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★北京廣利核系統(tǒng)工程有限公司李明鋼

關(guān)鍵詞：ATWT；模擬系統(tǒng)；數(shù)字化改造；失電

1　引言

ATWT（Anticipated Transients Without Trip，未停堆的預(yù)期瞬態(tài)緩解系統(tǒng)）系統(tǒng)在二代壓水堆核電站中，是作為應(yīng)對(duì)因給水泵故障或給水調(diào)節(jié)閥故障引起的正常給水喪失，造成二回路吸收一回路熱量的能力下降而引起一回路溫度和壓力上升，進(jìn)而可能導(dǎo)致蒸汽發(fā)生器燒干的工況保護(hù)核電廠安全的重要系統(tǒng)。為了限制這些后果，當(dāng)核功率大于30%且主給水流量小于6%時(shí)，且保護(hù)系統(tǒng)未能執(zhí)行保護(hù)動(dòng)作的工況下，通過(guò)ATWT系統(tǒng)觸發(fā)緊急停堆、汽機(jī)脫扣、啟動(dòng)輔助給水、閉鎖汽機(jī)旁路系統(tǒng)（GCT）第三組排放閥等保護(hù)動(dòng)作^[1]。

大亞灣核電廠原ATWT系統(tǒng)是基于模擬技術(shù)Bailey9020完成的設(shè)計(jì)，始終存在LCC/LNE失電造成ATWT不可用，以及LND失電造成的ATWT誤觸發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)，一旦發(fā)生失電情況便會(huì)對(duì)核電廠的安全性和經(jīng)濟(jì)性造成嚴(yán)重影響。原大亞灣ATWT系統(tǒng)已運(yùn)行近30年，各類(lèi)模塊陸續(xù)超過(guò)老化處理期限，當(dāng)前庫(kù)存?zhèn)浼?shù)量已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足機(jī)組老化替代需求，Bailey模塊也早已停產(chǎn)使得備件也已無(wú)法進(jìn)行采購(gòu)，而且很多模塊無(wú)法找到替代產(chǎn)品，亟需執(zhí)行數(shù)字化改造，因此也需要在進(jìn)行改造時(shí)解決ATWT失電造成不可用以及誤觸發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)。

2　原ATWT系統(tǒng)失電風(fēng)險(xiǎn)分析

基于Bailey9020模擬系統(tǒng)的原ATWT儀控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖1所示，均采用各個(gè)分立的模擬卡件執(zhí)行單一算法功能。在第4保護(hù)通道（SIP-IV）安全級(jí)機(jī)柜KRG043AR中，三個(gè)環(huán)路對(duì)應(yīng)的主給水流量信號(hào)ARE049MD/050MD/051MD首先通過(guò)隔離分配（IS）給本機(jī)柜內(nèi)ATWT專(zhuān)用機(jī)架，通過(guò)機(jī)架上的模擬量運(yùn)算模塊進(jìn)行濾波FI（一階滯后）和閾值（XU）處理，當(dāng)主給水流量小于6%時(shí)觸發(fā)三個(gè)開(kāi)關(guān)量信號(hào)傳遞給ATWT邏輯處理柜（RPA700/710/720/730AR）通過(guò)繼電器邏輯執(zhí)行2/3表決邏輯運(yùn)算，然后與RPN系統(tǒng)處理的核功率信號(hào)RPN013MA/014MA（核功率大于30%）執(zhí)行“&”邏輯后驅(qū)動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)相關(guān)安全功能設(shè)備。

圖1 ATWT原設(shè)計(jì)方案及改造范圍

原ATWT設(shè)計(jì)方案主給水流量測(cè)量信號(hào)（ARE049/050/051MD）均由SIP-IV采集處理，因此如果220V不間斷電源系統(tǒng)（LND）供電喪失，或者電源故障將導(dǎo)致三個(gè)主給水流量測(cè)量信號(hào)同時(shí)喪失，2/3表決便會(huì)直接觸發(fā)而造成ATWT功能誤驅(qū)動(dòng)。另外，ATWT機(jī)架僅由220V交流不間斷電源系統(tǒng)（LNE）供電，因此一旦LNE供電喪失，ATWT機(jī)架上的所有模擬處理模塊將失電，模塊算法處理功能喪失，進(jìn)而導(dǎo)致ATWT功能不可用；而ATWT邏輯處理柜（RPA700/710/720/730AR）僅由48V直流供電系統(tǒng)（LCC）供電，如果LCC供電喪失，柜內(nèi)所有繼電器將失電，則會(huì)閉鎖ATWT驅(qū)動(dòng)指令的輸出而導(dǎo)致ATWT功能喪失。

