基于NASPIC的反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)數(shù)字化旁通設(shè)計(jì)研究

姜 靜，何玉鵬，臧鍇鈺，賈小東，關(guān)朦朦，彭 浩

（中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院 核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610213）

0 引言

反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)檢測(cè)電廠異常工況并且觸發(fā)必要的安全相關(guān)功能來達(dá)到并保持電廠處于安全停堆狀態(tài)[1]。反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)執(zhí)行的核安全相關(guān)功能主要有3個(gè)：反應(yīng)堆停堆功能、專設(shè)安全設(shè)施觸發(fā)功能以及事故后監(jiān)視功能。

根據(jù)GB/T 13626《單一故障設(shè)計(jì)準(zhǔn)則應(yīng)用于核電廠安全系統(tǒng)》[2]，當(dāng)反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)發(fā)生單一設(shè)備故障時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)應(yīng)能保持設(shè)計(jì)功能。因此，反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)有必要設(shè)計(jì)旁通功能。通俗來說，旁通指在核電廠運(yùn)行、維護(hù)和試驗(yàn)期間，為了確保在反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)操作不影響電站的運(yùn)行，并能保證保護(hù)系統(tǒng)執(zhí)行安全功能的能力，而采用一系列特殊手段將系統(tǒng)某部分安全功能閉鎖或置于不工作狀態(tài)，以阻止不需要或不希望的保護(hù)動(dòng)作觸發(fā)[3]。

按照旁通的影響范圍，旁通功能分為通道旁通和參數(shù)旁通，對(duì)應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)景。旁通功能是核電廠運(yùn)維工作中頻繁使用的重要功能，其信號(hào)與接口將直接影響反應(yīng)堆執(zhí)行安全相關(guān)功能。因此，合理且可靠的旁通手段將有助于提高核電廠維護(hù)過程中的經(jīng)濟(jì)性和安全性，對(duì)核電廠的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

1 反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)的旁通設(shè)計(jì)

反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)往往設(shè)計(jì)為多個(gè)冗余的信號(hào)采集與處理保護(hù)組，以華龍一號(hào)為例，反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)分為4個(gè)保護(hù)子組和2個(gè)專用安全設(shè)施驅(qū)動(dòng)系列，每個(gè)保護(hù)組內(nèi)部又進(jìn)一步劃分為不同的多樣性子組，以提高系統(tǒng)架構(gòu)的多樣性與可靠性。4個(gè)保護(hù)組有獨(dú)立的傳感器，傳感器信號(hào)隔離分配到本保護(hù)組的兩個(gè)子組，獨(dú)立運(yùn)算處理后，產(chǎn)生局部脫扣信號(hào)，4個(gè)保護(hù)組之間局部脫扣信號(hào)相互傳遞，在每個(gè)保護(hù)組進(jìn)行“四取二”表決邏輯。

當(dāng)單個(gè)儀表信號(hào)鏈路的設(shè)備故障時(shí)，因設(shè)備更換需要，電廠運(yùn)維人員可以在機(jī)柜內(nèi)手動(dòng)切換旁通開關(guān)的檔位，觸發(fā)特定的旁通功能，將相關(guān)的控制功能退出運(yùn)行以避免誤動(dòng)作。

在信號(hào)處理鏈路層面，由于當(dāng)本保護(hù)組的撥動(dòng)開關(guān)切換位置后，產(chǎn)生旁通信號(hào)并以硬接線的方式傳輸?shù)絻蓚€(gè)子組的開關(guān)量輸入（Digital Input，DI）模塊采集，傳輸?shù)酵６烟幚砥?，將?duì)應(yīng)的儀表信號(hào)質(zhì)量位置于“壞”，四取二符合邏輯自動(dòng)剔除該信號(hào)。按預(yù)期設(shè)計(jì)退化，停堆邏輯由四取二降級(jí)為三取二（或三取一）。此外，該開關(guān)量信號(hào)還會(huì)傳輸?shù)街付ǖ拿姘逦恢?，表征旁通信?hào)已觸發(fā)。

