某核電堆外核測系統(tǒng)中長期管理及優(yōu)化研究

盧 建，佟 潔，周辰昊，朱鵬飛

（中核核電運行管理有限公司，浙江 嘉興 314300）

1 簡要介紹

堆外核測系統(tǒng)核儀表系統(tǒng)是核電廠安全重要儀控系統(tǒng)，通過設(shè)置在反應(yīng)堆壓力容器外的一系列中子探測器連續(xù)監(jiān)測反應(yīng)堆功率、功率水平和功率分布的變化，為操縱員提供在堆芯裝料、停堆、啟堆和功率運行期間的反應(yīng)堆狀態(tài)信息，并在中子注量率高和中子注量率快變化時觸發(fā)反應(yīng)堆停堆。核測系統(tǒng)的功能穩(wěn)定性和設(shè)計合理性直接保障了機(jī)組安全穩(wěn)定運行，避免機(jī)組停堆功能誤動和拒動風(fēng)險，方便中長期運維策略制定和故障定位，提高了排查和檢修的精準(zhǔn)性和有效性。

2 研究背景

某核電在機(jī)組調(diào)試商運期間，堆外核測系統(tǒng)出現(xiàn)大量設(shè)備本身或與現(xiàn)場需求不匹配的問題，由于部分功能設(shè)計不合理或設(shè)備質(zhì)量不滿足要求，導(dǎo)致觸發(fā)機(jī)組停堆的事件，在后續(xù)的系統(tǒng)風(fēng)險識別、系統(tǒng)功能對標(biāo)和外部專家交流中，對這類問題提出了解決措施和中長期的管理及優(yōu)化的方案。

某核電堆外核測系統(tǒng)采用模擬電路式系統(tǒng)，其特點是將采集的物理量通過放大電路、濾波電路、運算電路、信號發(fā)生電路等方式轉(zhuǎn)化為連續(xù)的電流或電壓信號，但抗干擾能力差，易受到諸如電源、電磁干擾等環(huán)節(jié)影響，同時準(zhǔn)確穩(wěn)定的輸出也受到電路元器件的可靠性和電路設(shè)計的科學(xué)性的影響。

該堆型核測采用2種類型的探測器，分別為硼比基數(shù)管和裂變室，島內(nèi)設(shè)置放大電路模塊，島外設(shè)置信號處理和輸出模塊，將采集到的計數(shù)率或電流，通過特定的算法轉(zhuǎn)化為功率值參與顯示或控制保護(hù)邏輯。

3 問題一：源量程1/2、中間量程1/2的高/低質(zhì)量位和單通道故障觸發(fā)停堆邏輯

該核電廠堆外核測系統(tǒng)將脈沖值/電流值轉(zhuǎn)化為功率以4～20 mA的電流形式送往保護(hù)系統(tǒng)參與控制保護(hù)停堆邏輯，功能是確保功率意外升高時系統(tǒng)能夠自動觸發(fā)停堆保護(hù)，實現(xiàn)堆內(nèi)中子增殖和反應(yīng)性的控制。目前控制與保護(hù)系統(tǒng)側(cè)對接收數(shù)據(jù)的識別時，認(rèn)為低/高質(zhì)量位（＜3.8 mA）或高質(zhì)量位（＞21 mA）同樣觸發(fā)停堆信號，或單通道識別板卡內(nèi)故障時觸發(fā)停堆邏輯，這與目前核測系統(tǒng)安全與保護(hù)功能概念不符。

3.1 問題分析

低質(zhì)量位與高質(zhì)量位產(chǎn)生是由板卡回路中元器件故障導(dǎo)致，在正常設(shè)計的回路中，4～20 mA的輸出已覆蓋各通道滿量程的監(jiān)視，不可能出現(xiàn)采集的堆內(nèi)中子注量率轉(zhuǎn)化的功率電流超量程情況，所以其高/低質(zhì)量位也應(yīng)歸納在通道故障的范疇內(nèi)，符合原設(shè)計中通道故障觸發(fā)單通道停堆邏輯設(shè)定。

在定期試驗中將設(shè)備打到旁通進(jìn)行試驗的狀態(tài)與整體設(shè)備不可用狀態(tài)屬于同級別的安全等級，在核安全分析或SPV設(shè)備失效分析時均可認(rèn)為該時間段其功能失效，相應(yīng)的停堆邏輯降級為1/2；通道發(fā)生其他故障或高/低質(zhì)量位故障時在對于整個通道功能認(rèn)定上也應(yīng)歸納為該時間段整體設(shè)備不可用狀態(tài)，因此不應(yīng)將其納入觸發(fā)停堆保護(hù)的邏輯中。

