中科華核電技術(shù)研究院  羅傳杰

    大亞灣核電運(yùn)營(yíng)管理有限公司 文 華

    北京廣利核系統(tǒng)工程有限公司 左 新
                       
    羅傳杰（1972-）男，湖南人，高級(jí)工程師，研究生，畢業(yè)于武漢水利電力大學(xué)自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)就職于中科華核電技術(shù)研究院，主要研究方向?yàn)楹穗娬緝x控領(lǐng)域的工程改造以及產(chǎn)品研發(fā)。

    摘要：保護(hù)系統(tǒng)是核電站最重要的安全系統(tǒng)之一。為了保證系統(tǒng)的可用性，根據(jù)核安全法規(guī)的要求，必須對(duì)系統(tǒng)的功能進(jìn)行定期試驗(yàn)以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部潛在的故障。大亞灣核電站的試驗(yàn)臺(tái)由于老化，可靠性降低，影響了核電站的安全。遵循相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，充分考慮現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用需求、技術(shù)可靠性等因素，研制了新型的試驗(yàn)臺(tái)。大亞灣核電站一年多的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行表明，新研制的試驗(yàn)臺(tái)完全達(dá)到了預(yù)定的設(shè)計(jì)要求。

    關(guān)鍵詞：核電站；保護(hù)系統(tǒng)；試驗(yàn)臺(tái)；研制

    Abstract: Protection system is one of the most important systems in nuclear power station. According to the requirement of nuclear regulation, and in order to ensure the system availability, periodic test must be done to test system function to find potential fault. The reliability of tester in Daya Bay nuclear power station decreased because of aging, which affects nuclear safety. A new tester was developed by considering the related design standards, requirement from site operation and technique reliability. The more than one year operation in Daya Bay nuclear power station demonstrated that this new tester meets the expected requirement.

    Key words: Nuclear power station; Protection system; Tester; Development

    1前言

    根據(jù)核安全法規(guī)的要求，核電站的保護(hù)系統(tǒng)必須執(zhí)行定期試驗(yàn)，以確保保護(hù)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可用性。如果試驗(yàn)臺(tái)故障，無(wú)法進(jìn)行有關(guān)試驗(yàn)，核電站將被迫停堆，因此試驗(yàn)臺(tái)是核電站安全運(yùn)行必須的設(shè)備。

    國(guó)內(nèi)包括大亞灣核電站在內(nèi)的百萬(wàn)千瓦大型核電機(jī)組的保護(hù)測(cè)量系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)（T1試驗(yàn)臺(tái)）均由國(guó)外核島設(shè)備供應(yīng)商設(shè)計(jì)和供貨。長(zhǎng)期以來(lái)，技術(shù)由國(guó)外公司壟斷。由于國(guó)內(nèi)廠(chǎng)家不掌握核心技術(shù)，無(wú)法對(duì)原系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)和更新。經(jīng)過(guò)十多年的運(yùn)行，大亞灣核電站的T1試驗(yàn)臺(tái)已經(jīng)老化，經(jīng)常出現(xiàn)問(wèn)題，嚴(yán)重影響了機(jī)組的安全運(yùn)行，因此大亞灣核電站決定對(duì)其進(jìn)行升級(jí)改造。為了打破國(guó)外的技術(shù)壟斷，大亞灣核電站與北京廣利核公司聯(lián)合研制了新的試驗(yàn)臺(tái)，以滿(mǎn)足核電站安全和運(yùn)行的要求。

    2 T1試驗(yàn)臺(tái)的工作原理

    百萬(wàn)千瓦壓水堆核電機(jī)組保護(hù)測(cè)量系統(tǒng)（KRG系統(tǒng)）是核電站儀控系統(tǒng)的重要組成部分，對(duì)于核電站的安全運(yùn)行起著重要的作用。KRG系統(tǒng)接收來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程測(cè)量?jī)x表的模擬信號(hào)（包括4~20mA信號(hào)、熱電阻信號(hào)、熱電偶信號(hào)、頻率信號(hào)等），同時(shí)給現(xiàn)場(chǎng)二線(xiàn)制變送器配電，然后系統(tǒng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求對(duì)現(xiàn)場(chǎng)模擬信號(hào)進(jìn)行處理，再送到相關(guān)系統(tǒng)和設(shè)備進(jìn)行顯示、記錄、處理。根據(jù)安全和功能要求，KRG系統(tǒng)分為保護(hù)測(cè)量機(jī)柜（1E級(jí)，又稱(chēng)為SIP系統(tǒng)）和控制測(cè)量機(jī)柜（非核級(jí)）。KRG系統(tǒng)的總結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖1。
          
