卢 建，佟 洁，周辰昊，朱鹏飞
（中核核电运行管理有限公司，浙江 嘉兴 314300）
堆外核测系统核仪表系统是核电厂安全重要仪控系统，通过设置在反应堆压力容器外的一系列中子探测器连续监测反应堆功率、功率水平和功率分布的变化，为操纵员提供在堆芯装料、停堆、启堆和功率运行期间的反应堆状态信息，并在中子注量率高和中子注量率快变化时触发反应堆停堆。核测系统的功能稳定性和设计合理性直接保障了机组安全稳定运行，避免机组停堆功能误动和拒动风险，方便中长期运维策略制定和故障定位，提高了排查和检修的精准性和有效性。
某核电在机组调试商运期间，堆外核测系统出现大量设备本身或与现场需求不匹配的问题，由于部分功能设计不合理或设备质量不满足要求，导致触发机组停堆的事件，在后续的系统风险识别、系统功能对标和外部专家交流中，对这类问题提出了解决措施和中长期的管理及优化的方案。
某核电堆外核测系统采用模拟电路式系统，其特点是将采集的物理量通过放大电路、滤波电路、运算电路、信号发生电路等方式转化为连续的电流或电压信号，但抗干扰能力差，易受到诸如电源、电磁干扰等环节影响，同时准确稳定的输出也受到电路元器件的可靠性和电路设计的科学性的影响。
该堆型核测采用2种类型的探测器，分别为硼比基数管和裂变室，岛内设置放大电路模块，岛外设置信号处理和输出模块，将采集到的计数率或电流，通过特定的算法转化为功率值参与显示或控制保护逻辑。
该核电厂堆外核测系统将脉冲值/电流值转化为功率以4～20 mA的电流形式送往保护系统参与控制保护停堆逻辑，功能是确保功率意外升高时系统能够自动触发停堆保护，实现堆内中子增殖和反应性的控制。目前控制与保护系统侧对接收数据的识别时，认为低/高质量位（＜3.8 mA）或高质量位（＞21 mA）同样触发停堆信号，或单通道识别板卡内故障时触发停堆逻辑，这与目前核测系统安全与保护功能概念不符。
3.1 问题分析
低质量位与高质量位产生是由板卡回路中元器件故障导致，在正常设计的回路中，4～20 mA的输出已覆盖各通道满量程的监视，不可能出现采集的堆内中子注量率转化的功率电流超量程情况，所以其高/低质量位也应归纳在通道故障的范畴内，符合原设计中通道故障触发单通道停堆逻辑设定。
在定期试验中将设备打到旁通进行试验的状态与整体设备不可用状态属于同级别的安全等级，在核安全分析或SPV设备失效分析时均可认为该时间段其功能失效，相应的停堆逻辑降级为1/2；
通道发生其他故障或高/低质量位故障时在对于整个通道功能认定上也应归纳为该时间段整体设备不可用状态，因此不应将其纳入触发停堆保护的逻辑中。
堆外核测系统自身的运行功能是指向操纵员提供反应堆在装料、启动、功率提升和停堆等状态下，在主控室给出相应的信号，以便操作员随时了解反应堆的状态和状态变化。在一列源量程或一列中间量程旁通、故障时，还具备其他至少一列源量程和至少一列中间量程保证对反应堆中子的监视，能够保证反应堆内裂变反应的状态及其变化，此时原设计的停堆逻辑并不会对反应堆的状态起到必要和有效的保护作用。
目前影响该核电机组的主要为低质量位限制（电路设计问题或波动），无论哪种状况均属于针对下限值的控制，在目前的反应堆安全保护设计逻辑中，除功率量程的负变化率报警停堆逻辑（主要由于高速的阶跃变化对堆芯和其他系统产生额外的负荷），源量程和中间量程均无对下行位置的停堆要求，因为下行意味着反应堆往更安全的状态过渡（例如，控制棒下插）；
另一方面源量程和中间量程的下限值意味着堆内极低的中子通量，此状态的变化率对设备的额外符合基本无任何影响。因此该状态的停堆是没有意义的，属于误动作停堆事件。
目前秦山核电一厂30万机组、秦二厂65万1#2#3#4#机组、方家山100万1#2#机组、秦三厂1#2#机组均无源量程、中间量程下限值停堆的控制保护逻辑的要求。核测系统通过测量计算进行逻辑判断，将最后结果直接以开关量程形式输出停堆信号至保护系统（秦二厂、方家山），或将核测模拟量信号送入保护系统进行逻辑判断后（秦一厂）；
其他模拟量信号（4～20 mA或0～10 V）则同时送至其他系统和各类显示，本身核测系统不参与控制保护。
对于通道故障的停堆风险逻辑，秦山核电一厂30万机组、秦二厂65万1#2#3#4#机组、方家山100万1#2#机组均采用源量程双通道不可用触发停堆（投用时P6前）、中间量程双通道不可用触发停堆（P10或P30前）。
3.2 优化方向
取消该机组堆外核测系统源量程1/2、中间量程1/2的高/低质量位触发停堆的逻辑；
将源量程、中间量程高/低质量位识别信号和通道故障的触发逻辑关联到设备旁通状态指示和逻辑控制；
