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反應堆保護系統(tǒng)11/19/20221一、概述反應堆保護系統(tǒng)(RPR)的功用:保護三大核安全屏障(即燃料包殼、一回路壓力邊界和安全殼)的完整性。當運行參數(shù)達到危及三大屏障完整性的閾值時,緊急停閉反應堆,必要時啟動專設安全設施。1、系統(tǒng)組成

反應堆保護系統(tǒng)RPR是廣義的反應堆保護系統(tǒng)的一部分,它包括那些為了保護反應堆,根據(jù)電站參數(shù)變化而操作緊急停堆斷路器和專設安全設施執(zhí)行機構的全部電氣設備。11/19/20222廣義的反應堆保護系統(tǒng)還包括過程儀表系統(tǒng)SIP和核儀表系統(tǒng)RPN中有關保護參數(shù)的傳感器及模擬電路。由保護系統(tǒng)控制的安全設施包括;——蒸汽管道隔離裝置;——主給水隔離裝置;——安全殼隔離裝置;——安全注入系統(tǒng);11/19/20223——安全殼噴淋系統(tǒng);——輔助給水泵;——柴油發(fā)電機。

2.設計準則在最終安全分析報告中,對核電站各種瞬態(tài)和事故進行了分析,把事件分為以下四類:

(1)工況I——正常運行和正常運行瞬態(tài)

(2)工況Ⅱ——中等頻率故障

(3)工況Ⅲ——稀有事故

(4)工況Ⅳ——極限事故11/19/20224各類工況是根據(jù)事件發(fā)生的頻率和對公眾的放射性后果進行分類的,如下表所示。

11/19/20225冗余性:具有相同保護功能的重復設置1、系統(tǒng)和通道的冗余安全監(jiān)測通道的冗余、安全邏輯裝置的冗余和整個系統(tǒng)的冗余等例如:在保護系統(tǒng)中廣泛采用二重、三重和四重通道及三取二(2/3)、四取二(2/4)等邏輯符合電路等。2、邏輯系統(tǒng)、執(zhí)行器和電源的冗余為了排除由于環(huán)境因素、電氣的物理現(xiàn)象相關影響,具有相同保護功能的重復通道之間應彼此獨立,保持物理(或實體)上的分離及電氣上的隔離,以免喪失冗余性。11/19/20227獨立性:在保護系統(tǒng)與控制系統(tǒng)乃至與其他系統(tǒng)之間,要求在電氣上和結構上是相互獨立的。邏輯系列A和邏輯系列B分別裝在兩個彼此隔離的房間,以實現(xiàn)物理隔離;模擬電路產生的邏輯信號經隔離耦合電路傳給幾個邏輯電路,以實現(xiàn)它們空間的電氣隔離。11/19/20228(3)多樣性多樣性包括功能多樣性和設備的多樣性。對每個預想的始發(fā)事件盡量用不同的物理效應或不同的變量來監(jiān)測。在某些條件下可用不同類型的設備來測量同一物理量,以便克服共模故障。(4)故障安全故障安全準則:當系統(tǒng)發(fā)生任何故障時仍能使之保持在安全狀態(tài)。例如,緊急停堆斷路器是在失去控制電源時動作(斷開)的,從而保證控制電源故障時反應堆是安全的。11/19/20229(5)邏輯符合保護系統(tǒng)的設計必須能夠滿足可靠性和安全性兩方面的要求。增加可靠性的一個重要方法是采用符合邏輯,它要求在采取保護動作之前必須有兩個或兩個以上的冗余信號相符合。采用符合邏輯也便于進行在線測試,因為在此情況下,通道或裝置可斷開進行測試而無需用跨接線進行短接,以防止觸發(fā)保護動作。11/19/20221011/19/202211

(6)可試驗性和可維修性保護系統(tǒng)應用冗余度的目的是為了使它們在發(fā)生一些故障之后還能繼續(xù)運行。但是,為了能發(fā)現(xiàn)和修理故障的元件,防止故障積累,導致總的保護系統(tǒng)故障,故需要定期作試驗。保護系統(tǒng)的冗余性為在線測試提供了可能性。在線測試主要有:針對儀表系統(tǒng)的T1測試,針對邏輯單元的T2測試和針對執(zhí)行器的T3測試。通過測試可及時發(fā)現(xiàn)故障并及早排除。11/19/202212