                     
                                         圖1  KRG系統(tǒng)總結(jié)構(gòu)圖

    SIP系統(tǒng)保護(hù)測(cè)量通道完成安全信號(hào)的處理，因此該系統(tǒng)的工作正常與否直接影響到核電站的安全，這就要求SIP系統(tǒng)保護(hù)測(cè)量通道在核電站運(yùn)行期間，要絕對(duì)可靠地工作，所以根據(jù)核安全法規(guī)和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求，必須有手段在核電站運(yùn)行期間對(duì)保護(hù)測(cè)量機(jī)柜內(nèi)的組件進(jìn)行定期試驗(yàn)，此類(lèi)定期試驗(yàn)稱(chēng)為“T1試驗(yàn)”。

    試驗(yàn)可在停堆和功率運(yùn)行工況下進(jìn)行。如果因故無(wú)法進(jìn)行試驗(yàn)，反應(yīng)堆必須停堆檢修。保護(hù)測(cè)量通道的典型回路圖見(jiàn)圖2。
               
                   
                                  圖2   保護(hù)測(cè)量通道典型回路圖

    SIP系統(tǒng)使用BAILEY公司的FE9H12組件作為T(mén)1試驗(yàn)的信號(hào)接口卡，與保護(hù)測(cè)量回路的BAILEY 9020組件安裝在一起。保護(hù)系統(tǒng)正常工作時(shí)，F(xiàn)E9H12組件中的信號(hào)繼電器（CC）將現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)接至保護(hù)測(cè)量回路；FE9H12組件中的輸出繼電器（XX）將保護(hù)測(cè)量回路的報(bào)警組件輸出接至保護(hù)系統(tǒng)，從而完成保護(hù)測(cè)量回路的正常功能。

    當(dāng)保護(hù)測(cè)量回路需要進(jìn)行T1試驗(yàn)檢測(cè)時(shí)，將電纜插頭插入需要測(cè)試的回路端口上，這時(shí)FE9H12組件接收來(lái)自T1試驗(yàn)臺(tái)的啟動(dòng)信號(hào)。首先是FE9H12組件中的XX繼電器動(dòng)作，將原來(lái)接至保護(hù)系統(tǒng)的報(bào)警組件輸出轉(zhuǎn)接至試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行監(jiān)視；一定延時(shí)后FE9H12組件中的CC繼電器動(dòng)作，送入保護(hù)回路的輸入信號(hào)從原來(lái)的現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)接至T1試驗(yàn)臺(tái)送出的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試信號(hào)。T1試驗(yàn)臺(tái)根據(jù)預(yù)先編制的測(cè)試程序，對(duì)保護(hù)測(cè)量回路中的信號(hào)轉(zhuǎn)換組件、運(yùn)算組件、報(bào)警組件等進(jìn)行測(cè)試。當(dāng)試驗(yàn)完成后，F(xiàn)E9H12組件中的CC、XX繼電器恢復(fù)順序與啟動(dòng)順序相反。送入保護(hù)回路的輸入信號(hào)又重新接至原來(lái)的現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)。T1試驗(yàn)完成。

    3 T1試驗(yàn)臺(tái)技術(shù)方案及參數(shù)

    3.1 系統(tǒng)方案

    雖然T1試驗(yàn)臺(tái)的實(shí)驗(yàn)對(duì)象SIP系統(tǒng)執(zhí)行安全功能，屬于安全相關(guān)系統(tǒng)，但T1試驗(yàn)臺(tái)本身并不執(zhí)行安全功能，不屬于核級(jí)設(shè)備，不需要按照核級(jí)設(shè)備的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則進(jìn)行設(shè)計(jì)。因此在T1試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)中需要考慮的重點(diǎn)是防止試驗(yàn)臺(tái)內(nèi)部的故障（如短路，過(guò)電壓等）影響SIP保護(hù)通道，具體的措施包括采取可靠的設(shè)計(jì)進(jìn)行電源和輸入輸出信號(hào)的隔離。

