核电厂数字化仪控系统科技创新

黄 潜，师庆维，任春香

（江苏核电有限公司，江苏 连云港 222042）

田湾核电站是国内首家采用全数字化仪控系统的核电站。全数字化仪控系统为田湾核电站高效、可靠的运行提供了强有力的保障，但同时也给“田湾仪控人”带来了前所未有的挑战。作为国内第一个全数字化的核电站，没有数字化仪控系统相关经验，且在机组调试和正式投入运行后，仪控系统出现了很多难以解决的问题。如何使全数字化仪控系统与俄罗斯VVER机组的运行和安全要求更加吻合，如何实现对仪控系统的良好维护和对系统功能的不断优化改进，确保各项检测、控制和保护功能的完好实现，为核电厂稳定运行保驾护航，是摆在“田湾仪控人”面前的艰巨任务。面对严峻的考验，“田湾仪控人”在仪控系统安装、调试和运行维护过程中不断开拓进取，针对现场存在的问题和不足进行了一系列的改进与创新，并使仪控系统的维修过程不断优化，使全数字化仪控系统能够正确地实现全部预期的控制保护功能，并取得卓越的运行业绩。自2007年田湾核电站商业运行以来，未发生一起由于数字化仪控系统本身故障造成的机组误停堆、停机事件，数字化仪控系统维修领域科技创新实践为机组安全稳定运行奠定了坚实的基础。

1 数字化仪控系统的组成

田湾核电站运行仪控系统采用了分散控制系统Teleperm-XP（TXP），用于电站正常运行的监视和控制，覆盖电站生产工艺系统的过程控制，实现机组偏离设计运行工况的纠正控制和专设安全系统设备的定期试验。

安全仪控系统和反应堆功率控制系统采用了新一代的Teleperm-XS（TXS）计算机化平台，用于实现核电站总体安全功能的四大目标：对反应性进行控制，确保核反应堆处于次临界；保证堆芯产生热量导出，确保堆芯余热导出；保证核反应堆三道屏障的完整性，防止或减少放射性释放；控制安全功能支持设备运行，确保安全功能执行。

堆本体仪控系统和其他辅助仪控系统（如堆内外核测、棒控棒位、抗震保护等其他的独立子系统）也广泛地采用了基于数字化技术的仪控设备。

2 仪控系统维修领域科技创新

在田湾核电站机组调试及正式投入商业运行维护阶段，针对仪控系统中存在的各类技术问题（故障、缺陷）和系统维护过程中遇到的难题，积极引导员工们分析问题、解决问题，大力开展技术改造和系统优化工作，几年内开展了近百项科技创新工作，大大消除了数字化仪控系统存在的缺陷，并对系统功能及维护进行了大规模的优化，解决了大量的生产过程中存在的问题，取得了骄人的成绩，并获得多项公司级、省部级科技进步成果奖。同时，也有多项实用新型和发明专利获得了国家知识产权局受理和授权。

2.1 科技创新的形式及类别

田湾核电站仪控系统科技创新项目主要通过科研项目研究、现场技术改造及QC质量管理小组课题攻关等三种形式完成。

创新课题主要来源于江苏核电有限公司根据重大技术决策和科技发展需要确定的指令性课题和现场工作人员在现场工作过程中遇到问题后自发提出的自选课题两种，其内容涉及运行仪控TXP系统、安全仪控TXS系统、堆本体仪控系统及辐射防护、消防仪控、分析仪表等独立的子系统。按照项目的实际作用分为仪控系统缺陷及隐患改进的创新、仪控系统功能及维护的优化创新、系统老化及寿命研究三大类，下面将从这三个方面的主要创新内容进行介绍。

