商静董威苟晓龙

（深圳中广核工程设计有限公司，广东深圳518172）

摘  要：RCC -P中要求核电厂要设计棒位测量与指示系统，用来测量、指示控制棒在堆芯内的高度，处理相关的报警指示以及测量落棒时间等。为了满足反应堆安全运行的要求，确保核电厂的经济性，需要不断完善、优化棒位测量与指示系统的设计。目前CPRIOOO核电厂中棒位测量与指示系统RPI总体运行状况良好，同时也暴露了一些弊端。通过对以往CPRlOOO中RPI在安装、调试、运行过程中遇到的问题进行调查、分析、总结，从系统功能、设备实现法案、信号处理、施工设计等方面提出若干合理化改进措施，为我国自主设计三代核电技术中的RPI系统提供参考建议。

关键词：核电厂CPRIOOO安全系统棒位棒控探测器传感器

中图分类号：TH7；TP21 文献标志码：A DOI：10.  16086/j  cnki.  issnl000  - 0380. 201511022

Abstract:In RCC -P,the rod position measurement and indication system shall be designed in nuclear power plant for measurin~; and indicating the height of control rod in the core, handling relevant alarms and measuring the rod drop time, etc.  In order to meet the requirements of safety operation of the reactor, and guarantee economic performance of nuclear power plant, continuous improvement of the design of the rod position measurement and indication system is necessary. At present, the operating conditions of rod measurement and indication( RPI) systems in CPRIOOO nuclear power plants are good, but some malpractices are also exposed, through investigating, analyzing and summarizing the problems in installation, commissioning and operation processes of RPI in CPRlOOO, some rationalizing improvement measures are  proposed from the aspects of system functions.  equipment implementing scheme,  signal processing and construction design,  etc., to provide reference suggestions for independently designing RPI systems in our 3rd generation nuclear power technology.

Keywords: Nuclear power plant  CPRlOOO  Safety system  Rod position and rod contiol  Detector  Sensor

O引言

 法国90万kW压水堆核电厂系统设计和建造准则RCC -P第2.1.1.3.3章节中针对核电站中反应性控制明确规定：堆芯反应性控制方案应具有功能多样性，即能保证在各种正常运行工况下（包括从临界到功率运行，再到停堆过程）使用功能多样化的两种手段控制堆芯反应性。一种手段是由控制棒组件构成，另一种手段是通过一回路冷却剂中可溶毒物的浓度变

化来实现。同时，第2.1.1.3.6章节中要求能够给出有关反应性控制的信息，即给出控制棒位置的明确信息。2.1.1.3.3章节针对紧急停堆状况，要求控制棒落入堆芯的速度应足够快，以保证符合各种设计基准运行工况的有关准则。控制棒的落棒时间应小于在这些设计基准工况分析中所采用的时间。为满足上述要求，法系的核电站中均设计了控制棒控制、指示系统，系统在控制堆芯反应性的同时，获取控制棒在堆芯的位置信息并进行落棒时间测量。

 CPRIOOO核电厂中棒位指示系统RPI作为棒控棒位系统RCL的一个子系统，用于指示控制棒在堆芯内部的实际高度，并将棒位及其相关的报警信息送到主控室内供操纵员参考，引导操纵员正确操作。同时，该系统设计了落棒时间测量功能，通过测量落棒时控制棒驱动杆在棒位探测器初级线圈中的感生电动势来反映落棒时间。本文首先简要介绍RPI系统的功能以及硬件设备组成，然后针对现有设计方案的优缺点进行分析、总结，并提出针对性的改善建议。

1棒位指示系统RPI简介

 根据RCC -P的要求，棒位指示系统RPI不执行核安全功能，仅在机组正常运行工况下对堆芯内部控制棒的棒位进行监测，并对控制棒的落棒时间进行测量。因此．CPRIOOO核电厂将该系统定义为非安全级系统。1.1 RPI系统功能

 CPRlOOO中RPI的功能可分为4个部分：首先负责61组控制棒的棒位信息采集及计算；其次将上述信息通过网络发送给操纵员及其他接口系统；此外负责棒位相关的信息处理以及故障管理，如需求棒位和测量棒位间的偏差、控制棒失步报警等；最后在换料后起堆过程中配合专用工具测量落棒过程中各阶段(t4、t5、t5、t6)的时长，检查是否满足安全分析的要求。

1.2 RPI的硬件组成

 CPRlOOO中RPI的硬件设备主要由61根棒位探测器、棒位测量设备（PME机柜）、棒位处理装置（PPE机柜）及其之间的电缆、服务器组成，如图1所示。

 PME机柜是一个三联柜，柜内设有21个CMPB20机架、61个电源模块MCP10以及61个译码器MCP22。每个CMPBzo机架内可以安装3个MCP10和3个MCP22（其中有1个机架内仅装1个MCP11和1个MCP22）。MCP10模块负责给棒位探测器初级线圈供电，MCP22负责接收和整形来自61个棒位探测器的测量信号，将其转换成为葛莱码形式的棒位信号，送给棒位处理机柜。