旁通觸發(fā)后，雖然本保護(hù)組的儀表通道不參與符合邏輯，但其他保護(hù)組的輸入信號(hào)依然有效，滿足降級(jí)后的符合條件時(shí)，仍可觸發(fā)預(yù)定的安全功能，不影響系統(tǒng)整體的可用性。

2 硬旁通面板設(shè)計(jì)

以漳州核電為例，每個(gè)保護(hù)組均設(shè)置一個(gè)通道旁通鑰匙開關(guān)，用于旁通本保護(hù)組。本保護(hù)組的兩個(gè)子組使用帶兩副觸點(diǎn)的通道旁通開關(guān)（一個(gè)開關(guān)、兩對(duì)觸點(diǎn)）進(jìn)行操作，兩個(gè)子組的旁通信號(hào)處理邏輯相同[4]。除鑰匙開關(guān)外，旁通面板還設(shè)計(jì)有指示燈，用于指示本保護(hù)組兩個(gè)子組和其他保護(hù)組的旁通狀態(tài)。

參數(shù)旁通功能主要應(yīng)用于單個(gè)保護(hù)參數(shù)儀表在線維修（手動(dòng)參數(shù)旁通）及傳感器信號(hào)無效（自動(dòng)參數(shù)旁通）。所有參與保護(hù)或?qū)ＴO(shè)安全設(shè)施的模擬量采集信號(hào)都需要設(shè)置參數(shù)旁通按鈕[5]。參數(shù)旁通實(shí)現(xiàn)方式也采用撥動(dòng)開關(guān)和指示燈的方式實(shí)現(xiàn)。每個(gè)參數(shù)在保護(hù)組配置有1個(gè)撥動(dòng)開關(guān)，用于發(fā)出旁通指令，同時(shí)送往本保護(hù)組的兩個(gè)子組，將各處理器相關(guān)的信號(hào)質(zhì)量位置于壞點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的符合邏輯退化，再發(fā)出開關(guān)量輸出信號(hào)用于驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)的指示燈，用于指示旁通已成功觸發(fā)。

每個(gè)保護(hù)組配置1塊參數(shù)旁通面板，2塊通道旁通面板。參數(shù)旁通面板如圖1所示。

圖1 參數(shù)旁通面板示意圖Fig.1 Schematic of parameter bypass board

對(duì)于漳州、海南等華龍一號(hào)機(jī)組，目前普遍采用硬旁通面板的設(shè)計(jì)，雖然硬旁通面板設(shè)計(jì)較為成熟，應(yīng)用項(xiàng)目多，可靠性較高。但根據(jù)用戶實(shí)際體驗(yàn)反饋，由于硬接線的方式占據(jù)空間較大，存在維護(hù)不便的問題。此外，在核電廠長(zhǎng)期的運(yùn)行維護(hù)周期內(nèi)，因定期試驗(yàn)或儀表檢驗(yàn)等工作，頻繁使用撥動(dòng)開關(guān)，存在長(zhǎng)期使用過程中觸點(diǎn)磨損導(dǎo)致接觸不良的可能。因此，有必要開展設(shè)計(jì)優(yōu)化研究工作，以提高設(shè)備的可維護(hù)性。

3 數(shù)字化旁通設(shè)計(jì)

安全顯示單元（Safety Video Display Unit，SVDU）是核電廠安全級(jí)DCS平臺(tái)的一個(gè)組成部分，主要作用為顯示及存儲(chǔ)[6]。龍鱗平臺(tái)SVDU具有采用安裝和維護(hù)方便的一體機(jī)設(shè)計(jì)，使用實(shí)體按鍵和觸摸屏兩種人機(jī)輸入設(shè)備（可以有效地防止觸摸屏不靈敏或?qū)嶓w按鍵失效導(dǎo)致的設(shè)備不可用）[7]。SVDU示意圖如圖2所示，主要由電阻觸摸屏、顯示屏、圖像處理模塊、接口模塊、實(shí)體按鍵、電源接口等組成。SVDU既支持在盤臺(tái)安裝，也支持在標(biāo)準(zhǔn)19英寸機(jī)柜內(nèi)安裝，安裝方式可兼容旁通面板。