2.2 仪控系统缺陷及隐患改进的创新

（1）控制棒控制通道故障率较高问题处理

田湾核电站在投入运行后，一段时间内曾经出现了反应堆控制保护系统控制棒控制通道故障率较高的问题。

针对此问题，通过采用超声波清洗法对模件接插件进行清洗、电子设备间通风系统改造、运动控制模件整改，实现了降低信号传输故障率，降低房间的温湿度，降低BUD2M等模件的故障率，提高了模件的使用寿命，节约了备件使用量和运行成本，实现了对反应堆功率更为精准的控制，通过对系统的改进和优化，降低了控制棒通道故障率，减少了非计划停堆的概率，实现了较大的经济和社会效益。

（2）安全仪控系统信号分配的技术改造

2009年6月3日，由于安全系统三系列1BEC母线频率信号1BEC00CE834/835/836突然降低至最低值，导致TXS系统DA11动作，出现1XKA30柴油机分级带载信号。

事件的直接原因为安全系统三系列1BEC母线频率信号1BEC00CE834输入模件SAA1出现故障，导致给该SAA1模件供电的供电保险烧毁，而该供电保险同时给1BEC00CE835和1BEC00CE836信号的SAA1模件供电，当该供电保险烧毁后，这两块SAA1模件都失去了供电，导致输入信号1BEC00CE834、1BEC00CE835、1BEC00CE836同时变成了下限值，触发DA11动作，1XKA30非预期启动。其根本原因为信号供电分配不合理，参与同一运算逻辑的信号由一个供电保险供电。

技术改造时，将参与同一功能运算的几个信号在供电上分开，避免了由于一个供电保险丝烧毁而导致参与同一功能运算的几个信号同时失电从而触发保护动作事件的发生，优化了系统设计。

（3）安全重要仪表模拟量输入信号一致性检查创新

田湾核电站技术规格书也要求安全系统仪表定期（每个换料周期）进行仪表的通道校准和检查，但田湾核电站安全重要仪表模拟量输入通道设置较多，难以实现在每个换料周期对所有通道进行定期校验的要求。无法满足核安全法规、标准及田湾核电站技术规格书的要求。

针对这一问题，在法规、标准允许的前提下，研制出一套信号交叉比较新的方法满足了国家标准及田湾核电站技术规格书的要求，并能够尽早发现变送器或信号通道的性能恶化和故障趋势，节省试验人员的工作量和作业时间，降低定期试验中人因失误率，保证反应堆保护系统的良好品质。

该成果在一致性检查数学模型的建立及数学公式的推算、交叉比较结构的设计、计算机语言编译比较结构、自动在线实时数据采集、运用安全仪控系统计算机自动完成交叉比较任务等方面具有创新价值。经过几年来的实践，表明该成果技术成熟可靠，具有实质性的创新效果，达到国际领先水平。

（4）停堆断路器控制回路设计优化与改造

2009年12月15日，田湾核电站进行1号机组反应堆保护-预保护执行系统定期试验，1CLR09机柜中停堆断路器K1出现异常，导致5～10组控制棒首先下滑，反应堆功率下降，一回路压力随之降低，触发停堆信号，反应堆非计划停堆。

针对此问题，对停堆断路器控制回路进行了优化，将原有的一次验证两个停堆断路器，降低到一次验证一个停堆断路器，系统安全方面，在没有提高系统拒动率的同时，将系统的误动率降低了一个数量级。技术改造完成后，消除了定期试验引发误停堆的可能，降低了在机组运行期间由于系统定期试验而导致机组非计划停堆的风险。

（5）反应堆控制保护系统壳内电缆绝缘降低处理方案研究

机组投入运行以来，反应堆保护系统壳内电缆绝缘值呈现不断下降趋势，1号机组曾出现过约7%的仪控通道电缆绝缘低于运行限值（0.5 MΩ）的情况，存在导致控制棒控制或显示故障的隐患，有可能导致机组降低功率甚至停堆等重大事件。