 PPE机柜使用的是配有冗余CPU和I/O模块的PLC，负责接收来自PME的葛莱码棒位测量信号，并对其进行逻辑处理，如当需求棒位和测量棒位存在偏差时产生报警信号等。同时该机柜需要将上述棒位及报警等信号传递到其他相关接口系统上，如KIC、BUP、RCS等。棒位处理柜与外部接口传递信号的方式有以下几种：一是硬接线，二是系统自身组建的环网，三是通过本机柜内部的网关与DCS进行通信。

 CPRIOOO中使用的棒位探测器是由1个初级线圈和31个次级线圈组成的差分变压器型的棒位探测装置，棒位探测器测量原理如图2所示。初级线圈内是正弦交流电，用来提供一个稳恒的磁场。31个次级线圈等间距地分布在初级线圈外，次级线圈的平面垂直于初级线圈的中轴线方向。任意两个相邻次级线圈间距为P（如图2中S1和S2的距离），当金属控制棒驱动杆从左向右移动时，S1与S2线圈内的感生电动势U1、U2就会随着控制棒驱动杆的位置x而变化。如果S1与S2线圈的绕线反向相反，将U1与U2的差值作整形后的信号即为图2中的输出信号。由图2可知，当控制棒驱动杆的位置x< -p或者x> +p时，输出信号为0，当-p <x< +p时，输出信号为l。这31个次级线圈分为A、B、C、D、E共5组，每个组内的线圈彼此串联，如图3所示。这5组线圈的输出信号就组成了一个5位的葛莱码，其中每组线圈分别代表5位代码系统中的1位。葛莱码编码方式的最大优势在于清楚、明确，不易出错，棒位在连续变化的过程中每一

次只需有一位代码进行跳变，这样大大降低了控制棒移动过程中由于多位代码同时跳变而出错的几率。由于31个线圈彼此间距P为127 mm（8个机械步），则理论上该种类型探测器的分辨率为ip/2=±64 mm（±4个机械步）。

2RPI系统设计方案的不足与分析

2.1 RPI系统功能设计

 目前，二代核电CPRlOOO中RPI为非安全级系统，其棒位信号仅做指示和报警功能，不参与其他系统的逻辑处理。相比之下，三代核电某些堆型中RPI系统除了用于处理控制棒棒位的测量，将棒位测量结果提供给反应堆控制、监测和限制系统以及落棒时间测量设备以外，它的棒位测量信号已经开始用于保护系统(PS)中。随着棒控系统功能的多样化，棒位信号的应用也变得越来越广泛，棒位探测也显得尤为重要。在自主研发三代堆型时，可以充分开发棒位信号的利用价值，使之在控制系统和保护系统中有更加广泛的应用。如当反应堆出现跳堆时，棒位指示系统可以实时进行落棒探测，给出落棒时间测量值；此外可以考虑用棒位测量信号参与反应堆保护系统或者反应堆控制系统的相关逻辑，如用棒位信号来产生ATWS信号，参与化学容积控制系统的隔离等。不过，如果将棒位信号应用于保护系统，则需要提高系统的安全级别以及硬件设备的等级，其造价也会相应地提高。设计人员需要找到系统功能以及成本间的平衡点，综合考虑最优方案。

2.2 RPI系统YK处理设备的实现

 CPRlOOO中的RPI作为第三方系统独立于DCS平台，与DCS间的通信需要通过双方的网关来实现，这样容易出现较多的接口问题。工程中遇到的典型事例就是RPI系统最初设计了对自身网关状态监测的报警信号，然而到货的设备发现该报警无法触发。究其原因是RPI自身设计的两个冗余的网关无法彼此进行监视，以至于正常工作的网关无法将异常网关的信息传递出去，而异常的网关本身自然也无法将报警信号传递给DCS。该问题最后只能通过修改DCS的组态方案，用DCS来监测两者间的通信异常状态并触发相关报警来解决。虽然该问题不难解决，但是会涉及设计、采购、厂家等多方人员，尤其牵涉合同变更的问题，

给工程项目带来不必要的麻烦。另一个案例CPRIOOO中，RPI系统没有设计时钟授时，而是通过将送给DCS的信号在DCS网关内打时间标签，再记录于KIC日志中的方式解决日志时间同步问题。用户对此提出异议，用户认为与DCS存在通信的第三方系统均需要授时，以确保系统内的时间日志和DCS严格保持同步。由此可见，将RPI作为一个单独的第三方系统进行设计，引入的接口问题众多，难以规避。

 调研其他三代堆型，将RPI的棒位处理功能放在DCS平台中实现是一种常态化的设计。如EPR中RPI放在安全级DCS平台TXS中实现，可以避免众多接口问题，使设计更为简单，也降低了硬件设备的成本。因此未来新堆型的系统设计中需要设计人员对此问题进行深入思考。

