核儀表系統(tǒng)停堆中子注量率高報(bào)警定值自動更新邏輯研究

楊文清，李曉飛，柳文乾，柳繼坤

（中廣核工程有限公司 核電安全監(jiān)控技術(shù)與裝備國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 深圳 518172）

0 引言

核儀表系統(tǒng)（RPN）是對反應(yīng)堆核功率進(jìn)行連續(xù)測量和監(jiān)視，由于核功率測量范圍跨越多個(gè)數(shù)量級，RPN分為源量程（SR）、中間量程（IR）與功率量程（PR）3個(gè)通道，以提高測量精度[1]。

源量程通道用于從裝料到初始啟動階段的堆芯中子通量測量，采用涂硼正比計(jì)數(shù)管作為中子探測器，通過通道輸出的計(jì)數(shù)率表征堆芯通量水平。

通過對某核電廠RPN源量程通道停堆中子注量率高報(bào)警邏輯進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)了該邏輯中報(bào)警設(shè)定值自動更新功能存在通道投運(yùn)后，導(dǎo)致報(bào)警誤觸發(fā)問題。

提出了兩種可行的報(bào)警防誤觸發(fā)措施，并對不同措施的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析。

1 停堆中子注量率高報(bào)警

RPN源量程通道設(shè)置了停堆中子注量率高報(bào)警功能以提醒運(yùn)行人員反應(yīng)堆次臨界度減小，堆芯存在逼近臨界的風(fēng)險(xiǎn)。通過該報(bào)警，運(yùn)行人員可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)堆芯誤稀釋或控制棒意外抽出。

根據(jù)安全分析的結(jié)論，當(dāng)停堆中子注量率高報(bào)警閾值設(shè)定為當(dāng)前值的3倍以內(nèi)時(shí)，運(yùn)行人員有足夠的時(shí)間對機(jī)組狀態(tài)進(jìn)行干預(yù)[2]?？紤]源量程在低通量水平下的計(jì)數(shù)率統(tǒng)計(jì)漲落引起的信號波動[3]，報(bào)警設(shè)定值一般取當(dāng)前計(jì)數(shù)率的2～3倍。

停堆中子注量率高報(bào)警的觸發(fā)邏輯如圖1所示，當(dāng)報(bào)警未被手動閉鎖、計(jì)數(shù)率超過報(bào)警設(shè)定值，同時(shí)源量程保護(hù)功能未被閉鎖時(shí)，報(bào)警觸發(fā)。報(bào)警通過操作員畫面報(bào)警信息、報(bào)警燈提醒運(yùn)行人員干預(yù)，同時(shí)反應(yīng)堆廠房聲響報(bào)警喇叭發(fā)出報(bào)警聲，提醒人員撤離[4]。

圖1 停堆中子注量率高報(bào)警邏輯Fig.1 High flux at shutdown alarm logic

2 報(bào)警設(shè)定值自動更新邏輯

2.1 啟動階段保護(hù)定值手動向上更新

當(dāng)反應(yīng)堆啟動時(shí)，隨著正反應(yīng)性的不斷引入，源量程計(jì)數(shù)率持續(xù)增加。在計(jì)數(shù)率增加過程中，如果自動更新報(bào)警設(shè)定值，報(bào)警設(shè)定值將持續(xù)大于實(shí)測值，導(dǎo)致報(bào)警無法觸發(fā)。因此，在通量上漲階段，不應(yīng)自動更新設(shè)定值。需要操作員在源量程計(jì)數(shù)率接近報(bào)警定值時(shí)，對設(shè)定值進(jìn)行手動更新，手動更新后報(bào)警定值設(shè)置為當(dāng)前通道計(jì)數(shù)率的2.5倍。

功率運(yùn)行期間，當(dāng)中間量程測量的電流水平超過P6設(shè)定值后，允許閉鎖源量程以避免探測器在過高通量水平下工作。除換料后首次臨界，正常運(yùn)行期間，當(dāng)P6信號出現(xiàn)后，源量程保護(hù)功能即被手動閉鎖。