为解决这一问题，成立了以“中核集团核电检修领域科技带头人”担任指导者的“中核集团青年科技创新团队”，进行科研攻关。科研项目组通过对壳内电缆绝缘值下降原因的分析，根据现场实际情况创造性地提出了“电缆接头结构设计”、“加强电缆接头的密封”以及“凝结的水汽导出”三个合理可行的处理方案，对每套方案均制作了样品，并在机组上进行了验证，电缆绝缘性能显著提升，满足了运行要求，达到了预期目标。项目对解决核电机组安全壳内电缆连接件的绝缘问题有重要的参考价值和良好的推广前景，具有明显的创新性和实用性。

（6）汽轮机和旁排控制系统改进

在汽轮机和旁排控制系统调试过程中，遇到了许多困难和复杂的问题，这些问题的存在，不但会影响工程项目的进展，而且还会对控制系统的功能和性能指标产生影响。

针对汽轮机和旁排控制系统中存在的问题，项目组进行了将反应堆快速预保护信号（APP）引入汽轮机控制器、引入汽水分离器的温度点到汽轮机控制器、重新确定了甩负荷触发信号定值、加对开关量信号通道回路的自检功能，并解决了旁排阀不能及时关闭导致一回路过冷、机组冷却工况下一、二回路冷却速率不一致、SIMADYN D网络与TXP网络之间通讯数据质量差、甩负荷触发信号冗余度低等问题，使汽轮机和旁排控制系统达到了良好的运行性能，满足了生产的需要。

（7）消防系统探头误报警问题

电站消防火警系统投用以来，年误报缺陷的总量一直居高不下。

针对误报率较高的状况，采用了头脑风暴法和根本原因分析工具进行分析，确定方案，从各个方面进行了改进和优化。例如：对现场探头布置不合理的现象进行了16项技术改造（包括类型更换、测点移位、探头防护、探头取消等）。对全厂的感烟探测器集中清洗、标定，并对部分易潮湿的消防探头加装防水隔板和防风罩。改造后，火警系统误报率显著降低，系统运行情况得到改善。

（8）消除TXS系统专设安全设施控制优选模件（AV42）电磁干扰的改进

在启动380 VAC泵时，部分AV42模件控制的专设安全设施（阀门）在OM画面上会出现大量无关的报警信号，干扰了操纵员的正常工作。经过现场检查、验证试验和分析确认：泵启动时在开关柜侧产生了较强的电磁干扰，电磁干扰引起AV42模件自动重启，切除了反馈信号的供电，从而引起OM系统上出现大量的误报警现象。

针对这一现象，采取了将设备状态反馈回路由原模件供电改由TXS系统机柜内部供电。此方案实施后，电磁干扰引起的OM画面上误报警情况不再出现。

（9）隔膜压力变送器校验连接装置研制

电站现场采用了196台德国西门子公司生产的隔膜压力变送器，该类型仪表接口特殊，无合适的校验连接装置，因此维修过程中仪控人员无法通过校验方式来判定仪表的工作性能是否稳定、可靠，给系统的安全稳定运行带来较大隐患。

为解决校验接口问题，确保变送器工作性能的稳定可靠，研制了DN25/50/80/100等4种规格的能适用于田湾核电站现场所有隔膜压力变送器的校验连接装置。经过现场实际应用证明：校验连接装置使用效果良好，解决了隔膜压力变送器的校验问题，具有推广价值。

2.3 仪控系统功能及维护的优化创新

（1）控制棒综合试验占用大修主线时间的优化

控制棒综合试验是压水堆核电站在大修期间必须完成的试验，该试验在田湾核电站T101和T201大修期间占用大修主线时间为27 h，相对于其他先进核电站有较大的差距。

为优化大修工期，成立了科研项目组，通过研究冷却剂温度、堆芯硼酸浓度和控制棒位置等参数对反应堆反应性的影响，进行了量化计算，最终确认：在反应堆一回路加热过程中成组提升控制棒是满足技术规格书要求的。根据此成果，将控制棒成组试验和落棒试验安排在反应堆一回路加热过程中进行，不占用大修主线时间。项目实施后，棒控棒位系统综合试验占用主线时间由27 h缩短到0 h，大大缩短了大修工期，取得了较大的经济效益。

