中国先进研究堆高温高压试验回路数字化保护系统设计

贾玉文，段 晓，张明葵，徐启国，李 松

（中国原子能科学研究院，北京 102413）

0 引言

中国先进研究堆（China Advanced Research Reactor，CARR）是一座多用途高性能研究堆，可用于中子散射和核物理研究、核燃料和反应堆材料辐照试验、放射性同位素辐照生产、中子活化分析、中子照相等[1,2]。CARR高温高压试验回路是CARR实验研究平台之一，目的是利用CARR开展反应堆燃料元件和结构材料的辐照性能研究。试验回路模拟压水堆燃料元件运行的高温、高压、水化学等条件，可为压水堆燃料组件、反应堆燃料元件的稳态综合辐照考验和瞬态性能试验提供基本的试验条件[1,2]。

试验回路由主回路系统、二回路系统、三回路系统、安全注水系统、事故余热排出及喷淋系统、喷淋水再循环系统、设备冷却系统等12个子系统组成。CARR设计有保护系统，用于保护反应堆的安全[3]。运行工况参照核动力厂，运行和事故状态分为正常运行、预计运行事件和事故工况，根据试验回路事故分析，专门设置独立于中国先进研究堆保护系统（下文简称CARR保护系统）的试验回路保护系统（下文简称保护系统），既能保护试验回路又能保护反应堆，对可能引起预计运行事件/事故的假设始发事件设置了相应的保护变量。当所监测的保护变量超过整定值时，自动给出触发信号，触发相应的保护动作，用来防止试验回路工况超过安全限值，中止事故发展或缓解事故引起的后果，使反应堆（CARR）与试验回路进入安全状态。

1 系统功能

保护系统主要实现触发CARR停堆、触发专设安全设施和事故监测功能。

1.1 触发CARR停堆功能

当所监测的保护变量（主回路流量、主回路压力、主回路温度）超过保护动作整定值时，自动给出触发信号。该信号作为CARR保护系统输入的停堆保护变量，分别送往CARR堆保护系统的A、B、C 3个通道，触发反应堆停堆保护动作。

1.2 触发专设安全设施功能

保护系统具有触发6个专设安全设施的功能，用于中止和缓解试验回路事故的后果。专设安全设施触发功能如下：

1.2.1 启动处于备用状态的主回路主泵

当主回路主泵发生故障时，主回路流量降低。为防止主回路流量低导致的辐照燃料棒束热量无法有效带出，当主回路流量降至低整定值时，除给出触发停堆的保护动作信号外，还给出专设安全设施触发信号，触发启动处于备用状态的主回路主泵，将辐照燃料棒束的释热带出。

1.2.2 启动事故余热排出

CARR堆ATWS，仅通过排重水进行事故缓解，正常供电丧失。此时二三回路泵停运，主回路温度升高。当二回路流量低于低整定值且同时主回路温度高于高整定值时，保护系统将触发关闭正常冷却阀，截断主回路换热器二回路冷却剂的冷却通道；同时启动余热排出泵，开启余热排出阀，驱动冷却水流经主回路热交换器二次侧，为主回路系统提供紧急冷却，实现事故余热排出功能，保证CARR和试验回路安全停运。

1.2.3 启动主回路工艺间喷淋发生LOCA事故时，主回路系统失水，稳压器压力、主泵出口压力迅速下降，同时伴随主回路工艺间压力迅速升高。房间压力升高至整定值时，保护系统将触发喷淋阀开启降温降压，保证主工艺间的完整性。

1.2.4 停止中压安注

发生LOCA事故时，主回路系统失水，稳压器压力、主泵出口压力迅速下降。当安注水箱压力下降至4.0MPa时，安全注入系统（中压安注）非能动自动投入。安注水箱中的水全部进入主回路后，安注水箱压力下降到低整定值，此时安注水箱水量接近为零。为防止高压气体进入主回路系统中影响传热，保护系统此时触发关闭中压安注阀，停止中压安注。

