīng)堆緊急停堆。該電廠的試驗(yàn)規(guī)程編寫(xiě)是參照廠家的技術(shù)文件[2]編寫(xiě)的，而在廠家的技術(shù)文件中沒(méi)有提到試驗(yàn)后，對(duì)“功率量程中子注量率變化率高停堆信號(hào)”進(jìn)行復(fù)位的操作是該事件發(fā)生的根本原因。加上試驗(yàn)過(guò)程中該停堆信號(hào)的反復(fù)出現(xiàn)，導(dǎo)致運(yùn)行人員誤以為試驗(yàn)結(jié)束后該信號(hào)存在是正?，F(xiàn)象，也促成了該事件的發(fā)生。

2.1.3 優(yōu)化方案

方案一：廠家升版技術(shù)文件，維修升版試驗(yàn)規(guī)程，明確每個(gè)通道試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)“功率量程中子注量率變化率高信號(hào)”進(jìn)行復(fù)位，并確認(rèn)試驗(yàn)通道無(wú)停堆信號(hào)后，再進(jìn)行下一個(gè)通道的試驗(yàn)。

方案二：廠家對(duì)MTE（試驗(yàn)柜）試驗(yàn)軟件程序進(jìn)行升版，在試驗(yàn)完成后自動(dòng)觸發(fā)復(fù)位“功率量程中子注量率變化率高信號(hào)”信號(hào)。

2.2 RPN觸發(fā)超溫ΔT、超功率ΔT信號(hào)質(zhì)量位失效，引起反應(yīng)堆緊急停堆

2.2.1 事件描述

某壓水堆核電廠在調(diào)試升溫升壓階段，停堆斷路器處于合閘狀態(tài)，此時(shí)IIP 正在進(jìn)行主回路熱電偶試驗(yàn)，根據(jù)規(guī)程需解除該環(huán)路溫度信號(hào)。試驗(yàn)過(guò)程中主控室啟動(dòng)1#主泵，主泵啟動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)超溫ΔT（RPA/B171KA）和超功率ΔT（RPA/B167KA）停堆報(bào)警，反應(yīng)堆停堆。

2.2.2 原因分析

經(jīng)過(guò)分析發(fā)現(xiàn)IIP 進(jìn)行主回路熱電偶試驗(yàn)，由于解除該路溫度信號(hào)與現(xiàn)場(chǎng)的連接，導(dǎo)致超溫ΔT、超功率ΔT的該環(huán)路質(zhì)量位信號(hào)“壞”。啟動(dòng)1#主泵過(guò)程中，由于主泵信號(hào)波動(dòng)范圍較大，導(dǎo)致DCS 發(fā)送到RPN 的主泵轉(zhuǎn)速電流信號(hào)超出RPN 卡件的接收范圍，導(dǎo)致RPN 將此信號(hào)判斷為“壞”信號(hào)，從而發(fā)出“通道試驗(yàn)或故障信號(hào)”。該信號(hào)送至超溫ΔT、超功率ΔT 質(zhì)量位組合，導(dǎo)致該通道第2個(gè)質(zhì)量位變“壞”。由于超溫ΔT、超功率ΔT 為三取二停堆邏輯[3]，兩路信號(hào)質(zhì)量位失效從而直接觸發(fā)停堆信號(hào)致使反應(yīng)堆停堆[4]。

正常狀態(tài)下超溫ΔT、超功率ΔT 如圖1 所示。其中A_Valid，B_Valid，C_Valid 為質(zhì)量位信號(hào)且均為1，任一質(zhì)量位變?yōu)?，則表決邏輯3 取2 變成2 取1；再一個(gè)質(zhì)量位變?yōu)?，則產(chǎn)生輸出動(dòng)作。超溫ΔT 和超功率ΔT的質(zhì)量位為一個(gè)組合邏輯（穩(wěn)壓器壓力、主泵轉(zhuǎn)速、一回路溫度、軸向功率偏差的質(zhì)量位與功率量程故障或試驗(yàn)），其中任一信號(hào)為0，則質(zhì)量位變“壞”。由于IIP 進(jìn)行主回路熱電阻試驗(yàn)，該試驗(yàn)需要解除現(xiàn)場(chǎng)熱電阻信號(hào)與DCS 機(jī)柜直接的連接，因而該試驗(yàn)導(dǎo)致了IIP 一回路溫度質(zhì)量位“壞”，同時(shí)也導(dǎo)致了B_Valid 失效變0。此時(shí)，啟動(dòng)1#主泵過(guò)程中，主泵信號(hào)的異常波動(dòng)導(dǎo)致發(fā)往RPN 參與功率校準(zhǔn)的主泵轉(zhuǎn)速信號(hào)RCP507MY_11x 超出了正常范圍（見(jiàn)圖2）。正常情況下，輸出為4mA ～20mA 對(duì)應(yīng)的DINT 為819 ～4095，而根據(jù)DCS AO 卡件的特性（見(jiàn)圖3），輸出至RPN 的最大電流為21.2mA，而RPN 的輸入卡件16EANA 接收電流范圍為3.8mA ～20.4mA。由于輸出至RPN 的電流大于可接收范圍，因而RPN 判斷該信號(hào)為“壞”點(diǎn)，發(fā)功率量程故障或試驗(yàn)信號(hào)。該信號(hào)同時(shí)導(dǎo)致了A_Valid，因?yàn)榇藭r(shí)A_Valid、B_Valid 同時(shí)失效，滿足超溫ΔT 和超功率ΔT 停堆邏輯，反應(yīng)堆停堆，而RPN 模擬量輸入卡件接收電流范圍與DCS 模擬量輸出卡件不匹配為該事件的根本原因。