2.2 停堆階段保護(hù)定值自動向下更新

反應(yīng)堆停堆后，由于緩發(fā)中子先驅(qū)核的衰變，停堆后堆芯中子通量會按照大約-80 s的周期指數(shù)下降，直至穩(wěn)定在次臨界增殖平衡水平[5]。當(dāng)中間量程測量的電流水平降低至P6信號設(shè)定值以下時(shí)，源量程通道自動投運(yùn)，此時(shí)源量程通道的計(jì)數(shù)率仍呈指數(shù)下降趨勢。圖2為某PY機(jī)組50%FP功率平臺跳堆試驗(yàn)后，源量程投運(yùn)后的計(jì)數(shù)率趨勢。

圖2 停堆后源量程自動投運(yùn)Fig.2 SRC Automatic re-used after reactor trip

由于停堆后計(jì)數(shù)率的持續(xù)下降，為實(shí)現(xiàn)保護(hù)的即時(shí)性，系統(tǒng)會在報(bào)警設(shè)定值超過當(dāng)前計(jì)數(shù)率的2.8倍（2.50×1.12）時(shí)，觸發(fā)自動更新。自動更新后，報(bào)警定值設(shè)定為當(dāng)前計(jì)數(shù)率的2.5倍。通量下降階段的自動更新功能確保了報(bào)警設(shè)定值對測量計(jì)數(shù)率的“動態(tài)跟蹤”。具體邏輯如圖3所示。

圖3 停堆中子注量率高報(bào)警定值自動刷新邏輯Fig.3 High flux at shutdown set-point updating logic

2.3 源量程自動投運(yùn)后報(bào)警誤觸發(fā)分析

源量程探測器采用涂硼正比計(jì)數(shù)管，探測器需要在一定高壓下工作。在外部中子注量率不變的情況下，探測器計(jì)數(shù)率與高壓的曲線稱為探測器高壓坪曲線[6]，如圖4所示。

圖4 源量程探測器高壓曲線Fig.4 SRC Detector high voltage curve

從高壓坪曲線可以看出，在探測器高壓超過一定幅值后，探測器才有計(jì)數(shù)率輸出，且隨著高壓接近工作電壓，計(jì)數(shù)率持續(xù)增加。

P6信號消失，源量程投運(yùn)后，探測器高壓逐漸恢復(fù)至工作電壓。在探測器高壓恢復(fù)過程中，源量程計(jì)數(shù)率按照高壓曲線趨勢從量程下限逐漸增加。

在高壓建立的初始階段，源量程計(jì)數(shù)率較低，計(jì)數(shù)率的2.8倍小于閉鎖前報(bào)警設(shè)定值。觸發(fā)報(bào)警設(shè)定值自動刷新邏輯，設(shè)定值從源量程閉鎖前的較高水平刷新至低值。隨著高壓建壓過程持續(xù)，源量程計(jì)數(shù)率持續(xù)增長，直到達(dá)到當(dāng)前通量水平計(jì)數(shù)率（約105cps量級）。在計(jì)數(shù)率增長過程中，停堆中子注量率高報(bào)警觸發(fā)。

根據(jù)以上分析，在機(jī)組正常下行停堆或意外跳堆后，由于報(bào)警設(shè)定值自動刷新邏輯的存在，源量程自動投運(yùn)會導(dǎo)致停堆中子注量率高報(bào)警觸發(fā)。誤觸發(fā)的報(bào)警對于操作員而言是一種干擾信息，會影響操作員對機(jī)組狀態(tài)的正常判斷，尤其是在機(jī)組意外跳堆后的瞬態(tài)階段，誤報(bào)警可能會干擾正在執(zhí)行的事故規(guī)程。

