重水堆核电厂主控窗报系统卡件国产化的良好实践

黄 颖 郧绮雯 徐海心

（中核核电运行管理有限公司，浙江嘉兴314300）

0 引言

中核运行秦山重水堆核电厂主控室报警系统单台机组共有380个核心报警信号，用以监测电站重要系统及设备的运行状态，把现场异常状态和主控室盘台手动开关处于非正常位置的状态通过对应的声光报警表现出来，提醒操纵员根据报警响应进行相关操作。

系统原设计采用美国RONAN公司的SS2771系列报警装置，两台机组共配置报警卡926块、滤波卡38块、驱动卡38块、不一致卡76块。由于该系统没有冗余设计，加之重水堆核电站在大修期间堆芯始终有核燃料，主控操纵员必须时时监控机组的状态，一旦主控窗报系统出现整体老化共模失效，将严重影响操纵员对现场系统和设备的风险管控，对保障机组安全稳定运行带来不可估量的后果。为了提高电站设备的可靠性，秦山重水堆核电厂对主控报警窗系统的相关板卡进行了国产化改造。经过秦山重水堆核电厂仪控科和中科华核电技术研究院有限公司北京分公司历时三年多的共同设计开发和调试试验，首批及第二批国产化卡件（报警卡18块、滤波卡3块、驱动卡3块、不一致卡5块）已在秦山重水堆核电厂连续试运行两个大修周期（4年），目前故障率为零。

1 主控报警窗系统运行特点

系统由背面带有标示牌的灯箱、操作按钮以及安装于主控设备间的逻辑框架和卡件（报警卡、驱动卡、滤波卡、不一致卡）组成，现场触点报警的产生和控制过程有特定的次序。

1.1 主控室窗报系统运行基本原理

报警卡件持续监测就地触点状态的改变，并为声光指示提供驱动信号。卡件由外部无调节电源48 V直流电源供电，所有的按钮控制信号包括ACKNOWLEDGE、SILENCE、RESET、TEST，在到达报警卡件之前都先经过“FILTER”MODULE（滤波卡件）和“FLASHER/HORN DRIVER”MODULE（驱动卡件）。同时，进入报警卡件的还有现场逻辑信号以及从FSFF来的快闪和慢闪信号。卡件工作原理图如图1所示。

驱动卡件为系统提供多重闪烁信号，它包括四个CMOS震荡器，其中两个慢频、两个快频，通过两个快闪的红色LED和两个慢闪的绿色LED来检测。驱动卡件提供频率信号给报警卡件，当报警信号来之后，经过逻辑处理、比较后，产生闪烁信号AL，经驱动卡件到主控室报警窗。

图1 窗口报警系统工作原理图

每24块报警卡件组成一个报警机架，每一个机架有一个驱动卡件。它将闪烁及控制信号处理后输送到报警总线，同时提供声音报警继电器驱动。当报警信号经过处理产生闪烁信号的同时也产生了声音报警信号A1或A2。声音报警信号经过驱动卡件驱动，再经过滤波卡滤波后到达TONE GENERATER（音调发生器）产生音调，再经过放大器，最终形成喇叭报警声音。

1.2 窗报系统报警响应过程

报警系统分为开报和闭报两种，当现场触点状态发生改变，则触发报警，报警窗将快速闪烁，报警声音响起。当报警产生后，按下“SILENCE”按钮，报警声音被消除，此时，报警处于消音状态。然后按下“ACKNOWLEDGE”键，如果现场触点、依然处于非正常状态，则报警处于确认状态，在此状态下，报警灯常亮，报警声音消除。

当现场触点状态恢复正常之后，报警灯慢闪，报警声音间歇响起。按下“SILENCE”和“ACKNOWLEDGE”按钮，这时，报警窗慢闪，喇叭声消音。最后按下“RESET”按钮，报警灯光及报警声音均消除，报警窗进入正常状态。