3.邏輯圖標識核電站的圖紙資料中有大量的邏輯圖。邏輯圖中各種邏輯門符號和定時器符號。這些符號在反應堆保護系統(tǒng)中也大量使用。(1)“與”門有2個以上輸入信號。輸入信號全為1時輸出才是1。只有當全部輸入信號同時發(fā)生時,輸出才發(fā)生。(2)“或”門有2個以上輸入信號。輸入信號全為0時輸出才是0。輸入信號只要有一個或一個以上發(fā)生時,輸出就發(fā)生。11/19/202213(3)“非”門有1個輸入信號。輸出信號的電平與輸入相反。(4)符合門有2個以上的輸入信號。對于左邊的標識,當輸入信號中為1的數(shù)目大于等于框中所標數(shù)值時輸出為1。對于右邊標識,分母代表輸入信號的數(shù)量,分子代表使輸出為1的最少輸入信號為1的數(shù)目。11/19/20221411/19/202215(5)記憶門實際上是觸發(fā)器,有兩個輸入端,一個稱置1端,一個稱復0端。置1端脈沖前沿將其輸出置為1,復0端脈沖前沿使輸出為0。輸出狀態(tài)決定于最后來的信號。(6)前沿延時定時器輸出前沿在輸入前沿t秒以后出現(xiàn),后沿同輸入后沿。(7)后沿延時定時器輸出前沿與輸入同,后沿在輸入后沿t秒后出現(xiàn)。11/19/202216(8)前后沿延時定時器輸出前沿在輸入前沿t1秒后出現(xiàn),輸出后沿在輸入后沿t2秒后出現(xiàn)。11/19/202217二、反應堆保護系統(tǒng)原理簡述一個過程參數(shù)(如溫度、壓力、液位、流量等)用多只探測器探測,其中供反應堆保護系統(tǒng)用的至少兩只(如源量程探測器和中間量程探測器),最多4只。探測器信號送往各自儀表柜,由模擬電路產生模擬顯示、控制信號,由閾值繼電器產生邏輯輸出信號,由接口電路分成兩個在電氣上沒有聯(lián)系的邏輯信號。兩個邏輯信號分別送往安裝在不同房間的對應保護柜中。11/19/202218斷路器控制棒驅動機構電源系統(tǒng)380V電源11/19/20221911/19/202220在保護柜中,經過符合門,輸出兩個在電氣上沒有聯(lián)系的邏輯信號,它們分別到控制A,B兩個通道的緊急停堆斷路器。邏輯信號為1時(其電平為低電平)使緊急停堆斷路器的失壓線圈斷電,切斷了控制棒驅動機構電源,使控制棒在約3秒鐘內全部落入堆芯。緊急停堆斷路器由兩臺電動發(fā)電機組供電,機組上帶有飛輪,作用是在供電電源LKA或LKB瞬間斷電時仍能維持對控制棒驅動機構的供電。11/19/202221三、緊急停堆保護綜述1、ΔT保護ΔT保護是采用限制反應堆進、出口溫差的方法來保護燃料包殼的一種緊急停堆保護。燃料包殼損壞的原因主要是超溫燒毀,而超溫燒毀的原因主要有兩個:(1)燃料芯塊局部功率過高而使其局部熔化。(2)包殼表面產生沸騰危機,即偏離泡核沸騰,致使局部因傳熱不良而燒毀。11/19/202222沸騰危機:由于沸騰機理的變化引起傳熱系數(shù)陡降,導致傳熱壁面溫度驟然升高的現(xiàn)象稱為沸騰危機。發(fā)生拂騰危機時的熱流密度稱為臨界熱流密度。偏離泡核沸騰(DNB):泡核沸騰在熱流密度足夠大時突然轉變成膜態(tài)沸騰,它發(fā)生在含汽率很低或者欠熱的液體中。膜態(tài)沸騰的傳熱系數(shù)很低,使壁面溫度升高而燒毀。11/19/202223根據(jù)這兩種原因,ΔT保護分為超功率ΔT保護和超溫ΔT保護。ΔT保護動作在ΔT實測值升高到等于或大于ΔT整定值時發(fā)生。三個環(huán)路中有兩個發(fā)生了ΔT超功率或ΔT超溫工況則立即緊急停堆。ΔT整定值是根據(jù)一回路有關參數(shù)由公式計算出來的。不考慮動態(tài)過程的簡化計算公式如下:11/19/20222411/19/2022252.核儀表系統(tǒng)提供的保護(1)源量程緊急停堆在反應堆停堆期間和啟動初始階段,保證中子注量率10-19%到10-30%FP的測量。源量程核儀表提供的緊急停堆保護措施主要用以防止誤稀釋或誤操作而引起的后果。在沒有閉鎖和通道抽屜未抽出時,中子注量率測量計數(shù)率增加到105s-1時,即產生緊急停堆信號。某一通道抽屜抽出,說明該通道正在進行試驗,故閉鎖經該通道的緊急停堆信號。當兩個通道完全抽出,這是不允許的,故需緊急停堆。11/19/202226當中間量程中子注量率達到相當于10-5%Pn時P6出現(xiàn),允許用閉鎖開關閉鎖源量程緊急停堆,使功率得以繼續(xù)提升。當堆功率降到源量程緊急停堆閾值以下時,有時需啟用源量程顯示儀表,可將閉鎖開關置向解鎖位置一次。為了防止功率大于10%時錯誤進行解鎖操作而引起緊急停堆,故用P10信號來閉鎖源量程緊急停堆。當功率下降到P6閾值時,源量程高壓電源接通。為了避免在接通高壓電源啟用源量程測量線路瞬間產生高于源量程緊急停堆閾值的峰值功率而引起誤緊急停堆,閉鎖電路中加有一個

