RPN核测仪表系统

琚文俊　刘江川

（中核核电运行管理有限公司，浙江 海盐 314300）

【摘　要】方家山扩建项目使用的RPN核仪表系统是核电站重要的安全系统，其功能相应于30万机组的堆外核测系统。本文第一节简介了RPN系统的功能，从第二节开始从流程、设备布置、逻辑信号和事故后监测等方面把方家山核仪表系统和秦山一期30万机组或秦山二期机组相应系统进行比较，着重描述RPN系统和其他电站之间差异，并根据的运行经验和对相关系统的理解，对部分流程和逻辑信号功能的差异和改进进行了分析。

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关键词 RPN；逻辑信号；差异；LSS；梯形图

0　引言

RPN核仪表系统是核电站重要的安全系统，它使用了源量程、中间量程及功率量程三种通道来完成反应堆从启动到满功率运行、其核功率动态范围达10个数量级以上的监测任务。方家山核仪表系统的设计参考岭澳一期相应系统，两者用于控制和保护的输出信号有许多相同之处。但由于电厂改进和数字化控制的要求，方家山RPN在信号传输和处理流程上和秦山一期堆外核测系统、秦山二期核仪表系统均有较大的差异。方家山RPN系统还设置了功能强大的LOCA后事故监测分系统（以下简称LSS系统），由LSS系统向操作员提供与中子注量率分布有关的信息，计算LOCA裕度、计算通道方位倾斜等。此外，方家山RPN系统在轴向通道布置上和部分信号的逻辑功能也做了改进。

１　系统组成和功能

１．１　系统组成

与我厂30万机组堆外核测系统类似，RPN系统包括八个独立的探测器保护通道、保护机柜，以及与上述通道有关的探测器定位装置、显示器、扬声器和选择开关等。不同的是方家山RPN系统功率量程探测器共有6个敏感段，而我厂30万机组为4个敏感段。另外，方家山RPN系统增加了控制机柜和LSS机柜。控制机柜收集来自四个保护机柜的输出信号中用于报警、指示和控制的那部分信号，即不用于反应堆保护的部分信号。LSS系统是方家山机组新增加的用于LOCA后事故监测的系统，这和我厂30万机组相对应的事故后监测仪表以及秦山二期的RPDM系统均有很大差异，其作用会在后面描述。LSS机柜有LSS系统用于处理信号的LOCA计算机和用于试验及指示输出计算机。RPN共有8个独立保护通道：2个源量程，2个中间量程，4个功率量程。八个保护通道安装在4个RPN保护机柜内。

１．２　系统功能

RPN系统正常运行时，通过连续监测反应堆功率、功率水平和功率分布，在KIC或BUP盘进行指示和记录，为操纵员提供在堆芯装料、停堆、启堆和功率运行期间反应堆的状态信息。这些功能包括：由四个功率量程产生高选最大功率信号，向RGL提供高选核功率信号用于棒控和棒速程序；由四个功率量程各自第2和第5通道产生的通道电流，向KIR系统提供中子噪声电路用于评估反应堆内部的振动响应；由中间量程通道向ATWT系统提供非紧急停堆预期瞬态的触发信号和向KME系统提供用于试验的实时数据和向过程仪表系统提供用于确定超温和超功率T反应堆停堆及提棒闭锁整定值的轴向功率偏差信号等。

RPN系统在中子注量率高和中子注量率变化率高时触发反应堆停堆。它共提供6个停堆保护信号、5个控制联锁信号和4个允许信号。中子通量高停堆之前，用信号闭锁自动和手动提棒。轴向功率偏差信号用于确定超温和超功率△T反应堆停堆和闭锁提棒整定值。

RPN系统保护通道是核安全一级系统，在地震过程中，系统始终保持其保护功能。

２　系统流程

信号处理流程：

核仪表系统RPN的信号流程包括了中子通量探测器、信号调理电路（信号放大、整形、甄别等）、模数装换、信号计算和处理、信号分配和输出等环节，同时RPN系统还接受外部其他系统送来的控制信号。三种探测器通道信号处理流程有许多类似之处，下面主要以源量程通道为例描述RPN的信号处理流程。