堆外核測系統(tǒng)自身的運行功能是指向操縱員提供反應(yīng)堆在裝料、啟動、功率提升和停堆等狀態(tài)下，在主控室給出相應(yīng)的信號，以便操作員隨時了解反應(yīng)堆的狀態(tài)和狀態(tài)變化。在一列源量程或一列中間量程旁通、故障時，還具備其他至少一列源量程和至少一列中間量程保證對反應(yīng)堆中子的監(jiān)視，能夠保證反應(yīng)堆內(nèi)裂變反應(yīng)的狀態(tài)及其變化，此時原設(shè)計的停堆邏輯并不會對反應(yīng)堆的狀態(tài)起到必要和有效的保護(hù)作用。

目前影響該核電機(jī)組的主要為低質(zhì)量位限制（電路設(shè)計問題或波動），無論哪種狀況均屬于針對下限值的控制，在目前的反應(yīng)堆安全保護(hù)設(shè)計邏輯中，除功率量程的負(fù)變化率報警停堆邏輯（主要由于高速的階躍變化對堆芯和其他系統(tǒng)產(chǎn)生額外的負(fù)荷），源量程和中間量程均無對下行位置的停堆要求，因為下行意味著反應(yīng)堆往更安全的狀態(tài)過渡（例如，控制棒下插）；另一方面源量程和中間量程的下限值意味著堆內(nèi)極低的中子通量，此狀態(tài)的變化率對設(shè)備的額外符合基本無任何影響。因此該狀態(tài)的停堆是沒有意義的，屬于誤動作停堆事件。

目前秦山核電一廠30萬機(jī)組、秦二廠65萬1#2#3#4#機(jī)組、方家山100萬1#2#機(jī)組、秦三廠1#2#機(jī)組均無源量程、中間量程下限值停堆的控制保護(hù)邏輯的要求。核測系統(tǒng)通過測量計算進(jìn)行邏輯判斷，將最后結(jié)果直接以開關(guān)量程形式輸出停堆信號至保護(hù)系統(tǒng)（秦二廠、方家山），或?qū)⒑藴y模擬量信號送入保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行邏輯判斷后（秦一廠）；其他模擬量信號（4～20 mA或0～10 V）則同時送至其他系統(tǒng)和各類顯示，本身核測系統(tǒng)不參與控制保護(hù)。

對于通道故障的停堆風(fēng)險邏輯，秦山核電一廠30萬機(jī)組、秦二廠65萬1#2#3#4#機(jī)組、方家山100萬1#2#機(jī)組均采用源量程雙通道不可用觸發(fā)停堆（投用時P6前）、中間量程雙通道不可用觸發(fā)停堆（P10或P30前）。

3.2 優(yōu)化方向

取消該機(jī)組堆外核測系統(tǒng)源量程1/2、中間量程1/2的高/低質(zhì)量位觸發(fā)停堆的邏輯；將源量程、中間量程高/低質(zhì)量位識別信號和通道故障的觸發(fā)邏輯關(guān)聯(lián)到設(shè)備旁通狀態(tài)指示和邏輯控制；增加對源量程和中間量程雙通道高/低質(zhì)量位或通道故障觸發(fā)停堆的邏輯，如直接送至設(shè)備旁通則無需增加（例如，在功率量程原有2/4停堆邏輯基礎(chǔ)上，出現(xiàn)1個通道故障后停堆邏輯變成2/3，2個通道故障1/2，3個通道故障停堆，功率量程可轉(zhuǎn)化成假的2/4方式）。

4 問題二：關(guān)于功率輸出板卡4～20 mA不準(zhǔn)導(dǎo)致低質(zhì)量位問題

該核電功率輸出板卡原設(shè)計4～20 mA，實際現(xiàn)場最低值輸出3.6 mA左右，保護(hù)系統(tǒng)識別低質(zhì)量位故障觸發(fā)定值為3.8 mA，可能觸發(fā)單通道低質(zhì)量位停堆或雙通道低質(zhì)量停堆，目前規(guī)避的措施為調(diào)整放大系數(shù)，強(qiáng)制將輸出功率保持較高值（波動大），此方法失去了探測器反映堆內(nèi)真實中子通量水平的意義，存在核安全監(jiān)督的質(zhì)疑，同時在操作層面風(fēng)險高，后續(xù)中長期運行中是一個必須解決的問題。

