三代非能动核电厂多样化驱动系统研究与分析

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作者：陈辉峰等浏览量：357

随着核电厂技术和数字化仪表和控制（I&C）技术的不断进步和发展，无论是国内还是国际都在加快三代核电技术的发展。世界范围内在建的三代核电厂主要包括美国的AP1000核电厂和欧洲的EPR核电厂。三代核电厂按照安全系统的实现方式可以分为能动和非能动两类，AP1000核电技术则是三代非能动核电厂的典型代表。目前我国的海阳和三门核电厂作为AP1000依托项目正在有条不紊的推进。基于目前的计算机技术水平，AP1000核电厂的I&C系统采用全数字化的分布式控制系统（DCS），其反应堆保护和安全监测系统（PMS）作为全厂DCS的一部分。但是对于软件错误或软件逻辑错误而引发的共因故障（CCF），PMS不能实现其预期的安全功能，进而导致出现未能紧急停堆的预期瞬态（ATWT）。为此，AP1000核电厂中专门设置了与PMS系统存在多样性的多样化驱动系统（DAS）来防止CCF的发生。
1 DAS
DAS系统是一个非安全级的I&C系统，其作为PMS系统的一个多样化的后备，采用专用的传感器进行数据采集、处理和运算并与PMS相隔离，在PMS系统因CCF而失效时，实现反应堆停堆（RT）和选定的专设安全设施的驱动（ESF）来降低严重事故的发生概率以支持AP1000风险目标。
2 系统功能
DAS系统主要执行信号采集、计算、定值比较、符合逻辑、RT和ESF功能实现和维持电厂处于安全停堆工况，采用二取二逻辑。其主要具有以下功能：
（1）自动驱动功能：当规定的电厂参数超过整定值时，触发反应堆停堆，并驱动选定的专设安全设施（ESF）。
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图1 DAS系统控制功能图
（2）手动驱动功能：在运行和控制中心系统（OCS）的主控制室内的DAS盘和就地处理柜1的面板上均提供手动触发反应堆停堆和驱动选定的ESF的手段
（3）专用指示功能：在DAS盘和处理柜1的面板上对选定的电厂参数提供指示。
如图1所示DAS系统的控制功能。DAS系统分别采集来自反应堆冷却剂系统（RCS）的热段高温度和稳压器低液位、蒸汽发生器系统（SGS）的宽量程低液位以及安全壳循环冷却系统（VCS）的安全壳温度信号，均采用二取二逻辑进行处理。当出现蒸汽发生器宽量程低液位、稳压器低液位或热段高温度信号时，DAS自动触发停堆和汽轮机脱扣，同时驱动选定的ESF。DAS的停堆方式与PMS保持多样性，其通过对棒电源机组进行脱扣来使反应堆停堆。当安全壳高温度信号出现时，DAS驱动选定的ESF。
2 系统结构
DAS系统设备主要包括位于主控制室内具有手动操作和指示功能的DAS盘、爆破阀控制柜和两个处理柜（1和2），其中处理机柜1具有就地控制和指示功能。DAS系统结构如图2所示。
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图2 DAS系统结构图
DAS系统机柜分别接受来自DAS盘和现场与PMS存在多样性的专用传感器的手动命令和过程信号，经过机柜的运算或逻辑处理之后产生停堆、汽机脱扣和选定的ESF驱动命令直接作用于执行机构。爆破阀控制柜只接受手动命令进行爆破阀的控制。
DAS盘接受来自系统机柜处理后所产生的信号进行显示和报警以满足操纵员事故工况下运行的需要。
另外，在计算机房间设置有专用的服务器用于数据存储和记录。
3 系统平台
DAS系统两个处理柜的信号调节和自动控制使用CS Innovations(CSI)公司的先进逻辑系统（ALS）。爆破阀控制柜采用专用的控制器和电路接受手动命令实现对爆破阀的充电和驱动。
ALS是基于机架的模块化控制系统，相关设备安装在DAS控制柜中，不使用微处理器或软件，采用现场可编程门阵列（FPGA）技术。一般，FPGA分为两种类型，即FLASH和SRAM型。在核电厂中需要考虑中子辐照的影响，而FLASH型FPGA对于中子辐照具有较优的免疫能力，所以其可以为ALS的应用提供最佳特性。ALS具有一个先进服务单元（ASU）,主要用于系统的维护和试验，ASU与ALS之间使用专用总线进行通信。ALS系统平台主要包括模拟量采集卡、数字量采集卡、热电阻/热电偶采集卡、逻辑处理卡、数字量输出卡和通信卡等设备，DAS系统平台的结构如图3所示。
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图3 DAS系统平台结构图
4 技术特点
DAS系统具有以下技术特点。
（1）采用独立的传感器、控制柜和DAS盘，与其他控制系统不存在接口，输入接口只允许DAS系统的单向输出。
（2）自动功能采用二取二的表决逻辑以防止虚假驱动的发生。
（3）为了与采用数字化平台技术的PMS实现多样性采用FPGA技术。
5 结语
三代非能动AP1000核电厂DAS系统作为在事故工况下PMS系统失效时的后备系统，对于核电厂降低事故发生的概率和安全运行至关重要。
参考文献
[1] 林诚格，等. 非能动安全先进核电厂AP1000[M]. 北京：原子能出版社，2008
[2] 林诚格，等. 非能动安全先进压水堆核电技术[M]. 北京：原子能出版社，2010
收稿日期：2014-06-12

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