3　ATWT系統(tǒng)改造失電風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)方案

原模擬技術(shù)ATWT系統(tǒng)均為分立地執(zhí)行各類(lèi)運(yùn)算的模擬模塊組合而成，而采用數(shù)字化技術(shù)改造則可將所有運(yùn)算功能集成到一個(gè)控制器內(nèi)實(shí)現(xiàn)，如圖2所示。ATWT系統(tǒng)從SIP-IV采集的主給水流量信號(hào)，由KRG043AR中的隔離（IS）模塊送出，通過(guò)ATWT系統(tǒng)側(cè)的“一分四”隔離分配模塊（IM）硬接線傳送給ATWT控制站模擬量輸入模塊（AI）采集，從RPN005AR機(jī)柜采集的核功率高開(kāi)關(guān)量信號(hào)通過(guò)多觸點(diǎn)繼電器（RLY）分配給ATWT控制站開(kāi)關(guān)量輸入模塊（DI）采集，然后在ATWT控制站內(nèi)實(shí)現(xiàn)所有模擬量運(yùn)算及邏輯運(yùn)算功能，再通過(guò)DO模塊輸出驅(qū)動(dòng)指令。為此供電設(shè)計(jì)需要進(jìn)行較大調(diào)整，且可靠性更需加強(qiáng)設(shè)計(jì)。

圖2 ATWT改造儀控系統(tǒng)架構(gòu)圖

3.1　LCC/LNE失電造成ATWT不可用風(fēng)險(xiǎn)對(duì)策

為了應(yīng)對(duì)原設(shè)計(jì)LCC/LNE喪失造成的ATWT不可用，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘察確認(rèn)可增加一路LMA與LNE構(gòu)成冗余220V交流電源接入數(shù)字化改造后的ATWT機(jī)柜，并通過(guò)分別配置直流電源模塊AC/DC進(jìn)行二極管解耦后，同時(shí)為ATWT系統(tǒng)進(jìn)行供電，由此LNE或LMA任何一路電源失電都不會(huì)直接影響ATWT功能。另外，通過(guò)設(shè)置機(jī)柜狀態(tài)監(jiān)視模塊可對(duì)220VAC電源進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視，若發(fā)生故障也可向主控室傳輸報(bào)警且就地門(mén)指示燈亮，以便及時(shí)進(jìn)行維修從而保證供電持續(xù)可靠。

3.2　LND失電ATWT誤觸發(fā)風(fēng)險(xiǎn)對(duì)策

在原模擬技術(shù)ATWT系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，三個(gè)ARE給水流量信號(hào)均來(lái)自SIV-IV機(jī)柜（KRG043AR），并通過(guò)LND供電，因此LND失電將觸發(fā)全部ARE給水流量低信號(hào)，進(jìn)而引發(fā)ATWT誤驅(qū)動(dòng)。為了解決該問(wèn)題，通常設(shè)計(jì)會(huì)考慮增加LND失電監(jiān)測(cè)裝置，當(dāng)監(jiān)測(cè)到LND失電后閉鎖ATWT輸出，但如果LND失電監(jiān)測(cè)誤觸發(fā)，則會(huì)導(dǎo)致ATWT喪失執(zhí)行安全功能能力，將引入更大的風(fēng)險(xiǎn)^[2][3]。而且，當(dāng)前改造無(wú)法實(shí)現(xiàn)將三個(gè)流量信號(hào)分別采用不同的電源供電。

考慮進(jìn)行數(shù)字化改造后，可通過(guò)信號(hào)質(zhì)量位間接判斷失電情況，因?yàn)槿齻€(gè)ARE流量信號(hào)是執(zhí)行“三取二表決邏輯”后執(zhí)行ATWT驅(qū)動(dòng)，所以可以通過(guò)判斷兩個(gè)流量信號(hào)的質(zhì)量位同時(shí)變?yōu)椤癰ad”，覆蓋LND失電情況，并通過(guò)表決邏輯退化而防止誤觸發(fā)，邏輯退化規(guī)則如表1所示。