（2）安全仪控TXS系统多功能测试、诊断培训平台的研制

为优化安全仪控TXS系统维护工作过程，根据各类TXS系统模件的功能和特性，模拟其工作的不同运行环境和条件，研制出一套集TXS系统软/硬件测试、故障诊断及TXS系统设计、运行和维护培训于一体的多功能平台。平台所具有的测试功能、故障诊断功能和培训功能对确保安全仪控系统的安全、可靠运行、缩短检修周期、提高运行和维修人员的技术水平具有重要作用，有显著的经济及社会效益。

该平台在测试、诊断和培训功能的集成配置、测试系统功能设计、培训功能设计、系统软件逻辑设计等方面有诸多创新点。经过V&V验证和现场故障诊断应用实践表明，其技术成熟、可靠，对推动行业进步具有示范作用。

（3）运行仪控TXP系统维护培训台架的研制

为提高运行仪控TXS系统修护人员的技能水平，成立科研项目组，研制完成了TXP系统维护培训台架，为仪控工程师特别是新员工提供了系统软/硬件检查、仪控逻辑及画面变更执行、TXP系统AP数据离线代码的生成及下传、与外部系统的通讯检查及仪控逻辑功能验证等的培训平台，使仪控工程师提高了维护技术水平，尽可能地减少了维修过程中人因失误的可能，确保运行仪控TXP系统维护工作的优质完成。

（4）控制棒驱动机构动力电源控制模件测试工具研制

控制棒驱动机构动力电源模件PK-25M用于向控制棒驱动机构提供可靠稳定的电源。其定期测试只能由手动完成。

为优化维修过程，研制出一套自动测试工具，实现了对PK-25M模件所有参数的自动测试、测试数据自动分析及直接给出分析结论的功能，此工具具有友好的图形化人机接口和数据存储、查询、打印等管理功能，测试过程可以全自动运行，也可以手动操作。功能齐全、测试准确、操作方便，为维护人员及时、准确了解安全重要模件PK-25M状态提供了有效手段，填补了VVER型核电机组同类型测试工具的空白。

（5）主冷却剂泵径向止推轴承释热监测参数优化

田湾核电站主冷却剂泵径向止推轴承释热功率是通过冷却系统出口温度计进行监测的，温度计安装在管道法兰上，通过测量法兰金属温度间接测量冷却系统出口温度，无法及时准确发现主泵径向止推轴承的异常。

仪控工作人员采用增加检测点、优化温度计测量方式、增加保护套管、设计逻辑运算方法和增加显示、记录和报警功能等方式对释热率的测量进行了优化，优化后监测效果完全满足了机组运行的要求。

该优化方案在数学模型的建立及逻辑图实现、自动在线采集实时数据、再现历史数据及通过释热率监测主冷却剂泵摩擦副等方面有诸多的创新点。对于解决大电机摩擦副监测提供了新的途径和方法，可为同类型监测提供借鉴。

（6）冗余技术的实现

为提高系统的安全性和可靠性，田湾核电站在较为重要的仪控系统中大量使用了冗余技术，但也存在个别重要参数测点或系统冗余度不足（只有一个或两个测点）的情况，例如：汽轮机速度级压力只有一个测点，用于当汽轮机甩负荷时控制旁排打开的开度和打开速率的触发条件。

针对此类情况，经过对整个仪控系统测点、控制逻辑及通道等的全面核查及可行性、经济性分析后，确定了需要增加冗余配置的数量及范围，并进行了冗余技术的实施。实施后，大大降低了单个故障引起系统误动、拒动的可能性，增加了系统的安全性和可靠性。