首先，由源量程通道的高压电源给源量程探测器供电，探测器接收到热中子后产生的是低幅值的不规则脉冲信号，这些低幅值的脉冲信号首先送给源量程通道的脉冲信号放大器进行放大，之后送给信号甄别单元进行甄别。这个过程将除了中子脉冲信号以外的其他脉冲信号去处掉，然后将信号整形成标准的方波脉冲信号，再送到脉冲计数单元进行计数，之后送到模拟量输入模件进行模数转换，然后将信号送给源量程通道的CPU进行计算和处理。

源量程通道的CPU完成如下工作：将信号转换成1~106cps的计数率信号；计算中子脉冲的倍增时间（周期）信号；将送反应堆保护系统的计数率信号进行域值比较，产生源量程高中子通量停堆信号（105CPS）；产生脉冲信号丢失；产生高压电源丧失；产生通道试验或故障信号。

这里与参考电站和我厂30万机组均不同的是方家山核仪表系统各通道设置有各自的CPU进行信号处理，而不是在保护系统的机柜里进行处理。经过处理得到数字量信号可以直接输入到下游用户使用而不必在每个用户系统中都进行一次转换了。例如需要用于反应堆保护时，就把这些数字信号经过隔离组件后输入位于DCS内的反应堆保护系统，在反应堆保护系统内直接进行符合逻辑表决，当逻辑符合时即触发停堆信号。再比如需要用到反应堆功调系统用于控制时，直接输入信号到RGL系统里作个高选表决即可得到最高功率通道值用于棒控和棒速系统。这样做的好处是把保护信号繁琐的处理移到保护系统之外，从而降低了下游用户系统处理器的工作负担，提高了这些系统的响应效率。

源量程通道处理后的信号要分别送给反应堆保护系统、后备盘BUP和KIC系统，另外源量程通道产生的中子脉冲信号还要送到计数率音响单元进行音频功率放大和分频，再送主控室和反应堆厂房的扬声器。

中间量程通道和功率量程通道在信号处理流程上和源量程通道相似。首先，由相应量程通道的高压电源给探测器供电，探测器接受到热中子信号后产生的小电流信号，小电流信号送到电流信号放大器中进行放大处理，之后转换成标准信号送给相应量程通道的模拟量信号输入模件进行模数转换，然后将信号送到相应量程通道的CPU进行计算和处理。中间量程通道处理后的信号要分别送给反应堆紧急停堆系统、ATWT系统、反应堆功率调节系统、后备盘BUP和电站计算机和控制系统。功率量程通道处理后的信号要分别送给反应堆保护系统、反应堆功率调节系统、松动部件和振动监测系统系统、LSS系统、堆内核测系统系统、后备盘BUP和电站计算机和控制等系统进行后续的保护和控制。

３　设备布置

源量程探测器位于堆芯下部1/4线的高度上，大约是源棒所在的高度；中间量程探测器位于堆芯中线的高度上。功率量程探测器共有6个敏感段，3个位于堆芯上部，3个位于堆芯下部。在径向看，源量程和中间量程探测器分为2对，分别位于90°和270°方位上，4个功率量程探测器布置在4个象限中线上。功率量程探测器的布置保证了可以探测轴向功率不平衡和径向功率不平衡情况。在设备轴向布置上，RPN系统与30万机组基本相同。在径向布置上主要有两点不同：（1）四个功率量程探测器布置角度不同，30万机组布置在四个象限逆时针偏转22.5°方向，而RPN系统则布置在四个象限中线上；（2）RPN系统把相同系列的源量程和中间量程探测器布置在同一个套筒里，这样可以减少在压力容器周围空间的开孔数目。