圖2 SVDU示意圖Fig.2 Schematic of SVDU

SVDU畫面顯示區(qū)可根據(jù)上游需求定制化設(shè)計(jì)，NASPIC平臺(tái)已開發(fā)功能豐富的操作與顯示控件，滿足不同功能場(chǎng)景下的使用要求，同時(shí)滿足人因工程要求。針對(duì)個(gè)性化需求，還可開展定制化開發(fā)以滿足應(yīng)用需求。

SVDU可通過自定義安全通信協(xié)議與NASPIC平臺(tái)的傳輸站進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，進(jìn)而可將信號(hào)鏈路擴(kuò)散至整個(gè)平臺(tái)控制站，SVDU典型的通信架構(gòu)如圖3所示。

圖3 SVDU典型通信架構(gòu)Fig.3 Typical communication schematic of SVDU

SVDU往往布置在主控室，以支持定期試驗(yàn)、單設(shè)備操作、事故后監(jiān)視等需求場(chǎng)景。由于SVDU已通過安全級(jí)自有協(xié)議與控制站通信，因而可以在SVDU集成通道旁通、參數(shù)旁通等按鈕，以替代硬旁通面板的撥動(dòng)開關(guān)，同時(shí)設(shè)計(jì)畫面顯示，表示旁通的狀態(tài)，以替代旁通面板的指示燈。

數(shù)字化旁通信號(hào)流向可設(shè)計(jì)為：點(diǎn)擊SVDU屏幕觸發(fā)旁通指令后，旁通信號(hào)經(jīng)安全級(jí)通信網(wǎng)絡(luò)傳輸至數(shù)據(jù)傳輸站，再透?jìng)鞯綄?duì)應(yīng)的控制站，將相關(guān)信號(hào)的質(zhì)量位置于壞，四取二邏輯隨之發(fā)生退化，退化模式可與硬旁通方式一致，質(zhì)量位為壞時(shí)，返回一個(gè)旁通功能已觸發(fā)的反饋信號(hào)，點(diǎn)亮SVDU對(duì)應(yīng)的畫面，以提示操作人員旁通操作已正常下發(fā)。

對(duì)于目前撥動(dòng)開關(guān)的防誤旁通手段，可以在控制屏畫面組態(tài)增加二次確認(rèn)的窗口，避免人員誤操作導(dǎo)致信號(hào)通道不可用。

4 兩種旁通方式的對(duì)比

為了客觀、全面、詳細(xì)地評(píng)估數(shù)字化旁通手段替代硬接線旁通手段的可行性，兩種旁通方式的對(duì)比如下：

1）安全等級(jí)

SVDU和旁通面板均為NASPIC平臺(tái)已獲得監(jiān)管認(rèn)可的核安全級(jí)產(chǎn)品，完整經(jīng)歷鑒定試驗(yàn)考察，并在多個(gè)安全級(jí)DCS工程供貨項(xiàng)目驗(yàn)證，二者安全等級(jí)、質(zhì)保等級(jí)相同，采用數(shù)字化旁通方案，不會(huì)降低設(shè)備的安全等級(jí)。

2）系統(tǒng)復(fù)雜度

單個(gè)保護(hù)組存在約30個(gè)參數(shù)旁通開關(guān)，旁通觸發(fā)、指示燈驅(qū)動(dòng)等開關(guān)量信號(hào)都需設(shè)計(jì)單獨(dú)的硬接線傳輸信號(hào)。按單臺(tái)機(jī)組估算，硬旁通面板占據(jù)400余個(gè)開關(guān)量的輸入/輸出信號(hào)通道。

按照華龍一號(hào)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，主控室已配置SVDU，因此數(shù)字化旁通設(shè)計(jì)無需增加設(shè)備，僅需調(diào)整現(xiàn)有的功能劃分與二次集成，增加少量的通信負(fù)荷，可節(jié)約數(shù)百個(gè)開關(guān)量輸入/輸出信號(hào)通道，系統(tǒng)架構(gòu)更為簡(jiǎn)潔。