4.1 問題分析

設(shè)備問題：根本原因為板卡電氣回路設(shè)計問題，即使工廠調(diào)試滿足驗收要求，現(xiàn)場超量程后，內(nèi)部元器件未預(yù)留足夠裕量調(diào)整，無法通過現(xiàn)場調(diào)整元器件，例如，電位器或放大系數(shù)達(dá)到要求值。

設(shè)計問題：源量程采用計數(shù)率cps轉(zhuǎn)化的功率充當(dāng)保護(hù)計算的參考值，需增加一個轉(zhuǎn)化系數(shù)（放大倍數(shù)），目前秦山壓水堆或重水堆核測源量程的保護(hù)定值均采用計數(shù)率cps信號。原理上無論是計數(shù)率還是功率通過理論計算均是可行的，但在輸出功率電路的實現(xiàn)上存在誤差較大、指示不穩(wěn)定等因素，無法準(zhǔn)確地判斷源量程真實的顯示，通道調(diào)整轉(zhuǎn)化系數(shù)來規(guī)避停堆定值的方法從長期核安全的角度是不可取的，原則上應(yīng)使用能真實反映堆內(nèi)中子情況的保護(hù)定值來保護(hù)堆芯，由于源量程計數(shù)率與功率轉(zhuǎn)化后精度低，不應(yīng)將功率用作保護(hù)定值選取。

操作問題：模擬電路板卡旋鈕（電位器）多次調(diào)整以適應(yīng)現(xiàn)場功率需求，會造成旋鈕的回差增加、放大系數(shù)不準(zhǔn)、設(shè)備故障等額外風(fēng)險，不利于機(jī)組長期穩(wěn)定可控的運行，也增加運維人員檢修與調(diào)整的風(fēng)險。

4.2 優(yōu)化方向

針對該機(jī)組核測系統(tǒng)功率模擬板卡現(xiàn)狀提出以下建議。在現(xiàn)場經(jīng)驗充足情況下，放大倍數(shù)能基本滿足停堆定值需求或與中間量程匹配時，則記錄和保持該定值，短期內(nèi)無論啟停堆或功率運行，不對其進(jìn)行調(diào)整。重新設(shè)計功率輸出板卡，使其能正常輸出4～20 mA的標(biāo)準(zhǔn)功率信號。更改保護(hù)側(cè)接收功率輸出板卡定值的限制，使其適應(yīng)現(xiàn)場實際情況，例如，現(xiàn)場最低3.4 mA，將保護(hù)低質(zhì)量位更改為3.2 mA或3 mA。如需考慮設(shè)備波動導(dǎo)致超低限位的情況需增加裕量，將保護(hù)低質(zhì)量位更改為1 mA，此方案或具體值需經(jīng)專家與設(shè)計院研究討論確定，同時在質(zhì)量位停堆邏輯已從1/2變?yōu)?/2情況下雙通道同時由于偶發(fā)波動導(dǎo)致停堆的可能性將大大降低。由于功率處理后輸出的不準(zhǔn)確性和不穩(wěn)定性，可考慮將計數(shù)率cps值替代功率輸出值送給保護(hù)系統(tǒng)參與計算，在4～20 mA的含以上兩者均采用log計算方法，按照理論兩者相同電流代表的含義一致，使用原始值（計數(shù)率cps）來參與保護(hù)根據(jù)實際保護(hù)意義，其保護(hù)定值也可按照換算后的計數(shù)率或特定計數(shù)率來確定下來。

5 問題三：關(guān)于后續(xù)核測系統(tǒng)通道間功率指示標(biāo)定的問題

某核電機(jī)組核測系統(tǒng)標(biāo)定工作初始標(biāo)定、中間標(biāo)定和最終標(biāo)定。初始標(biāo)定是在P6信號前后對源量程和中間量程功率數(shù)據(jù)值偏差在2倍之間，中間標(biāo)定是在零功率物理實驗期間利用實際功率標(biāo)定源量程中間量程功率量程指示，最終標(biāo)定是在一定功率平臺或滿功率情況下標(biāo)定源量程中間量程功率量程指示。功率標(biāo)定工作使用熱功率或?qū)嶋H功率來標(biāo)定功率量程的顯示，利用放大系數(shù)的調(diào)整，使輸出功率與實際功率一致，同時使用功率量程標(biāo)定完成的功率完成對中間量程和源量程的標(biāo)定功率，均使用放大系數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