增加对源量程和中间量程双通道高/低质量位或通道故障触发停堆的逻辑，如直接送至设备旁通则无需增加（例如，在功率量程原有2/4停堆逻辑基础上，出现1个通道故障后停堆逻辑变成2/3，2个通道故障1/2，3个通道故障停堆，功率量程可转化成假的2/4方式）。
该核电功率输出板卡原设计4～20 mA，实际现场最低值输出3.6 mA左右，保护系统识别低质量位故障触发定值为3.8 mA，可能触发单通道低质量位停堆或双通道低质量停堆，目前规避的措施为调整放大系数，强制将输出功率保持较高值（波动大），此方法失去了探测器反映堆内真实中子通量水平的意义，存在核安全监督的质疑，同时在操作层面风险高，后续中长期运行中是一个必须解决的问题。
4.1 问题分析
设备问题：根本原因为板卡电气回路设计问题，即使工厂调试满足验收要求，现场超量程后，内部元器件未预留足够裕量调整，无法通过现场调整元器件，例如，电位器或放大系数达到要求值。
设计问题：源量程采用计数率cps转化的功率充当保护计算的参考值，需增加一个转化系数（放大倍数），目前秦山压水堆或重水堆核测源量程的保护定值均采用计数率cps信号。原理上无论是计数率还是功率通过理论计算均是可行的，但在输出功率电路的实现上存在误差较大、指示不稳定等因素，无法准确地判断源量程真实的显示，通道调整转化系数来规避停堆定值的方法从长期核安全的角度是不可取的，原则上应使用能真实反映堆内中子情况的保护定值来保护堆芯，由于源量程计数率与功率转化后精度低，不应将功率用作保护定值选取。
操作问题：模拟电路板卡旋钮（电位器）多次调整以适应现场功率需求，会造成旋钮的回差增加、放大系数不准、设备故障等额外风险，不利于机组长期稳定可控的运行，也增加运维人员检修与调整的风险。
4.2 优化方向
针对该机组核测系统功率模拟板卡现状提出以下建议。在现场经验充足情况下，放大倍数能基本满足停堆定值需求或与中间量程匹配时，则记录和保持该定值，短期内无论启停堆或功率运行，不对其进行调整。重新设计功率输出板卡，使其能正常输出4～20 mA的标准功率信号。更改保护侧接收功率输出板卡定值的限制，使其适应现场实际情况，例如，现场最低3.4 mA，将保护低质量位更改为3.2 mA或3 mA。如需考虑设备波动导致超低限位的情况需增加裕量，将保护低质量位更改为1 mA，此方案或具体值需经专家与设计院研究讨论确定，同时在质量位停堆逻辑已从1/2变为2/2情况下双通道同时由于偶发波动导致停堆的可能性将大大降低。由于功率处理后输出的不准确性和不稳定性，可考虑将计数率cps值替代功率输出值送给保护系统参与计算，在4～20 mA的含以上两者均采用log计算方法，按照理论两者相同电流代表的含义一致，使用原始值（计数率cps）来参与保护根据实际保护意义，其保护定值也可按照换算后的计数率或特定计数率来确定下来。
某核电机组核测系统标定工作初始标定、中间标定和最终标定。初始标定是在P6信号前后对源量程和中间量程功率数据值偏差在2倍之间，中间标定是在零功率物理实验期间利用实际功率标定源量程中间量程功率量程指示，最终标定是在一定功率平台或满功率情况下标定源量程中间量程功率量程指示。功率标定工作使用热功率或实际功率来标定功率量程的显示，利用放大系数的调整，使输出功率与实际功率一致，同时使用功率量程标定完成的功率完成对中间量程和源量程的标定功率，均使用放大系数进行调整。
5.1 问题分析
目前秦山核电采用的标定策略为使用热功率（实际功率）来标定功率量程（定期修改2M，偏差1.5%，夏天内控偏差0.5%），使其能够精确地反映功率的真实状态，使用功率量程（热功率）来标定中间量程的功率（两者超过5%调整），中间量程与源量程之间的标定，无特定验收需求，两者之间的要求只有1个量级的重叠和P6信号正常触发（内控10 000 cps左右或25 000 cps左右）。与秦山核测的对比，目前该机组未来标定存在的问题就是源量程和中间量程之间的功率偏差，在临界时的初始标定后（源量程和中间量程），可以避免低质量位和安全的触发P6信号，确定了源量程和中间量程的放大系数（例如，源量程6、中间量程10），但在后续的功率运行期间必然会重新对核测系统功率量程进行标定，对功率量程和中间量程进行标定，就必然影响到对中间量程放大系数的调整（例如，将中间量程10调整到8）。此时，源量程的标定就存在问题，若进行调小标定（例如，将6调整到3），则在降功率期间存在质量位停堆风险；
若进行调大标定（例如，将6调整到8），则在降功率期间存在高中子停堆风险（P6消失时）。
5.2 优化方向