據(jù)反饋，國內(nèi)某三代機(jī)組在首次臨界后的零功率物理試驗(yàn)期間，因?yàn)樵撛蛘`觸發(fā)了停堆中子注量率高報(bào)警。

3 停堆中子注量率高誤報(bào)警避免措施

針對停堆中子注量率高報(bào)警的目的和適用階段進(jìn)行討論，提出如下避免措施。

3.1 運(yùn)行行政管理

停堆中子注量率高報(bào)警的設(shè)定目的是提醒操作員在停堆狀態(tài)下異常正反應(yīng)性引入，當(dāng)機(jī)組準(zhǔn)備啟動時(shí)，該報(bào)警的“停堆狀態(tài)”假設(shè)已不存在。此時(shí)引入正反應(yīng)性是為了使機(jī)組達(dá)到臨界狀態(tài)，在此過程中，中子注量率的增加是預(yù)期內(nèi)事件，因此停堆中子注量率高報(bào)警對臨界過程已無必要。

圖5 源量程投運(yùn)后延時(shí)啟用報(bào)警Fig.5 Alarm enabled delay after SRC re-used

為減少操作員不必要的報(bào)警定值手動更新，可在機(jī)組正常啟動前通過RPN機(jī)柜鑰匙對報(bào)警進(jìn)行閉鎖，報(bào)警閉鎖后，相應(yīng)保護(hù)功能由源量程中子注量率高觸發(fā)停堆實(shí)現(xiàn)。

機(jī)組計(jì)劃停堆或意外跳堆后，由于中子注量率持續(xù)緩慢下降，此時(shí)未達(dá)到“穩(wěn)定停堆”狀態(tài)。當(dāng)源量程計(jì)數(shù)率達(dá)到停堆狀態(tài)的穩(wěn)定計(jì)數(shù)率后，先手動更新報(bào)警定值，再通過鑰匙重新投運(yùn)停堆中子注量率高報(bào)警。

3.2 設(shè)定值刷新邏輯優(yōu)化

由于源量程探測器投運(yùn)涉及高壓建壓過程，因而考慮在建壓過程中閉鎖報(bào)警。建壓結(jié)束，計(jì)數(shù)率已恢復(fù)至較高水平后，通過脈沖信號刷新一次計(jì)數(shù)率。

圖6 報(bào)警設(shè)定值更新邏輯優(yōu)化Fig.6 Optimization of alarm set-point updating logic

源量程重新投運(yùn)后，延時(shí)10s生效中子注量率高報(bào)警，即使報(bào)警設(shè)定值在建壓過程被刷到低值，10s內(nèi)也不會觸發(fā)報(bào)警。

探測器高壓丟失信號的消失表明建壓過程已完成，探測器計(jì)數(shù)率已恢復(fù)。高壓丟失信號消失后，延時(shí)3s（足夠時(shí)間使高壓穩(wěn)定）觸發(fā)一個(gè)脈沖刷新報(bào)警定值，可將建壓過程自動刷低的設(shè)定值重新刷高。

以上優(yōu)化在不影響原有自動刷新邏輯的前提下，避免了源量程重新投運(yùn)后報(bào)警因?yàn)榻▔哼^程誤觸發(fā)。

3 .3 兩種措施比較

通過運(yùn)行行政管理，避免報(bào)警誤觸發(fā)的方式與目前二代機(jī)組運(yùn)行規(guī)程的要求一致，無需修改邏輯。其缺點(diǎn)是每次啟動需要人為閉鎖報(bào)警，每次停堆后需要先手動刷新定值，再人為解鎖報(bào)警。報(bào)警的閉鎖在某種程度上減少了保護(hù)的覆蓋范圍。

設(shè)定值刷新邏輯優(yōu)化可從源頭解決報(bào)警誤觸發(fā)問題，無需再對報(bào)警進(jìn)行閉鎖，相當(dāng)于擴(kuò)展了保護(hù)的覆蓋范圍。

4 結(jié)束語

從源量程中子注量率高報(bào)警設(shè)置的目的來看，運(yùn)行行政管控措施是可行的，該措施可完全避免報(bào)警誤觸發(fā)。從源量程工作原理出發(fā)，增加報(bào)警延時(shí)生效與建壓后刷新邏輯可從源頭解決誤觸發(fā)問題。兩種措施的選擇應(yīng)根據(jù)技術(shù)規(guī)格書及事故分析對報(bào)警可用性的要求進(jìn)行。