5.1 問題分析

目前秦山核電采用的標(biāo)定策略為使用熱功率（實際功率）來標(biāo)定功率量程（定期修改2M，偏差1.5%，夏天內(nèi)控偏差0.5%），使其能夠精確地反映功率的真實狀態(tài)，使用功率量程（熱功率）來標(biāo)定中間量程的功率（兩者超過5%調(diào)整），中間量程與源量程之間的標(biāo)定，無特定驗收需求，兩者之間的要求只有1個量級的重疊和P6信號正常觸發(fā)（內(nèi)控10 000 cps左右或25 000 cps左右）。與秦山核測的對比，目前該機(jī)組未來標(biāo)定存在的問題就是源量程和中間量程之間的功率偏差，在臨界時的初始標(biāo)定后（源量程和中間量程），可以避免低質(zhì)量位和安全的觸發(fā)P6信號，確定了源量程和中間量程的放大系數(shù)（例如，源量程6、中間量程10），但在后續(xù)的功率運行期間必然會重新對核測系統(tǒng)功率量程進(jìn)行標(biāo)定，對功率量程和中間量程進(jìn)行標(biāo)定，就必然影響到對中間量程放大系數(shù)的調(diào)整（例如，將中間量程10調(diào)整到8）。此時，源量程的標(biāo)定就存在問題，若進(jìn)行調(diào)小標(biāo)定（例如，將6調(diào)整到3），則在降功率期間存在質(zhì)量位停堆風(fēng)險；若進(jìn)行調(diào)大標(biāo)定（例如，將6調(diào)整到8），則在降功率期間存在高中子停堆風(fēng)險（P6消失時）。

5.2 優(yōu)化方向

對源量程或中間量程的標(biāo)定方式或驗收準(zhǔn)則進(jìn)行調(diào)整。

5．2．1 功率運行期間取消源量程的標(biāo)定

源量程在P6后退出運行，其功能也只是在低功率期間對反應(yīng)堆狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，由于探測器性能關(guān)系與功率的轉(zhuǎn)化也是非線性變化的，因此在高功率期間對源量程的標(biāo)定沒有實際意義。

5．2．2 調(diào)整源量程與中間量程之間的標(biāo)定方式

理論上，無論是利用計數(shù)率或電流標(biāo)定，還是利用換算后的功率標(biāo)定都是可行的，實際電路換算后的值由于模擬電路原因差別較大，無法真實反映堆內(nèi)情況，源量程期間的計數(shù)率是一個可靠標(biāo)準(zhǔn)參量，實際轉(zhuǎn)化成功率后誤差較大（實際功率太低，只有0.001%Pn量級的指示），參考值意義不大。因此，針對該核電廠堆芯功率特點，仍可參考秦山壓水堆核電站源量程在低功率期間的顯示和安全定值，均采用計數(shù)率作為源量程對反應(yīng)堆內(nèi)部中子水平的監(jiān)測參數(shù)。中間量程P6的設(shè)定，只要滿足在一定的范圍內(nèi)（例如，源量程500～1 000 cps）正常觸發(fā)即可，此時無論設(shè)定功率值還是特定中間量程電流值均可（因為中間量程觸發(fā)P6時的電流或轉(zhuǎn)化的功率都是較為準(zhǔn)確的值），目前秦山核電30萬機(jī)組和秦山二期1#2#3#4#均采用中間量程10e-10A作為定值參數(shù)，方家山核電1#2#中間量程采用10e-5A作為定值參數(shù)，都是為了保證在可靠堆功率下源量程能正常切除或觸發(fā)。

5．2．3 維持現(xiàn)狀

在現(xiàn)場經(jīng)驗充足，源量程、中間量程、功率量程存在恰到好處的比例關(guān)系，能夠保證各自在一定的放大倍數(shù)下，各通道均能正常觸發(fā)和顯示相應(yīng)的功率和報警，則無需對此進(jìn)行修改，按原本設(shè)計執(zhí)行即可。

5．2．4 臨時恢復(fù)

在功率下行時，選取合適的功率臺階根據(jù)升功率歷史標(biāo)定值將源量程和中間量程的標(biāo)定值進(jìn)行恢復(fù)，該臨時恢復(fù)措施需建立在一定的生產(chǎn)運行經(jīng)驗下，因為上行期間的標(biāo)定值是在較為穩(wěn)定和上行的工況下執(zhí)行，下行的工況和中子變化情況不能完全參考此標(biāo)定值，調(diào)整的放大倍數(shù)需留取足夠的閾度，此項操作風(fēng)險較高。