（7）汽轮机飞锤动作监视系统优化

田湾核电站使用的K-1000/60-3000型汽轮机设置了两套独立的飞锤用于汽轮机超速保护。现场设置有两套测量装置用于监视飞锤动作情况。运行过程中监视装置经常发生误报或漏报情况，使主控室操纵员无法正确了解飞锤的动作情况，干扰了操纵员的正确判断，严重影响机组的安全性。

为优化系统功能，经过反复试验，最终确定采用电涡流传感器替代原磁电式传感器，解决了误报问题。采用3个传感器进行品字形安装方式解决了漏报问题，优化方案实施后很好地解决了误、漏报问题，汽轮机飞锤动作监视系统运行效果良好。

（8）主蒸汽流量测量新方法研究

田湾核电站主蒸汽管线上设置了4个SDF元件来测量主蒸汽流量。由于主蒸汽流量大、蒸汽管线震动大，导致SDF元件经常出现断裂，无法进行主蒸汽流量的测量，且断裂SDF元件的冲击也对下游汽轮机的安全构成了严重的威胁。

经过对蒸汽发生器结构的分析，利用蒸汽发生器上部设备本身的节流特性，研究出一种通过计算方式获取主蒸汽流量的新方法，并经实际标定，获得较理想的流量参数值。主蒸汽流量测量新方法使用后，较好地完成了主蒸汽流量的测量任务，减少了管道新增测量元件的节流损耗和断裂产生异物的风险。此测量方法已作为田湾核电站3、4号机组主蒸汽测量的设计方案，也可为同行电站提供借鉴。

（9）安全相关仪表作业专家支持系统研制

任何送入安全仪控TXS系统的安全相关仪表信号的调试、维护等工作都会对系统的安全造成影响。人工手动进行安全相关仪表作业风险分析的方法，在实施过程中，存在由于人为失误导致的风险分析不充分或错误等人因失误的可能。

针对这一情况，自主研制开发了“安全相关仪表作业专家支持系统”，完成对用安全相关仪表作业风险的自动分析，并给出具体作业方案的指导意见。系统自投入以来，提高了分析效率，使风险分析的正确率达到了100%，避免了人因失误的可能，从根本上避免了安全相关仪表作业风险分析不足引起反应堆停堆和专设安全实施驱动系统误动的可能，优化了维修管理过程，提高了机组的安全性和可用性。

2.4 系统老化及寿命研究

（1）核电厂电缆老化评估与寿命管理技术研究

本科研项目实施了反应堆控制保护系统壳内电缆的数据收集和留样、老化处理、辐照试验、状态评估等工作，维护人员掌握了电缆老化相关的技术数据和在役电缆的老化状态、建立了电缆老化管理手段。本研究提供了一种对重要电缆的有效管理手段，保证了电缆在寿期内的稳定运行，同时，也为将来电缆的延寿提供了评价依据。

（2）反应堆控制保护系统模件延寿方法研究

反应堆保护系统模件的鉴定寿命为10 a，而几年的实际运行状况显示部分模件实际工作寿命可以超过10 a。

为了确定模件延寿的可能和方案，科研项目组通过对模件性能和老化机理的分析，对比在役模件的老化状况及其对机组运行的影响，研究出一套模件延寿的新方法, 延寿方法一方面完成对在役模件老化情况的监控，防止模件出现提前老化情况；另一方面提出了应对老化问题的处理方案，实现了对反应堆控制保护系统模件的延寿，在保证机组安全、稳定运行的同时创造巨大的经济效益。

3 结论

通过对数字化仪控系统科技创新项目的阐述及科技创新奖、知识产权情况的分析看出：田湾核电站数字化仪控系统的科技创新实践，使数字化仪控系统运行很好地满足了核电站机组生产过程监测和控制、保护的要求，优化了数字化仪控系统功能及其维修过程，保证了机组的安全、经济、稳定运行，为探索数字化仪控系统的维护和优化创新提供了良好的借鉴。