对源量程或中间量程的标定方式或验收准则进行调整。
5．2．1 功率运行期间取消源量程的标定
源量程在P6后退出运行，其功能也只是在低功率期间对反应堆状态进行监测，由于探测器性能关系与功率的转化也是非线性变化的，因此在高功率期间对源量程的标定没有实际意义。
5．2．2 调整源量程与中间量程之间的标定方式
理论上，无论是利用计数率或电流标定，还是利用换算后的功率标定都是可行的，实际电路换算后的值由于模拟电路原因差别较大，无法真实反映堆内情况，源量程期间的计数率是一个可靠标准参量，实际转化成功率后误差较大（实际功率太低，只有0.001%Pn量级的指示），参考值意义不大。因此，针对该核电厂堆芯功率特点，仍可参考秦山压水堆核电站源量程在低功率期间的显示和安全定值，均采用计数率作为源量程对反应堆内部中子水平的监测参数。中间量程P6的设定，只要满足在一定的范围内（例如，源量程500～1 000 cps）正常触发即可，此时无论设定功率值还是特定中间量程电流值均可（因为中间量程触发P6时的电流或转化的功率都是较为准确的值），目前秦山核电30万机组和秦山二期1#2#3#4#均采用中间量程10e-10A作为定值参数，方家山核电1#2#中间量程采用10e-5A作为定值参数，都是为了保证在可靠堆功率下源量程能正常切除或触发。
5．2．3 维持现状
在现场经验充足，源量程、中间量程、功率量程存在恰到好处的比例关系，能够保证各自在一定的放大倍数下，各通道均能正常触发和显示相应的功率和报警，则无需对此进行修改，按原本设计执行即可。
5．2．4 临时恢复
在功率下行时，选取合适的功率台阶根据升功率历史标定值将源量程和中间量程的标定值进行恢复，该临时恢复措施需建立在一定的生产运行经验下，因为上行期间的标定值是在较为稳定和上行的工况下执行，下行的工况和中子变化情况不能完全参考此标定值，调整的放大倍数需留取足够的阈度，此项操作风险较高。
6.1 设备分级
堆外核测系统作为核安全相关SPV关键敏感设备，需将系统设备颗粒度细化到零件级别，以功能分析和边界划分为基础，结合故障模式和故障波及范围，识别出部件级别设备的“关键度”。设备分级是后续工作环境分级、工作频度分级和维修窗口等预防性维修项目或缺陷型处理项目的指导文件，在程序上为后期工作项合理性、安全性和方法性提供依据。
6.2 设备台账
对于新建机组或改造项目的设备，需从项目初期建立详细的设备台账，精确到单一设备零件或组件，此台账不仅涵盖到货库存备件的出厂日期、设备编码、版本等能够识别到唯一部件的信息，还应包含目前应用到现场的所有设备部件和故障更换下的设备，使得该系统所有设备的身份信息和使用情况均能有据可查，这对于同批次卡件故障排查、不同批次卡件性能对比等预维工作有着重要意义。
6.3 故障台账
经过数百堆年的应用运行经验，核测系统积累了必要的现场运维策略，其中最重要且有效的就是建立系统故障台账。核测系统关系着核电厂的安全稳定运行，在不同工况下均有着设备故障后触发包括停堆、时限退防的要求，这就对运维部门提出了精准定位故障、最短时间处理故障的要求。故障台账的建立可以加快提升设备运维人员的专业能力、减少人员更替后的经验流失、完善和积累现场宝贵生产资料的传承，在故障出现的第一时间发现问题、提供标准的检修方案、减少现场检修时间，高效解决现场隐患、保障机组安全稳定运行。
6.4 预维策略
预防性维修项目是堆外核测系统商运后的必不可少的环节，项目策略需从维修项目的频度、内容、工作资质、时间、执行条件、风险等各方面加以考虑，围绕系统预维大纲的基础上，结合各电厂预维经验和厂家建议，制定定期的维护项目。对于超出定期范围内的临时预维项目或小范围检修项目，也需依据设备分级、设备台账和故障台账内容，制定有效的检修方案、安排合理的检修时机和时间，完成临时预维项目计划内容。
某机组堆外核测系统调试中出现的3个主要问题，影响机组启堆、临界、零功率物理实验、停堆等，在一定程度上延误了机组顺利并网发电的时间。从问题和解决措施上给出了各项分析和建议，一方面希望该内容可作为某电厂现场实施的专家依据，同时作为该核电机组核测系统中长期设备管理和优化方向的参考，另一方面对于其他新建机组或改造项目的设计提供必要的借鉴，设计单位在技术实现上做好充分的调研和安全分析，加强与实施单位在项目沟通、现场实施、后续维护上充分的交流，脱离于实际应用的科研成果在工程转化上会造成人力、时间、经济等资源的浪费，也给后续的管理和优化增加了更大的困难。
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