6 后續(xù)設(shè)備管理

6.1 設(shè)備分級

堆外核測系統(tǒng)作為核安全相關(guān)SPV關(guān)鍵敏感設(shè)備，需將系統(tǒng)設(shè)備顆粒度細(xì)化到零件級別，以功能分析和邊界劃分為基礎(chǔ)，結(jié)合故障模式和故障波及范圍，識別出部件級別設(shè)備的“關(guān)鍵度”。設(shè)備分級是后續(xù)工作環(huán)境分級、工作頻度分級和維修窗口等預(yù)防性維修項目或缺陷型處理項目的指導(dǎo)文件，在程序上為后期工作項合理性、安全性和方法性提供依據(jù)。

6.2 設(shè)備臺賬

對于新建機(jī)組或改造項目的設(shè)備，需從項目初期建立詳細(xì)的設(shè)備臺賬，精確到單一設(shè)備零件或組件，此臺賬不僅涵蓋到貨庫存?zhèn)浼某鰪S日期、設(shè)備編碼、版本等能夠識別到唯一部件的信息，還應(yīng)包含目前應(yīng)用到現(xiàn)場的所有設(shè)備部件和故障更換下的設(shè)備，使得該系統(tǒng)所有設(shè)備的身份信息和使用情況均能有據(jù)可查，這對于同批次卡件故障排查、不同批次卡件性能對比等預(yù)維工作有著重要意義。

6.3 故障臺賬

經(jīng)過數(shù)百堆年的應(yīng)用運行經(jīng)驗，核測系統(tǒng)積累了必要的現(xiàn)場運維策略，其中最重要且有效的就是建立系統(tǒng)故障臺賬。核測系統(tǒng)關(guān)系著核電廠的安全穩(wěn)定運行，在不同工況下均有著設(shè)備故障后觸發(fā)包括停堆、時限退防的要求，這就對運維部門提出了精準(zhǔn)定位故障、最短時間處理故障的要求。故障臺賬的建立可以加快提升設(shè)備運維人員的專業(yè)能力、減少人員更替后的經(jīng)驗流失、完善和積累現(xiàn)場寶貴生產(chǎn)資料的傳承，在故障出現(xiàn)的第一時間發(fā)現(xiàn)問題、提供標(biāo)準(zhǔn)的檢修方案、減少現(xiàn)場檢修時間，高效解決現(xiàn)場隱患、保障機(jī)組安全穩(wěn)定運行。

6.4 預(yù)維策略

預(yù)防性維修項目是堆外核測系統(tǒng)商運后的必不可少的環(huán)節(jié)，項目策略需從維修項目的頻度、內(nèi)容、工作資質(zhì)、時間、執(zhí)行條件、風(fēng)險等各方面加以考慮，圍繞系統(tǒng)預(yù)維大綱的基礎(chǔ)上，結(jié)合各電廠預(yù)維經(jīng)驗和廠家建議，制定定期的維護(hù)項目。對于超出定期范圍內(nèi)的臨時預(yù)維項目或小范圍檢修項目，也需依據(jù)設(shè)備分級、設(shè)備臺賬和故障臺賬內(nèi)容，制定有效的檢修方案、安排合理的檢修時機(jī)和時間，完成臨時預(yù)維項目計劃內(nèi)容。

7 總結(jié)

某機(jī)組堆外核測系統(tǒng)調(diào)試中出現(xiàn)的3個主要問題，影響機(jī)組啟堆、臨界、零功率物理實驗、停堆等，在一定程度上延誤了機(jī)組順利并網(wǎng)發(fā)電的時間。從問題和解決措施上給出了各項分析和建議，一方面希望該內(nèi)容可作為某電廠現(xiàn)場實施的專家依據(jù)，同時作為該核電機(jī)組核測系統(tǒng)中長期設(shè)備管理和優(yōu)化方向的參考，另一方面對于其他新建機(jī)組或改造項目的設(shè)計提供必要的借鑒，設(shè)計單位在技術(shù)實現(xiàn)上做好充分的調(diào)研和安全分析，加強(qiáng)與實施單位在項目溝通、現(xiàn)場實施、后續(xù)維護(hù)上充分的交流，脫離于實際應(yīng)用的科研成果在工程轉(zhuǎn)化上會造成人力、時間、經(jīng)濟(jì)等資源的浪費，也給后續(xù)的管理和優(yōu)化增加了更大的困難。