2 报警窗系统近几年故障

随着系统卡件持续运行时间超过系统维修手册建议的10年使用寿命周期，误报、报警后不能正常复位等故障有逐年增多的趋势。

2.1 窗报系统报警卡件故障

窗报系统最常见故障就是报警卡故障，具体常见现象如下：

（1）报警出现时，对应的光字牌报警，但相对应的CI报警没有出现；

（2）报警出现时，对应的CI报警报警，但相对应的光字牌没有出现；

（3）相对应的CI报警没有出现，窗报出现瞬间报警；

（4）做窗报试验时，对应的光字牌没有出现快速闪烁—慢闪—灯灭的过程，光字牌一直保持灯“灭”状态（灯泡完好的前提下）；

（5）做窗报试验时，有窗口与其他窗口响应不一致。

处理以上故障时，要先明确对应的报警卡件是“常开”卡板还是“常闭”卡板，然后短接或断开卡件输入端端子（常开：短接；常闭：断开），改变触点状态，观察光字牌的状态是否翻转，如果状态没有翻转，就可判断出该报警卡件损坏。对以上故障更换下的卡件进行外观检查，发现板卡上有电子元件过热的现象。

2.2 系统驱动卡件和滤波卡件故障

驱动卡件提供频率信号给报警卡件，当报警信号来之后，经过逻辑处理、比较后，产生闪烁信号AL，经驱动卡件驱动到主控室报警窗。信号经过驱动卡件驱动后，经过滤波卡滤波到达TONE GENERATER产生音调，再经过放大器最终形成喇叭报警声音。

（1）做窗报试验时，某一排机架对应的24个光字牌出现闪烁故障（正常闪烁过程为“快速闪烁—慢闪—灯灭”）。

（2）做窗报试验时或者单独报警出现时，主控会伴有声音报警，来提醒操纵员有报警发出，正常按下“SILENCE”按钮，报警声音不能消除。

以上故障都是因为驱动卡元件老化造成。

2.3 窗报系统不一致卡件故障

不一致报警功能主要检查电站主控室盘台重要手动开关是否在正确位置，其主要适用于手动开关在不正确位置将对电站的安全性和可靠性产生直接影响的系统。主控室操作员进行控制盘目视检查时，不一致指示灯亮可以提醒有异常状况。

故障现象如下：当设备现场运行状况和主控手动开关不一致时，不一致灯亮，但没有声音报警。

综合近几年报警窗系统运行情况，卡件误报、报警后不能正常复位等故障有逐年增多的趋势。但原卡件采购费用高、周期长，一次性更换所有过期卡件的费用非常巨大，目前采用卡件故障后再更换的维修策略，这种维修策略在一定程度上给主控室操纵员对现场异常状况的掌控造成了困扰。

3 报警窗系统改造原由

3.1 温度高加速元器件老化

系统维修手册建议报警卡、驱动卡、滤波卡、接地卡等卡件的使用寿命为10年，报警窗系统自安装调试以来多次出现报警卡件故障，特别是在系统调试期间，电站空调系统没有投用，本系统存在机柜内没有通风扇等冷却装置的设计缺陷，造成系统逻辑卡件长时间运行温度高于设计限值60℃，加速了卡件元器件的老化。

3.2 采购费用高

由于系统卡件由美国RONAN公司生产，采购费用高且周期长，不具备一次性更换所有已到设计寿命卡件的条件，只能通过卡件故障后再更换的方式逐一进行。

3.3 利用率高，没有冗余

本系统利用率极高，包括每天至少3次的窗报试验和不确定次数的电站报警，这些动作必然会对整个系统造成冲击。而且现系统无冗余设备，一旦出现系统失效，电站将丧失主控报警功能，给运行人员判断现场故障造成困难。现阶段，进行本系统整体预防性维修时将丧失全部或部分窗口报警，给运行人员的工作造成极大困扰，运行人员针对此弊端也多次提出过变更要求。