10s延遲環(huán)節(jié)。11/19/202227(2)中間量程緊急停堆保證中子注量率從2×102到5×1010n/(cm,·s)(或10-6%到100%FP)范圍內的測量。中間量程緊急停堆的功用與源量程的相同,閾值為25%Pn。測量通道的抽屜試驗時的閉鎖和緊急停堆的原理也與源量程一樣。P10出現(xiàn)后允許手動閉鎖。(3)功率量程緊急停堆功率量程緊急停堆(低閾)與中間量程的一樣,是一種冗余。11/19/202228保證堆芯上部、下部以及平均中子注量率的冗余測量,測量范圍可覆蓋從5×102到5×1010n/(cm2·s)(10-1%到200%FP)。功率量程緊急停堆閾值為109%Pn(高閾)是超功率保護的另一種形式(直接形式),不能閉鎖。(4)中子注量率變化率高緊急停堆代表堆功率變化趨勢、快慢和反應堆所處的狀態(tài)。通常用周期表測量,顯示中子注量率變化一倍的時間(倍增時間)。T=∞說明堆功率為常數(shù),反應堆處于臨界狀態(tài)。T為正值表明功率增加,T為負值表明功率減少。11/19/202229如果倍增時間為一過小的正值,說明反應堆功率增加過快,容易引起失控。所以,在啟堆升功率期間一定要時刻監(jiān)視倍增時間,禁止其小于18s。中子注量率變化率高緊急停堆是為了限制彈棒或掉棒事故后果。當前功率與經時間常數(shù)為2s的延遲環(huán)節(jié)的功率之差超過±5%Pn時產生緊急停堆動作。這是一種瞬時信號,所以用記憶環(huán)節(jié)記憶?,F(xiàn)場有記憶環(huán)節(jié)的復位開關。11/19/2022303.環(huán)路流量偏低的保護反應堆冷卻劑流量低會使反應堆冷卻不良,進、出口溫差增加,造成包殼燒毀,所以必須進行保護。流量低有兩個現(xiàn)象,第一是泵電源斷路器斷開;另一個是轉速下降。(1)單環(huán)路流量偏低保護當堆功率大于30%Pn時,出現(xiàn)允許信號P8,但此時如果一個環(huán)路流量低于額定值的88.8%(三臺檢測儀表有二臺達到閾值)或一臺主泵斷路器打開,則發(fā)生緊急停堆動作。也就是說,如果堆功率大于30%Pn,則必須三個環(huán)路都正常運行。11/19/202231(2)雙環(huán)路流量偏低保護當堆功率大于10%Pn,或汽輪機功率大于額定值的10%時,出現(xiàn)允許信號P7。此時如果有二個環(huán)路流量低于額定值的88.8%或主泵轉速低于1365r/min或主泵斷路器打開,則發(fā)出緊急停堆動作。4.穩(wěn)壓器和蒸汽發(fā)生器參數(shù)異常引發(fā)的保護(1)穩(wěn)壓器壓力高保護目的:防止一回路超壓,保護一回路壓力邊界。三臺壓力測量儀表有兩臺測得的表壓力高于16.45MPa時,則產生緊急停堆保護動作。11/19/202232(2)穩(wěn)壓器水位高保護堆功率大于10%Pn時(P7信號出現(xiàn)),如果三臺測量儀表有兩臺測得的穩(wěn)壓器水位高于2.48m(滿量程水位的86%),則產生緊急停堆保護動作。因為水位偏高會降低穩(wěn)壓器控制壓力的能力(蒸汽空間減少),所以它是穩(wěn)壓器超壓的先兆。11/19/202233(3)穩(wěn)壓器壓力低保護這個保護動作也是在P7允許信號下,在測量儀表三取二符合邏輯下,當穩(wěn)壓器絕對壓力低到13.0MPa后發(fā)出的,用來防止偏離泡核沸騰,保護燃料包殼。(4)蒸汽發(fā)生器水位低保護如果蒸汽發(fā)生器水位調節(jié)系統(tǒng)出現(xiàn)故障(給水流量降低或喪失),引起汽水流量不平衡,造成蒸汽發(fā)生器水位偏低,使二回路吸收一回路能量的能力降低,將導致一回路溫度和壓力上升。11/19/202234只要在一臺蒸汽發(fā)生器的四個水位測量線路中有兩個測量值低于保護閾值,就產生緊急停堆動作。只要一臺蒸汽發(fā)生器的兩個水位測量值之一低于保護閾值且同臺蒸汽發(fā)生器的蒸汽流量與給水流量之差超過保護閾值時,產生緊急停堆保護動作。(5)蒸汽發(fā)生器水位高高保護