表1 保护变量及其信号类型Table 1 Protection viable and signal type

1.2.5 启动低压安注

发生LOCA事故时，主回路压力继续下降至低低整定值时，保护系统触发启动事故余热排出及喷淋系统中余热排出泵，同时触发开启低压安注阀，向主回路紧急注水。

1.2.6 启动小流量安注

当主回路温度降至低低整定值后，保护系统触发开启小流量安注阀，开始小流量安注，此时仅靠小流量便能保证系统的安全。

1.3 事故后监测功能

事故后监测系统用来监测试验回路事故期间和事故后保护变量的变化，使运行人员掌握和跟踪事故的进程，为分析事故和评价事故提供依据。

保护系统6个保护变量的信号进入保护系统之前，被隔离分配出一路信号送往安装在控制室控制台上冗余的两台安全级事故后监测记录仪，该信号具备事故期间和事故后监测功能。

2 保护变量、假设始发事件与保护逻辑

2.1 保护变量

保护系统设有6个保护变量，其类型见表1。

2.2 假设始发事件与保护逻辑

保护系统假设始发事件与保护变量的对应关系，以及保护系统做出的保护动作见表2。

表2 试验回路保护动作控制逻辑Table 2 Control logic of the test loop protect action

3 系统结构

保护系统由A、B、C 3个独立的保护通道组成。

单个通道完成各个保护变量的测量、定值比较后，将本通道的阈值比较结果通过点对点网络通讯传送给其他两个通道进行局部2/3符合后，生成变量级触发信号；各个保护变量再进行1/N总体符合，生成通道级触发信号；通道级触发信号通过IO设备输出到由继电器搭建的硬逻辑进行通道级的2/3逻辑符合，最终输出系统级的触发信号送出保护系统，驱动停堆。

至于专设安全设施的触发，单个通道完成各个保护变量的测量、定值比较后，将本通道的阈值比较结果通过点对点网络通讯传送给其他两个通道进行局部2/3符合后，生成变量级触发信号。因绝大部分专设仅一个保护变量，故不必再进行1/N总体符合（对于事故余热排出专设，主回路温度高与二回路流量低还需进行与逻辑），生成通道级触发信号；通道级触发信号通过IO设备输出到A、B通道，由继电器搭建的硬逻辑进行通道级的2/3逻辑符合，最终A、B通道输出系统级的触发信号分别送往A序列专设安全设施电气驱动电路和B序列专设安全设施电气驱动电路。

保护系统采用数字化技术，保护系统每个通道采用单机柜配置，每个机柜配置交直流转换设备、信号调理分配单元、信号采集单元、逻辑处理单元以及光电转换单元等，柜内控制站为热备冗余结构设计，系统的基本架构如图1所示。

信号调理分配单元接收试验回路保护变量传感器的信号，并对信号进行调理和扩展分配。其中，一路信号送往保护系统，一路信号送往监控系统，一路信号送往事故后记录仪（送记录仪信号的仅A、B通道，C通道不送），以上信号均以硬接线形式连接。

图1 数字化保护系统结构示意图Fig.1 Sketch of digital protection system

信号采集单元负责保护系统的信号的输入和输出，逻辑处理单元采用双MPU设计，主要实现逻辑判断、报警、系统控制等功能。MPU可通过专用通讯网络连接，维护计算机完成相关设备的维护工作。

光电转换单元用于实现3个通道机柜之间信号传输功能，3个通道之间信号传输以安全级网络为主，光电转换单元实现了通道间的物理隔离，实现了保护系统通道间独立性的要求。仅系统级触发信号，因需要继电器搭建硬逻辑而采用硬接线的形式进行连接，同样实现了通道间的物理隔离。

4 手动触发

为避免试验回路保护系统由于共因故障失效，除自动触发外，还设置手动触发功能。在试验回路控制室内两个独立的控制台上，各设有一个“手动触发保护”按钮，只要按动其中任何一个按钮，则直接触发停堆信号，同时给出报警信号。

手动触发保护信号送监控系统进行记录。

5 系统报警

当所监测的保护变量越限或触发保护动作时，在控制台提供相应的声光报警信号，给予操纵员相应提示。声光报警指示由试验回路监控系统采用软件方式实现。

1）参数警告报警：所有输入的保护变量均通过信号调理分配单元扩展出标准电信号，经电气隔离送往监控系统。当保护变量中任一变量测量值达到相应的报警定值时，由监控系统给出警告报警信号。

2）事故停堆报警：当保护系统触发事故停堆保护动作信号时，系统扩展隔离输出各保护变量的事故停堆信号及系统级停堆信号，由监控系统给出事故停堆报警信号。

3）专设触发报警：当保护系统触发专设保护动作信号时，系统扩展隔离输出专设触发信号，由监控系统给出专设触发信号。

6 系统设备

系统有3台冗余、独立的保护系统机柜A、B、C，内部安装执行系统功能要求的全部单元部件。机柜底部安装有机柜基础支架，保护系统及其底座支架做成的整体满足抗震I类的要求。

试验回路保护系统3个机柜分别布置在3个相互独立的3个房间，满足独立性要求。

7 总结

随着核电行业进入数字化时代，基于数字化技术，针对CARR高温高压试验回路设计了一套全数字化保护系统，该保护系统采用三通道系统架构，具备触发CARR停堆功能、触发专设安全设施功能和事故后监测功能，具有可靠性高，维护、试验方便等优点。设计满足保护系统导则标准对于独立性、单一故障准则等方面的要求。