2.2.3 處理方案

方案一：在DCS 中發(fā)RPN 的主泵轉(zhuǎn)速信號(hào)前加限幅模塊。

方案二：RPN 一側(cè)加入延時(shí)模塊，將主泵轉(zhuǎn)速波動(dòng)引起的PR 故障或試驗(yàn)的短信號(hào)濾除。

方案三：將兩邊的接口統(tǒng)一為一致，更換硬件模塊（DCS 模擬量輸出和RPN 模擬量輸入）。

2.3 RPN與RGL模擬量輸入輸出接口不匹配

2.3.1 事件描述

某壓水堆核電站在調(diào)試階段進(jìn)行RPN 調(diào)試，在進(jìn)行周期試驗(yàn)測(cè)試時(shí)，發(fā)現(xiàn)RPN 送RGL 的平均功率信號(hào)電流與期望值偏差較大，試驗(yàn)判斷結(jié)果為不合格。

圖1 超溫ΔT、超功率ΔT邏輯功能塊Fig.1 Over temperature ΔT super power and ΔT logic function block

圖2 發(fā)往RPN的主泵轉(zhuǎn)速異常信號(hào)及功率量程故障或試驗(yàn)信號(hào)Fig.2 Main pump speed abnormal signal and power range fault or test signal sent to RPN

2.3.2 原因分析

RPN 功率量程周期試驗(yàn)是通過(guò)MTE 對(duì)機(jī)柜發(fā)送各定值的電流值，來(lái)模擬各功率階段機(jī)柜的繼電器可以動(dòng)作，并將信號(hào)送各個(gè)系統(tǒng)，檢測(cè)與各系統(tǒng)連接的回路正常。RPN功率量程定期試驗(yàn)結(jié)果不合格，查閱RPN 機(jī)柜內(nèi)部接線圖，發(fā)現(xiàn)該端子為RPN 送RGL 的平均功率信號(hào)。分析對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果，RPN 送其他回路的信號(hào)值均為正常值，僅送RGL的信號(hào)不合格，故初步排除為試驗(yàn)設(shè)備問(wèn)題的可能，試驗(yàn)失敗的原因大概率為RPN 送RGL 信號(hào)回路問(wèn)題。RGL 端接收信號(hào)是Tricon 系統(tǒng)的AI 卡（模擬量輸入卡，見(jiàn)圖4），該卡系統(tǒng)自身給其供24V 的電壓。而RPN 系統(tǒng)周期試驗(yàn)送過(guò)來(lái)的平均功率信號(hào)，RPN 機(jī)柜自身供24V 電壓。兩者之間接口不匹配，導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果不合格。

2.3.3 處理方案

在RPN 系統(tǒng)送RGL 的回路中，增加隔離模塊，將一個(gè)回路兩個(gè)電源分成兩個(gè)回路，互不干擾。

圖3 AO卡件輸出特性Fig.3 AO Card output characteristics

圖4 AI卡輸入特性Fig.4 AI Card input characteristics

3 結(jié)束語(yǔ)

核儀表系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)機(jī)組的安全有著至關(guān)重要的作用。核儀表系統(tǒng)的定期試驗(yàn)和與反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)的接口都直接關(guān)系到了機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行，本文通過(guò)對(duì)三起典型的核儀表系統(tǒng)事件進(jìn)行介紹、分析，指出了核儀表系統(tǒng)定期試驗(yàn)容易疏漏的操作以及核儀表系統(tǒng)與反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)接口的缺陷隱患，通過(guò)選擇合適的處理方案進(jìn)行處理，彌補(bǔ)了系統(tǒng)缺陷，給同類型核電機(jī)組提供了良好的經(jīng)驗(yàn)反饋。