蒸汽發(fā)生器水位高高出現(xiàn)的原因主要是給水流量控制系統(tǒng)故障,另外蒸汽管道破裂或蒸汽流量突然增加引起的假水位現(xiàn)象也可能產生蒸汽發(fā)生器水位高高信號。11/19/202235蒸汽發(fā)生器水位過高的危害有:蒸汽品質惡化;如果發(fā)生蒸汽管道破裂會引起安全殼瞬態(tài)超壓和一回路過冷。只要一臺蒸汽發(fā)生器水位高高(四取二),就會出現(xiàn)允許信號P14,它使汽輪機脫扣和主給水隔離;如果同時存在P7允許信號,則產生緊急停堆。11/19/2022365.汽輪機脫扣引發(fā)的保護汽輪機脫扣會使一、二回路功率瞬時失衡,使一回路溫度和壓力迅速上升。這種現(xiàn)象在高功率運行時尤其嚴重。此時如果冷凝器不可用或GCT不可用,排放系統(tǒng)不能正常工作,則必須緊急停堆,以保護燃料包殼和一回路壓力邊界。(1)汽輪機脫扣對于保護系統(tǒng)來說,“汽輪機脫扣”的定義:三個低壓缸中有兩個的進汽截止閥全部關閉或三個保護油壓力測量線路信號中有兩個低于保護閾值。此時產生汽輪機脫扣信號C8。11/19/202237(2)冷凝器不可用冷凝器絕對壓力大于50kPa或噴水總管表壓力小于0.6MPa就稱冷凝器不可用,反之稱冷凝器可用。冷凝器可用產生的信號為C9,不可用為C9。(3)GCT不可用15個GCT排放閥上游的隔離閥中只要有一個未開啟、有蒸汽排放閉鎖信號存在或排放系統(tǒng)模擬電路未產生高于3℃溫差的排放信號,即認為GCT不可用。11/19/202238汽輪機脫扣引發(fā)的緊急停堆條件:堆功率大于40%Pn(出現(xiàn)允許信號P16),加上冷凝器不可用或GCT不可用。11/19/2022396.ATWT保護ATWT(AnticipatedTransientswithoutTriP)意為“停堆保護系統(tǒng)拒動”。反應堆保護系統(tǒng)對事故工況(特別是Ⅱ類工況)的保護手段主要是緊急停堆,當緊急停堆保護發(fā)生故障時(例如當參數(shù)達到緊急停堆保護閾值但沒產生緊急停堆保護信號,或雖然產生了緊急停堆信號但緊急停堆斷路器未斷開)發(fā)生ATWT。停堆保護系統(tǒng)拒動的概率PATWT等于緊急停堆概率P1與緊急停堆保護故障的概率P2的乘積。11/19/202240在各種ATWT事故中,以失掉正常給水和失掉廠外電源這兩個ATWT最為嚴重,前者使一回路超壓,后者使DNBR降低。正常給水喪失可能是由于給水泵故障也可能是由于給水調節(jié)閥故障引起的。如果發(fā)生了喪失正常給水ATWT,則由于二回路吸收一回路熱量的能力下降而引起一回路溫度和壓力上升。為了限制這些后果,AT

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