    新研制的T1試驗(yàn)臺(tái)的核心部分是配有兩塊NI公司的M系列數(shù)據(jù)采集卡的高性能GE工控機(jī)和信號(hào)調(diào)理板。工控機(jī)上運(yùn)行由LABVIEW 專(zhuān)家版生成的T1試驗(yàn)臺(tái)上位機(jī)監(jiān)控程序，并通過(guò)人機(jī)接口設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)T1試驗(yàn)臺(tái)的操控；NI公司的M 系列數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)模擬量信號(hào)和開(kāi)關(guān)量信號(hào)的采集和輸出功能；信號(hào)調(diào)理板和NI卡之間通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)電纜連接，信號(hào)調(diào)理板通過(guò)55芯電纜（帶航空連接器）和被測(cè)試對(duì)象（SIP機(jī)柜）連接。

    自檢、年檢航空連接器插座均和自檢、年檢接口板相連接，完成系統(tǒng)的自檢和年檢功能。

    人機(jī)接口部分包括兩個(gè)設(shè)備：一臺(tái)打印機(jī)，用于生成紙質(zhì)的測(cè)試結(jié)果，便于定期試驗(yàn)過(guò)程中的簽字確認(rèn)及存檔；一體化IO設(shè)備（鍵盤(pán)+顯示器+鼠標(biāo)），作為定期試驗(yàn)過(guò)程中的人機(jī)交互手段。
           
                 
                                    圖3  T1實(shí)驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖

    對(duì)于新研制的T1試驗(yàn)臺(tái)，還增加了以下功能：

    將T1試驗(yàn)臺(tái)送往測(cè)試回路的信號(hào)讀回到試驗(yàn)臺(tái)，以檢查I/O模塊的精確度。

    當(dāng)對(duì)某個(gè)回路進(jìn)行T1試驗(yàn)時(shí)，需把試驗(yàn)電纜插頭插入待測(cè)試回路的插座上，如果不小心把電纜錯(cuò)插到別的回路插座上，則沒(méi)法對(duì)該回路進(jìn)行測(cè)試。為了有效避免維修人員的誤操作，根據(jù)SIP機(jī)柜接線(xiàn)情況，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)此判斷功能。

    T1試驗(yàn)臺(tái)具備通道自檢和定期檢驗(yàn)功能，將55芯電纜插到相應(yīng)的自檢（定期檢驗(yàn)）航空連接器插座上，即可實(shí)現(xiàn)自檢（定期檢驗(yàn)）功能。

    自檢航空連接器插座和自檢、年檢接口板連接。自檢接口板將來(lái)自55芯電纜的輸入和輸出信號(hào)相互連接在一起（模擬量輸入對(duì)應(yīng)模擬量輸出，開(kāi)關(guān)量輸入對(duì)應(yīng)開(kāi)關(guān)量輸出）。從輸出通道注入一個(gè)信號(hào)，再?gòu)膶?duì)應(yīng)的輸入通道讀取數(shù)據(jù)，通過(guò)兩者比對(duì)，即可得到這兩個(gè)通道的狀態(tài)，完成自檢。

    試驗(yàn)臺(tái)的通道信號(hào)一共有4種類(lèi)型，開(kāi)關(guān)量輸入，開(kāi)關(guān)量輸出，模擬量輸入，模擬量輸出（均相對(duì)于試驗(yàn)臺(tái)而言）。每種信號(hào)的定期檢驗(yàn)方法如下：

    開(kāi)關(guān)量輸入：通過(guò)定期檢驗(yàn)接口板輸入0、1變位信號(hào)。

    觀(guān)察試驗(yàn)臺(tái)的測(cè)量結(jié)果，判斷通道質(zhì)量。

    開(kāi)關(guān)量輸出：通過(guò)實(shí)驗(yàn)臺(tái)輸出0、1變位信號(hào)，觀(guān)察定期檢驗(yàn)接口板的狀態(tài)指示電路，判斷通道質(zhì)量。