3）可維修性

硬旁通面板設(shè)計(jì)時(shí)，為防止誤操作，撥動(dòng)式開關(guān)帶有位置自鎖，改變位置狀態(tài)時(shí)需要先向外拔起再進(jìn)行置位操作，否則在原位撥動(dòng)很容易發(fā)生撥桿斷裂。當(dāng)人員忽略操作細(xì)節(jié)直接切換或衣服刮蹭等無意操作時(shí)，都將導(dǎo)致開關(guān)損壞。當(dāng)維護(hù)單個(gè)旁通開關(guān)時(shí)，繁雜密集的接線限制了人員操作空間，幾乎無法獨(dú)立維修，而且為避免誤碰導(dǎo)致其他信號(hào)受到影響，需要將旁通面板的所有接線全部解列，將面板整體拆下以更換撥動(dòng)開關(guān)。由于旁通面板涉及該通道安全級(jí)DCS所有的模擬量輸入信號(hào)，因而維護(hù)工作的影響范圍從單個(gè)信號(hào)擴(kuò)大為整個(gè)通道。由于維護(hù)影響范圍廣，工作量大，耗時(shí)較長(zhǎng)，對(duì)核電機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性造成一定影響。SVDU為一體機(jī)設(shè)計(jì)，可整機(jī)進(jìn)行替換，降低了維護(hù)的工作量，縮短了維護(hù)時(shí)間，可顯著提高設(shè)備的可維護(hù)性。

按照旁通典型設(shè)計(jì)，通道旁通面板尺寸為482.6mm×44.45mm，參數(shù)旁通面板尺寸為482.6mm×176.4mm，占據(jù)機(jī)柜1/4的安裝空間，取消旁通面板后，可提高整柜的可維護(hù)性。

4）設(shè)計(jì)與制造便捷性

為確保旁通面板外觀的一致性與美觀性，在機(jī)械加工時(shí)在固定的位置打孔以安裝撥動(dòng)開關(guān)，同時(shí)以絲印的方式標(biāo)注信號(hào)名稱，文字內(nèi)容一旦絲印噴涂即無法修改，不便于后續(xù)可能存在的增減信號(hào)、名稱修改等設(shè)計(jì)變更實(shí)施。采用數(shù)字化旁通手段后，當(dāng)設(shè)備設(shè)計(jì)出現(xiàn)變更時(shí)，如增加或減少旁通信號(hào)、修改信號(hào)點(diǎn)名等變更修改，可直接在軟件組態(tài)中修改，更為快速便捷。

從占據(jù)安裝空間、占據(jù)信號(hào)通道、通信負(fù)荷變化、接線數(shù)量、制造與設(shè)計(jì)便捷度、可維護(hù)性、設(shè)備集成度等7個(gè)維度，對(duì)比兩種旁通方式的特點(diǎn)，總結(jié)見表1。

表1 旁通手段對(duì)比Table 1 Comparison of bypass methods

5 結(jié)束語

雖然旁通功能并不直接執(zhí)行核安全相關(guān)功能，但旁通功能觸發(fā)會(huì)導(dǎo)致停堆功能邏輯退化。除此之外，XQ旁通功能是核電廠日常故障處理、定期試驗(yàn)等工作必需的支持手段，因此旁通功能的設(shè)計(jì)便捷程度，將影響電站的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

本文提出一種基于NASPIC平臺(tái)的數(shù)字化旁通的手段，將功能集成到已布置在主控室的SVDU，采用安全級(jí)網(wǎng)絡(luò)通信替代硬旁通手段。數(shù)字化旁通節(jié)約了機(jī)柜內(nèi)安裝空間，系統(tǒng)架構(gòu)更為簡(jiǎn)潔，提高了系統(tǒng)產(chǎn)品的簡(jiǎn)潔和美觀程度。相比于原來的硬接線傳輸方式，數(shù)字化替代后，安全級(jí)網(wǎng)絡(luò)傳輸信號(hào)更為穩(wěn)定可靠，提高了設(shè)備的可維護(hù)性?？傮w來看，數(shù)字化旁通手段提高了設(shè)備集成度，大幅簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)、維護(hù)的復(fù)雜程度，具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值，對(duì)于后續(xù)華龍一號(hào)核電機(jī)組的批量建設(shè)具有一定的借鑒意義。