2.3棒位探测器的改进

 前文已经对CPRlOOO中使用的棒位探测器作了详细的介绍。从前文可知，此种棒位探测器只能给出以葛莱码为基础的数字量棒位信号，但无法实现对棒位的连续测量，其测量精度仅在±8步之间。在未来的新堆型中，可以考虑提高棒位探测器的测量精度，甚至可以使探测器对棒位实现连续测量。目前，某些三代堆型中的棒位探测器已经可以实现上述功能，此种探测器由1个初级线圈和3个次级线圈组成，其中两个次级线圈（辅助次级线圈）用来指示控制棒在堆内最顶端和最底端；第三个次级线圈（主次级线圈）覆盖整个棒位探测器的有效测量范围，棒位测量信号就来自于这个线圈与初级线圈内磁场的耦合作用。当初级

线圈内通以稳定的正弦交流电时，次级线圈内即可测到感生电压，即从次级线圈中可得到一个连续测量的模拟量棒位信号，该电压信号大小基本正比于控制棒驱动杆的位置。经过棒位处理模块的计算与修正后，该类型的棒位探测器测量精度有显著提高。也有些三代核电堆型中虽然仍然延续了数字量棒位信号的传统设计方案，但其设计了两组棒位探测线圈，A组和B组线圈，这样既提高了系统的可靠性（冗余设计），又提高了棒位测量信号的精度。

 正常情况下，两组探测线圈同时使用，棒位指示的分辨率能达到土3步。即使其中一组线圈出现故障，仅使用另一组探测线圈，损失一半的精度，分辨率也可以达到t6步，同样也能保证系统的正常运行[6-9]。可见，三代核电中进一步提高棒位探测器的稳定性以及精度是业界的发展趋势。

2.4 110卡件内棒位信号分配方案

 以往工程项目中曾发现CPRlOOO使用的棒位处理机柜PPE中设有两个I/0机架，每个I/0机架配置1块电源模块给整个机架的I/0卡件提供工作电源。其中，I/O机架1负责处理温度棒和停堆棒共33束控制棒的棒位信息，I/0机架2负责处理28束功率棒的棒位信息。而同一块I/0卡件内常常分配了同一子棒组内的4束棒位信号，甚至是同一子组内的6束棒位信号。这样的信号分配方案，在I/0机架的电源模块掉电时会丢失约一半（28束或者33束）的棒位信号，如果其中某- 1/0卡件故障也会导致同一子组的4～6束棒位信号丢失。根据现有CPRlOOO核电厂运行技术规范的规定，如果一个子棒组有2个棒位指示器不可用或一个棒组内有3个棒位指示器不可用，这种状态将被定义超出运行技术规范，记为第一组I/O和LOE事件。即上文所述棒位信号丢失的问题一旦发生，造成第一组110 24 h内无法恢复，机组将进行后撤，这直接影响反应堆的运行品质和经济效益。为此，工程人员增加了2个1/0机架，将其修改成冗余配置，避免上述棒位丢失的风险。类似问题有必要在未来国产化设计时充分考虑，予以避免。如可以考虑设计两个冗余的棒位数据处理机柜，电子控制柜部分配有冗余的控制器，配备冗余电源、双冗余网络接口等，这些措施都可以作为解决上述问题的良好方案。

2.5施工设计中的优化

 目前CPRlOOO中RPI机柜放在标高为15.5 m的电气厂房，61根测量电缆从堆顶棒位探测器出发经过反应堆水池旁边的电缆转接板走桥架到电气贯穿件，再经过电气厂房最终到达棒位测量柜，整条路径61根电缆需要走约140 m的长度，这无疑给本就电缆托盘密布、空间紧张的电气厂房带来不小的压力。未来可以考虑从电缆选型、信号传输方式、机柜布置位置等方面予以优化，以期减少电缆的数量，降低施工工作量，进一步降低成本。如可以考虑将棒位测量柜与棒位处理柜在空间上分开布置，使测量柜尽量靠近贯穿件壳外附近，这样既可以缩短电缆路径，又可以降低信号被干扰的风险。此外，棒位测量柜和棒位处理柜之间也可以考虑换用网络信号通信，这样也可以大规模减少测量柜和处理柜间的电缆数量。总之设计人员要在确保系统安全可靠运行的前提下，尽量减少施工工作量，降低建造成本。

2.6落棒时间测量的优化

 目前，CPRlOOO中落棒时间测量采用的方案是：同时测量CRDM中保持线圈SC中的电流值以及控制棒下落过程中驱动杆在棒位探测器初级线圈中生成的感生电流，从上述两条电流曲线中用软件或者手动截取t4、t5、t5 、t6时间。这种测量方式受现场设备和电流采

集设备的影响较大，如果测出的电流曲线不够标准，则难以界定控制棒下落各阶段的时间点，这会给测量结果带来较大误差。另外，该测量方法需要将棒位探测器的初级线圈断电，即落棒时间测量与棒位测量互相冲突，无法同时进行。因此，在未来进行新堆型设计时，可以

考虑进一步完善该功能，实现随时监测落棒时间，另外可以考虑引入开关量信号作为落棒时间测量的时间点。