    模擬量輸入：通過(guò)定期檢驗(yàn)接口板的信號(hào)輸入端子，使用標(biāo)準(zhǔn)表輸入模擬量信號(hào)。觀(guān)察試驗(yàn)臺(tái)的測(cè)量結(jié)果，判斷通道質(zhì)量。

    模擬量輸出：通過(guò)實(shí)驗(yàn)臺(tái)輸出模擬量信號(hào)，使用標(biāo)準(zhǔn)表測(cè)量定期檢驗(yàn)接口板相應(yīng)的測(cè)量端子上的信號(hào)精度，判斷通道質(zhì)量。

    模擬量輸出處理及回讀（AO）：由于M 系列數(shù)據(jù)采集卡的模擬量輸出通道為電壓型輸出，而待測(cè)試通道需要4～20mA電流型或-10V~10V電壓型激勵(lì)信號(hào)，因此，進(jìn)行通道試驗(yàn)過(guò)程中，必要時(shí)需將采集卡輸出的電壓型信號(hào)轉(zhuǎn)換為T(mén)1試驗(yàn)需要的電流信號(hào)（4～20mA）。同時(shí)，提供模擬量輸出信號(hào)回讀功能，以便確認(rèn)測(cè)試信號(hào)已經(jīng)施加到待測(cè)試通道。

    開(kāi)關(guān)量輸出處理（DO）：定期試驗(yàn)需要向待測(cè)試通道發(fā)送控制指令將通道切換到試驗(yàn)狀態(tài)，這些指令是由開(kāi)關(guān)量輸出實(shí)現(xiàn)的，例如控制FE9H12的“CC”的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)換；采集卡的開(kāi)關(guān)量輸出不能直接驅(qū)動(dòng)這些設(shè)備，因此需要設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)量輸出處理電路實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)換。

    開(kāi)關(guān)量輸入處理（DI）：待測(cè)試通道的閾值繼電器在越限時(shí)會(huì)發(fā)生動(dòng)作，T1試驗(yàn)臺(tái)需要采集并記錄這些開(kāi)關(guān)量輸入動(dòng)作；待測(cè)試通道的特征信息（如機(jī)組、SIP組、系統(tǒng)和通道標(biāo)識(shí)等）作為判定試驗(yàn)電纜連接正確與否的依據(jù)，以開(kāi)關(guān)量輸入形式提供給試驗(yàn)臺(tái)，這些開(kāi)關(guān)量動(dòng)作經(jīng)過(guò)處理后發(fā)送給采集卡進(jìn)行采集。

    模擬量輸入處理（AI）：待測(cè)試通道中的模擬量信號(hào)（如中間運(yùn)算結(jié)果等），經(jīng)過(guò)模擬量輸入處理電路處理成DAQ模塊可以處理的信號(hào)后，送到工控機(jī)平臺(tái)進(jìn)行采集、顯示、記錄。
在研制過(guò)程中，先后進(jìn)行了軟件仿真測(cè)試和硬件模擬回路測(cè)試，驗(yàn)證了SIP保護(hù)通道數(shù)學(xué)模型和試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)原理的正確性。

    3.2 總體技術(shù)指標(biāo)

    新T1試驗(yàn)臺(tái)的總體技術(shù)指標(biāo)如下：

    一般工況條件下（指溫度25±10℃，相對(duì)濕度60±15%，大氣壓力96±10kPa，振動(dòng)和電磁干擾小到可忽略不計(jì)的環(huán)境條件，下同），各類(lèi)信號(hào)的誤差。