4　RPN系统产生的逻辑信号

4.1　源量程通道产生的逻辑信号

源量程通道产生的逻辑除了和30万机组相同的高中子通量停堆信号外，还有其他一些不同的信号。

4.1.1　 “停堆通量高”报警信号

停堆通量高报警信号阈值为2~5倍本底计数率，可以手动闭锁。该信号用于预防误稀释事件，仅在停堆换料期间有效，当停堆期间中子通量值突然增大时在主控室发出报警信号提醒操纵员。

4.1.2　通道的就地机柜抽屉抽出时所产生的逻辑信号

当一个通道的抽屉抽出时，自动闭锁该通道的紧急停堆信号，当两个通道的抽屉都抽出时，也发出一个紧急停堆信号。此信号在P6出现时也可手动闭锁。

4.1.3　 “高压丢失”和“高压异常”报警信号

阈值为“额定电压－50V”。两个源量程探测器高压电源的电压中只要有一个降至“额定电压－50V”时，则产生“高压丢失”报警信号；两个全降至“额定电压－50V”时，则产生“高压异常”报警信号。任何一个源量程紧急停堆信号被手动闭锁以后，这两个报警信号全被闭锁。探测器的高压电源在源量程紧急停堆手动闭锁后被切除。

4.1.4　 “源量程信号丢失”报警信号

任何一个源量程计数率低于10cps时产生。源量程紧急停堆手动闭锁后，此信号也被闭锁。

4.1.5　“通道试验或故障”报警信号

模拟电路出现故障时或进行试验时产生。为了检查模拟电路，需把所在抽屉抽出，切除来自探测器的信号，不同试验点上加入试验信号。此时就产生了“通道试验或故障”报警信号。

4.2　中间量程通道产生的逻辑信号

中间量程通道产生的逻辑信号主要有四个，其中25%FP紧急停堆信号、P6信号和C1信号这三个信号均与30万机组相同。

有差异的信号为：输出用于ATWT的中间量程阈值信号，阈值为30%FP。ATWT为未能紧急停堆的预期瞬态。当功率达到30%FP时中间量程通道发出该信号，它允许在主给水流量低于6%时产生ATWT紧急停堆信号。相应信号在30万机组里的逻辑为两台蒸汽发生器水位低于9.15m与汽机冲动级压力对应功率大于20%FP相符合，经过25秒延迟启动ATWT缓解系统。两者启动ATWT缓解系统的内涵相同，都是高功率不停堆与失去二次热阱相符合，只不过是选取参数不同罢了。

4.3　功率量程通道产生的逻辑信号

功率量程通道产生的逻辑信号主要有九个。其中紧急停堆（低阈值）、紧急停堆（高阈值）、P10允许、C2禁止提棒和正、负中子通量高变化率停堆等信号均与30万机组相同。其他信号则和30万机组有差异。

4.3.1　允许信号P8

阈值30%FP，允许单列故障停堆。方家山机组是三环路，两列环路主泵故障（或冷却剂低流量）与P7符合会导致停堆。如果P8信号存在，则只要有一列主泵故障（或冷却剂低流量）就会导致停堆。

4.3.2　允许信号P16

阈值为40%FP，它允许汽机脱扣紧急停堆。30万机组为存在P7就会引起停机联锁停堆。

4.3.3　闭锁信号C20

阈值为15%FP当堆功率小于它的阈值时，它闭锁RGL系统R棒自动提升。30万机组类似信号为C5信号，由汽机冲动级压力大于15%FP产生。

4.3.4　 “汽机负荷增加闭锁”信号

阈值为96%FP。该信号使得升负荷期间，当汽机功率升高到96%FP时闭锁汽机自动升负荷，以防止由于汽机负荷增加过快而引起反应堆功率超调。

除了以上四个信号外，高中子通量变化率停堆信号在方家山机组里做了动作限制。这是由于方家山机组棒控系统控制方式与30万机组不同。方家山机组棒控分为功率棒组和温度棒组，其中功率棒棒位会自动跟踪汽机负荷而变化。为了防止甩负荷时功率棒组快速下插引起高中子通量变化率停堆信号误动作，特别加上主泵转速校正信号和平均温度校正信号来该停堆信号。校正信号的极性、大小和延时加入的时间都是根据甩负荷时中子通量过渡过程曲线经试验决定的。堆功率低于10%FP时，校正自动闭锁。任何功率下都可以通过选择开关手动闭锁。

