秦山核电二厂堆芯冷却监测系统数字化改造

杨 鹏，姚 彤，蔡昊廷

（中核核电运行管理有限公司 维修三处，浙江 海盐 314300）

0 引言

堆芯冷却监测系统（Inadequate Core Cooling Monitoring System，简称为ICCMS）是核电厂重要的事故后监测系统之一。依据国家核安全法规的要求，堆芯冷却监测系统作为1E安全级系统，在正常工况、事故工况，以及事故后工况不间断地监测堆芯温度分布、堆芯过冷裕度与压力容器水位等参数。如果失去对这些堆芯状态参数的监测，机组将面临退防的风险，对机组的安全运行和稳定发电有着重要的影响，因此堆芯冷却监测系统必须要保证处于可用状态。

秦山核电二厂的堆芯冷却监测系统在运行将近20年后，可靠性已显现出了明显的弱化，稳定性大大降低，影响了对堆芯状态的监测。为了应对这种情况，提升性能和可靠性，对该系统实施了数字化升级改造。

1 系统简介

秦山核电二厂堆芯冷却监测系统分为完全相同且冗余的A、B两列，在电气和实体上实现完全隔离，彼此之间互相独立，各自实现对堆芯状态的监测功能[1]。

1.1 堆芯温度监测

堆芯冷却监测系统每列各包括15支铠装K型热电偶，测量燃料组件出口冷却剂的温度，并对区域内热电偶的偏差值进行监测，还将堆芯热电偶温度数据传输到数据集中处理系统（KIT）进行计算分析，用以监测堆芯径向功率偏移，以及检测棒控棒位系统（RGL）控制棒组中分离的棒束[1]。

1.2 过冷裕度监测

堆芯冷却监测机系统接收来自过程仪表系统（SIP）的2个主回路压力和3个稳压器压力，进行筛选校核后，再计算得到一回路的绝对压力，然后计算出堆芯饱和温度，并与环路热段温度和堆芯热电偶温度进行比较，计算并监测基于实际堆芯冷却剂温度的最低过冷裕度[1]。

1.3 压力容器水位监测

堆芯冷却监测系统每列分别采用3台差压变送器（窄量程、宽量程、参考量程），并接受来自过程仪表系统的环路的热管段温度、冷管段温度、主回路压力、稳压器压力等模拟量信号，同时接受来自保护系统（RPR）的P10信号和来自堆芯冷却剂系统（RCP）机架的主泵运行状态这两个开关量信号，通过对这些输入信号进行处理和运算，实现对反应堆压力容器水位的监测和指示[1]。

2 改造范围

目前由于秦山核电二厂尚未引入核电厂状态导向规程（SOP），堆芯冷却监测仍基于事故导向规程（EOP），因此，在同时兼顾技术实现难度和改造效益的前提下，保留现场的一次仪表，保持现有的与其他系统或机架的通讯方式、接线方式不变，仅对系统的处理机柜部分进行改造[2]。

3 新系统概述

秦山核电二厂堆芯冷却监测系统改造采用的是北京广利核工程有限公司基于安全级Firmsys平台开发的系统。

改造后的堆芯冷却监测系统同样分为A、B两列，由硬件部分和软件部分组成。硬件主要包括机柜、机箱、卡件、电源、电缆等，整体设备为K3级。软件集成在主处理单元模块中，主要包括系统软件和应用软件，系统软件负责管理计算机系统中各种独立的硬件协调工作，应用软件是根据工艺需求设计的运算程序。系统通过信号输入/输出模块采集现场传感器的模拟量信号和开关量信号，再由主处理单元运行应用软件进行运算处理后，进行输出和显示。应用软件和系统软件进行不间断的周期循环运行以完成所有系统功能[3]。

图1 新系统结构Fig.1 New system composition

改造后的系统由电源子系统、信号处理子系统、显示记录子系统构成，系统结构示意图如图1所示。

3.1 电源子系统

电源子系统由220VAC/24VDC电源模块、24V DC/5V DC电源模块、热敏电阻、浪涌保护器和滤波器等硬件设备组成，为整个系统提供可靠的交流电源、直流电源和接地保护。

220VAC/24VDC电源模块采用三重冗余方式，24VDC/5VDC电源模块采用双重冗余方式，任何单独一个电源模块故障都不会对供电造成影响，当系统失电不超过10 ms时，不会产生故障或者电源重启的虚假报警信号，充分保证了供电功能的可靠。