4 卡件制作及安装调试

调研当前国内外类似功能的报警系统，比较先进的控制方式是计算机控制，单体设备国产化方式并不是最先进的控制技术。但由于重水堆不停堆换料，在大修期间堆芯依然有燃料，需要使用主控室报警系统时刻关注机组异常状况，而秦山重水堆核电厂主控室报警系统无冗余装置，若采用将系统升级为计算机控制的方式，系统不可用时间保守估计大约为20天，这无疑将对机组的安全造成威胁。采用单体设备国产化的方式，可以大大减少系统改造投资，也可以缩短更换时间。研制国产化主控报警系统报警卡、滤波卡、驱动卡、不一致卡，可以降低电厂运营成本，提高维修人员的维修技能。

历时两年的研制，厂家根据技术规格书的要求，制作了符合要求的卡件，并进行了老化试验、各种功能和性能测试及长期稳定性试验，然后交付秦三厂进行离线测试。在大修期间，选择PL10盘的部分报警窗口进行国产化卡件在线测试；之后选择试验通道进行长周期在线试验。

4.1 国产化卡件在线测试

将选中的待验证通道报警卡件打到“DISABLE”状态后，拔出报警卡件。观察板卡FC跳线状态，其中跳线为“NC”则为开报，跳线为“NO”则为闭报。先确认待验证国产化卡件跳线方式与拔出来的卡件跳线方式相符合；然后将国产化报警卡件插进报警机架，同时将报警卡件恢复到原来的“ENABLE”状态。

（1）报警功能验证：模拟报警卡件输入触点状态改变，触发卡件报警。在主控室观察报警窗快闪，同时报警声音响起。此时请主控室操作员按“SILENCE”按钮，报警声音消掉，报警处于消音状态，然后按“ACKNOWLEDGE”键，确认报警状态后，报警窗停止闪烁，处于常亮状态。

（2）报警恢复功能验证：恢复现场接线，即接入上面步骤中断开的接线端子或拆除短接线，此时报警窗慢闪，喇叭声响起。当按下按钮“SILENCE”之后，报警窗慢闪，喇叭声消音。当按下按钮“ACKNOWLEDGE”之后，报警窗报警消失。

4.2 长周期在线试验

在报警功能验证满足要求后，将国产化卡件安装在试验通道，进行国产化卡件的长周期在线试验，时间为秦三厂一个生产周期，即两年。在整个过程中，报警卡件要经过每天三次的窗报测试试验考验及监测通道偶发性报警考验。一个生产周期之后，再进行功能验证，确认此批国产化卡件满足系统功能要求。

首批国产化卡件（报警卡10块、滤波卡1块、驱动卡1块、不一致卡3块）已经在2#机组连续试运行两个大修周期，第二批国产化卡件（报警卡8块、滤波卡2块、驱动卡2块、不一致卡2块）已经在1#机组连续试运行两个大修周期，目前故障率为零。所有试运行卡件功能满足三期现场实际需求，卡件稳定性好、可靠性高，可以与原产RONAN卡件混合使用。

5 结论

（1）原有的卡件面临停产，生产周期和采购周期很长，而国产化卡件采购周期较短，可以及时满足现场生产要求。

（2）卡件的主控室人机界面及操作方式没有改变，针对操纵员的人机工程也不发生改变，可有效防止因界面改变，造成人员失误操作。

（3）秦山重水堆核电厂主控室报警系统无冗余装置，若采用将系统升级为计算机控制的方式，系统不可用时间保守估计大约为20天，这无疑将对机组的安全造成威胁。卡件国产化的方式，可以大大减少系统改造投资，并将系统不可用时间大大缩短。

（4）自主研发卡件费用仅为进口卡件的1/7，单机组一次性更换所有已到设计寿命卡件，采用进口卡件的费用保守估计约1 000万元，而采用自主研发卡件的费用只需150万元左右。以10年卡件使用寿命估算，秦三厂寿期内需进行3次更换，两台机组合计可节约5 100万元。

（5）自主研发卡件可与原进口卡件组合使用，能有效利用现有库存备件。现报警卡有库存备件60块，滤波卡有13块，驱动卡有26块，不一致卡有16块，此项可减少损失约240万元。

（6）该项目研发方案充分利用原系统卡件安装框架及接线，有效降低了整体系统改造的人力、物力成本，使实施成本只有全部系统更换所需成本的1/3，此项估计可节约资金500万元。