5　LSS系统和运行梯形图

5.1　LSS系统功能

LSS系统是LOCA后事故监测系统，它的主要功能是连续监测反应堆的运行状态。通过连续计算，并且将计算结果用图形、数值、曲线等方式实时或延迟显示出来，对异常运行情况发出报警和控制信号，帮助操纵人员有效地监视堆芯运行情况，提高反应堆运行的安全性。LSS系统与我厂30万机组的事故后监测仪表和秦山二期的RPDM（反应堆功率分布监测系统）相似之处为三者都有事故后监测的能力。不同的是LSS系统具有对输入数据进行计算处理的功能，而后两者只能测量数据或读取其他系统计算后的参数数据而不能对数据进行计算。LSS系统利用来源于RPN模拟部分产生的通道测量值进行计算，计算的参数和信息有：LOCA裕度相关计算；堆芯中子注量率分布相关计算；监视运行点变化计算；运行梯形图越带计算和决定运行梯形图左限线和绝对线设定的计算等。

5.2　运行梯形图

方家山机组运行梯形图和30万机组以及秦山二期机组均有很大区别。正常运行带在运行梯形图（见图1）的左限线和右限线是通过LSS系统的LOCA计算机设定的，其值来自于核设计报告。设计计算条件是：一回路失水事故发生时必须保证燃料包壳温度小于1204℃。由此可以决定最大线功率密度＜480W/cm。经一系列的模拟实验、研究和计算表明：如果在该梯形内运行，热点因子不超过允许值，从而确定了运行梯形的左、右限制线。

梯形图右边的绝对线是由三条线段组成的折线，根据在发生丧失主给水或中、小破口失水事故时堆芯上部不熔化以及保证最小DNBR＞1.3等条件计算出来的。

5.3　运行梯形图对运行工况的限制

方家山机组运行梯形图对机组运行工况的限制与30万机组有较大差别。30万机组是按照技术规格书的要求，对有越带现象的工况按规定步骤进行退防。方家山机组梯形图除了退防要求外，还有如下一些自动或手动控制信号：

当△I超出左限线或△I超出右限线且堆功率＞50%FP时触发C21信号，C21会触发RUNBACK信号，汽机自动降负荷；

当堆功率P＜15%FP时，C21自动闭锁；

右限线、绝对线、15%功率线及50%功率线所围成的区域为计时区。寿期末紧急停堆后碘坑下再启堆时，由于硼稀释能力的限制，必须强行抽出功率补偿棒，而不遵守其限制线规定。这时允许工作点落在此区内，但为了减少出现不可控氙振荡的风险，必须计时。四个功率量程核仪表测量的并经计算出来的工作点只要有一个进入此区域就开始计时，12小时内累积计时时间不超过90分钟。为防止超过这个限值，在累积计时达约1小时后，就应采取降负荷措施。

6　结论

方家山RPN系统功能相当于我厂30万机组的堆外核测系统，两者产生的许多核测保护信号和控制信号都相同。但方家山RPN系统在信号处理流程、事故后监测、部分逻辑控制信号上和30万机组均有很大不同。从明年开始公司就要对方家山机组进行操纵员培训，希望系统培训的重点应放在我厂原有机组和新机组对应系统差异性对比方面，这样培训可以做到融会贯通、事半功倍的效果。

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参考文献

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［５］谢仲生,吴宏春,张少泓,编.核反应堆物理分析[M].北京:原子能出版社,2004(7)．

［责任编辑：刘展］