    AI：0～10V；通道數(shù)量13個(gè)；優(yōu)于模塊量程的0.1%。

    AO：-5V～5V，0～10V和0～20mA；通道數(shù)量：電壓型和電流型的信號(hào)各4個(gè)；優(yōu)于模塊量程的0.08%。

    D I ： 通道數(shù)量1 0 個(gè)； 現(xiàn)場(chǎng)接點(diǎn)的查詢(xún)電壓。18V~32VDC；

    48VDC電壓型開(kāi)關(guān)量輸入：通道數(shù)量10個(gè)；邏輯0對(duì)應(yīng)的電壓范圍：0～12V，邏輯1對(duì)應(yīng)的電壓范圍：18V～55V。

    DO：通道數(shù)量4個(gè)；每個(gè)通道的最大開(kāi)關(guān)容量（電阻性負(fù)載）為48VDC/200mA。
    
                    
                                   圖4  硬件原理框圖

    響應(yīng)時(shí)間：

    模擬量輸出響應(yīng)時(shí)間：25ms/全通道。

    模擬量輸入采集時(shí)間：25ms/全通道。

    開(kāi)關(guān)量輸入/輸出通道掃描時(shí)間：10ms/所有通道。

    鼠標(biāo)鍵盤(pán)響應(yīng)時(shí)間：不大于1秒。

    顯示終端動(dòng)態(tài)元素更新時(shí)間：不大于1秒。

    4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

    目前，新研制的T1 試驗(yàn)臺(tái)已經(jīng)在大亞灣核電站正式投入使用，取代了原試驗(yàn)臺(tái)，用于執(zhí)行現(xiàn)場(chǎng)的T1試驗(yàn)。一年多的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，新研制的試驗(yàn)臺(tái)功能完善，操作簡(jiǎn)便，質(zhì)量可靠，完全達(dá)到了預(yù)定的設(shè)計(jì)要求。

    與原試驗(yàn)臺(tái)相比，新的T1試驗(yàn)臺(tái)具有以下特點(diǎn)：

    設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了人工因素，界面友好，操作簡(jiǎn)便。

    從使用者的角度出發(fā)，從硬件和軟件上考慮了防止誤操作的各種措施和提示，最大程度上降低了人為因素導(dǎo)致保護(hù)系統(tǒng)誤動(dòng)的可能。

    數(shù)據(jù)庫(kù)功能強(qiáng)大，可以在此基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，如數(shù)據(jù)處理，趨勢(shì)分析，故障診斷等。

    5 結(jié)束語(yǔ)

    百萬(wàn)千瓦壓水堆核電機(jī)組保護(hù)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)(T1試驗(yàn)臺(tái))的自主研制，標(biāo)志著國(guó)內(nèi)已經(jīng)掌握相關(guān)設(shè)備的核心設(shè)計(jì)技術(shù)，打破了國(guó)外廠(chǎng)家在這一技術(shù)上的壟斷，是核電設(shè)備國(guó)產(chǎn)化的成功嘗試。該技術(shù)可以應(yīng)用于其它同系列百萬(wàn)千瓦核電機(jī)組保護(hù)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)制造。這一國(guó)產(chǎn)化項(xiàng)目的成功，不僅為核電站節(jié)省了數(shù)百萬(wàn)元的成本，而且提升了企業(yè)的技術(shù)水平與核心競(jìng)爭(zhēng)力，具有極大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

    其他作者：文華（1973-），男，山西人，工程師，本科，畢業(yè)于清華大學(xué)物理系，現(xiàn)就職于大亞灣核電運(yùn)營(yíng)管理有限公司，主要研究方向?yàn)楹穗娬緝x控領(lǐng)域的工程改造。

    左新（1976-），男，河北人，工程師，本科，現(xiàn)就職于北京廣利核系統(tǒng)工程有限公司，主要研究方向?yàn)楹穗娬緝x控系統(tǒng)的研發(fā)。

    參考文獻(xiàn)：

    [1] 陳濟(jì)東. 大亞灣核電站系統(tǒng)及運(yùn)行[M]. 北京: 原子能出版社, 1994.

    [2] GB/T 5204-2008, 核電廠(chǎng)安全系統(tǒng)定期試驗(yàn)與監(jiān)測(cè)[S].

    [3] GB/T13284.1-2008, 核電廠(chǎng)安全系統(tǒng)第1部分: 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則[S].

     摘自《自動(dòng)化博覽》2010年第九期