表1 ARE流量2/3表決邏輯降級(jí)規(guī)則

為了驗(yàn)證上述方案的可行性，模擬LND失電情況進(jìn)行了驗(yàn)證。使用勁儀信號(hào)發(fā)生器同時(shí)連接ARE049/050/051MD，注入標(biāo)準(zhǔn)20mA信號(hào)，通過(guò)維護(hù)工具監(jiān)視ARE049/050/051MD顯示值為15%NF（主給水低流量閾值為6%）。首先，拔掉勁儀信號(hào)注入線，ARE049MD/050/051MD無(wú)信號(hào)輸入，板卡自診斷觸發(fā)給水流量質(zhì)量位壞，質(zhì)量位信號(hào)“1”參與可降級(jí)三取二表決邏輯，表決邏輯降級(jí)為不驅(qū)動(dòng)，ATWT信號(hào)未觸發(fā)，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。然后，恢復(fù)接線，信號(hào)質(zhì)量位即可恢復(fù)為正常，而信號(hào)實(shí)時(shí)值需要經(jīng)過(guò)2s“一階滯后”環(huán)節(jié)，所以其增加到6%NF低閾值以上需要一定時(shí)間。主給水流量變化曲線如圖3所示。約1.08s左右，給水流量實(shí)測(cè)值會(huì)上升到“低動(dòng)作閾值”以上。但在到達(dá)該閾值之前，因主給水流量質(zhì)量位均已恢復(fù)為正常，2/3表決邏輯為正常處理，因此三個(gè)主給水流量同時(shí)低于閾值，便觸發(fā)了ATWT信號(hào)，不滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

圖3 主給水流量響應(yīng)曲線圖

因正常情況下，ARE流量信號(hào)經(jīng)“一階滯后”環(huán)節(jié)（設(shè)定值為2s）處理后，再進(jìn)行閾值判斷，因此即使上游失電發(fā)生流量低的誤觸發(fā)信號(hào)也會(huì)延時(shí)2s后才會(huì)驅(qū)動(dòng)，而質(zhì)量位處理最慢可在三個(gè)運(yùn)算周期內(nèi)（60ms）處理完成，因此質(zhì)量位的處理速度遠(yuǎn)快于ARE流量低的觸發(fā)邏輯，可率先使表決邏輯退化為不驅(qū)動(dòng)狀態(tài)。在除考慮LND失電誤觸發(fā)外，還需考慮失電恢復(fù)時(shí)都不應(yīng)造成誤觸發(fā)，通過(guò)圖4的驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)序分析可知，還是因“一階滯后”環(huán)節(jié)，在LND恢復(fù)后會(huì)造成ATWT誤動(dòng)，因此需要在質(zhì)量位信號(hào)后增加超過(guò)2s的“掉電延時(shí)”，為此在質(zhì)量位判斷后增加了3s的“后延時(shí)”處理功能，邏輯設(shè)計(jì)原理如圖5所示。再次進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，LND失電和供電恢復(fù)均可達(dá)到預(yù)期的效果，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

圖4 LND失電ATWT觸發(fā)時(shí)序圖

圖5 ATWT應(yīng)對(duì)LND失電表決邏輯圖

4　結(jié)論

通過(guò)對(duì)原模擬系統(tǒng)的ATWT執(zhí)行數(shù)字化改造，增加LMA與LNE構(gòu)成220VAC冗余供電設(shè)計(jì)，并分別配置AC/DC直流電源模塊，解耦后為ATWT系統(tǒng)供電，有效解決了原ATWT系統(tǒng)單一電源失效造成ATWT功能不可用的問(wèn)題；通過(guò)數(shù)字化系統(tǒng)控制器內(nèi)進(jìn)行信號(hào)質(zhì)量位判斷結(jié)合三取二表決邏輯退化設(shè)計(jì)，并配合適當(dāng)?shù)难訒r(shí)功能設(shè)計(jì)，有效消除了因LND失電造成ATWT誤動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)前大亞灣ATWT系統(tǒng)已按本文設(shè)計(jì)方案完成改造，通過(guò)了現(xiàn)場(chǎng)再鑒定，投運(yùn)后運(yùn)行良好。

作者簡(jiǎn)介：

李明鋼（1977-），男，漢族，河南平頂山人，高級(jí)工程師，學(xué)士，現(xiàn)任北京廣利核系統(tǒng)工程有限公司副總經(jīng)理，主要從事核電儀控系統(tǒng)設(shè)計(jì)制造生產(chǎn)管理相關(guān)工作。

參考文獻(xiàn)：

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[2] 郭城. 大亞灣及嶺澳核電站ATWT保護(hù)失電風(fēng)險(xiǎn)[J]. 核動(dòng)力工程, 2010, 34 (4) : 61 - 65．

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摘自《自動(dòng)化博覽》2023年8月刊