3.2 信号处理子系统

信号处理子系统完成信号调理隔离、信号输入和输出、数据处理、数据通信功能，信号处理子系统整体结构图如图2所示。

3.2.1 信号调理隔离功能

信号调理功能由信号调理板卡实现。对于模拟量信号如K型热电偶、冷端补偿热电阻、1V～5V标准信号，信号调理板卡对其进行隔离和线性调理，将其转换成4mA～20mA的标准信号；对于P10信号和主泵运行状态的这些开关量信号，信号调理板卡则将其进行隔离处理。这些经过隔离调理后的信号通过硬接线连接的方式传输给信号输入部分。

图2 信号处理子系统结构Fig.2 Signal processing subsystem structure

3.2.2 信号输入和输出功能

信号输入和输出功能由模拟量输入、模拟量输出、开关量输入、开关量输出板卡实现，分别完成4mA～20mA直流信号的输入和输出以及无源触点信号输入和输出。

3.2.3 数据通信

数据通信功能由通信单元执行，实现主处理单元、信号输入/输出单元之间的信息交换，同时也为系统与外部交换信息提供接口。处理机柜与显示单元直接通过安全级网络SN4通信，增加了将SN4协议转换为RS-422网络协议的协议转换机箱，实现了到KIT系统的单向通信。

3.2.4 数据处理功能

数据处理功能由主处理单元板卡完成。主处理单元板卡通过通信单元获得数据后，按照程序和逻辑，对数据进行运算处理，计算得到堆芯饱和温度、堆芯过冷裕度、压力容器水位等结果，并把运算后的结果通过通信单元进行输出、显示和记录。系统算法流程图如图3所示。

3.3 显示记录报警系统

显示功能由两块显示器来完成，以通信方式从信号处理子系统获得实时数据，可按照数据显示、输入与中间变量、电气测量值、系统状态等多个页面进行显示，利用按钮实现各页面的切换。

记录功能由无纸记录仪实现，通过硬接线的方式接受来自信号处理子系统的热电偶温度、最低过冷裕度和压力容器水位等重要数据，保存在可移动存储介质，供离线查询。

系统产生的开关量报警信号发送至继电器机架，最终在主控产生声光报警，实现报警功能。

4 系统优化

堆芯冷却监测系统改造完成后，运行情况稳定可靠，并且在多个方面进行显著优化：

图3 算法流程图Fig.3 Algorithm flowchart

1）抑制启动电流。电源子系统中设置了热敏电阻回路，当上游220VAC进入机柜后，通过热敏电阻回路对启动电流进行有效抑制，确保机柜上电瞬间峰值电流保持在20A以下，从而避免了给上游电路带来电流冲击。

2）优化稳压器压力有效性判断。在算法中需要对每一个输入信号的可用性进行检查，对于模拟信号有效性的检查是通过判断信号是否在量程范围内，所设置的判断阈值考虑了上游通道和传感器的误差。一旦发现超出量程范围的模拟输入信号，将进行报警、剔除和提示，不参加到随后的计算中。对于稳压器压力仪表来说，其量程范围为11MPa～18MPa，在机组停堆期间状态下行阶段的降温降压过程中，实际堆芯压力会超出稳压器压力变送器的量程范围，原系统会判断稳压器压力信号失效而触发报警。新系统在进行有效性判断时则结合了两个主回路压力变送器的测量结果，这两个变送器的量程为0MPa～20MPa，覆盖了稳压器压力仪表的测量范围，可以避免在正常情况下产生稳压器压力失效报警。

3）散热方式优化。在机柜中未采用风扇散热，而是采用自然循环的散热方式，在机柜内形成了一个自下而上的通风通道，保证有足够空气流量和风速通过发热源，防止器件过热。这样不仅保证机柜可靠散热，也减少了故障点。

4）人机交互功能和可扩展性优化。系统的安全级显示设备可提供大量数据的便捷查询，新增了移动式服务单元，可与主处理单元连接，实现数据交换、软件下装、试验测试等功能，且提供了编程接口，大大提高了人机交互性能，且具备足够的开发裕度，在有需要时不必对硬件进行大规模的改动，就能够实现系统改进。

5 结束语

堆芯冷却监测系统在核电站中起着极为重要的作用，其可靠性对电厂的安全稳定运行有着至关重要的作用。在改造后，系统运行稳定可靠，不仅有效实现了原有的监测功能，并且在诸多方面得到优化提升，也为其他仪控系统设计和改造提供了一定的借鉴价值。