反应堆硼和水补给系统硼酸箱安全液位相关的设计分析和改进

第41卷第1期核科学与工程Vol.41 No.1 2021年2月Nuclear Science and Engineering Feb.2021
反应堆硼和水补给系统硼酸箱安全液位
相关的设计分析和改进
辛 克，郝树超
（中国核电工程有限公司华东分公司，浙江海盐 314300）
摘要：反应堆硼和水补给系统的硼酸贮存箱主要用于贮存向化学与容积控制系统等补给用的硼酸。

其硼酸贮存量需要保证反应堆达到冷停堆时保持在次临界状态，最不利情况为从热备用返回冷停堆。

设计将此容量作为硼酸箱的安全准则值。

与M310的反应堆硼和水补给系统部分设备是两台机组共用不同，“华龙一号”为每台机组一个完整的反应堆硼和水系统。

其安全准则选用的液位报警逻辑参考了M310的设计，但在“华龙一号”中，其无法满足安全准则的要求，本文对其安全液位触发逻辑与M310的相关逻辑进行了对比分析，对“华龙一号”反应堆硼和水补给系统的安全液位逻辑进行了分析改进。

为后续“华龙一号”的硼酸罐安全液位的设计提供参考。

关键词：“华龙一号”；反应堆硼和水补给系统；安全准则；逻辑；改进
中图分类号：TL48文章标志码：A文章编号：0258-0918（2021）01-0189-05
Analysis and Improvement of Boric Acid Solution
Storage Tank Safety Level of Reactor Boron and
Water Makeup System
XIN Ke，HAO Shuchao
（China Nuclear Power Engineering Co.，Ltd.．Eastern China Branch，Haiyan of Zhejiang Prov．314300，China）
Abstract：The boric acid storage tank of the reactor boron and water makeup system is used to store boric acid in order to supply the chemical and volume control system. It should be guaranteed that the minimum amount of boric acid in the tank is sufficient to make the reactor core subcritical when the cold shutdown state is reached, the worst case is to return to the cold shutdown from the hot standby following a full rate operation. The minimum amount is designed to be the safety criteria. The HPR1000 consists individually of a reactor boron and water makeup system compared with the M310. The value for the safety level of HPR1000 referenced by M310 can’t
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收稿日期：2020-12-20
作者简介：辛克（1988—），男，河北石家庄人，工程师，学士，现主要从事核岛系统调试方面研究
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meet the acceptance criteria. This paper analyzes and optimizes the safety level logic of the reactor boron and water makeup system. This paper can provide reference for the operation of reactor boron and water makeup system and for other similar project.
Key words ：HPR1000；Boron and water makeup system ；Safety criteria ；Logic ；Optimization
“华龙一号”反应堆硼和水补给系统[1]
（RBM ）主要用于与化学与容积控制系统共同为反应堆冷却剂系统提供硼酸和除盐水。

RBM 主要包括水回路子系统及硼酸回路子系统。

其水回路子系统与安全功能无关，硼酸回路子系统为安全功能相关的子系统。

硼酸子系统主要用于制备贮存硼酸溶液，并向化学与容积控制系统等提供硼酸，通过控制反应堆冷却剂系统的硼酸浓度，来控制反应堆反应性的变化。

其硼酸贮存量需考虑氙衰变引起的反应性增加、补偿冷却过程中负温度效应引入的正反应性、补偿堆芯由失控硼稀释事故而加入的反应性等。

即在所有预计运行事件期间，需要能保证反应堆安全停堆并维持反应堆在次临界状态。

为此，考虑其最不利情况，RBM 的安全准则[2]为从热备用返回冷停堆所需要的硼酸容积（寿期初、氙峰）：可用容积需大于等于61.65 m 3。

“华龙一号”硼酸贮存箱的安全液位即为两台箱体的总可用容积大于等于61.65 m 3时硼酸贮存箱的液位。

1 安全液位相关的原液位报警逻辑简介及分析
RBM 系统共有两台相同的硼酸贮存箱，在机组正常运行时，由硼酸输送泵将硼酸贮存箱中的硼酸转运至化容等系统中，硼酸输送泵入口管道与硼酸贮存箱的连接处即为每台硼酸贮存箱可用容积的最低点，低于此液位的硼酸无法使用，硼酸贮存箱底部简图如图1所示，图中A 处即为硼酸输送泵与箱体的连接处。

考虑一定的设计余量，选择将液位（0.468 m ）作为箱体的最低（L3）报警液位。

当液位低于此值时，即可认为箱体已无可用容积。

对于单个硼酸贮存箱而言，为保证其可用容积大于等于61.65 m 3
即保证其可用液位大于等于5.492 m ，需使其安全报警液位（L2报警）高于L3报警值5.492 m ，因此将硼酸贮存箱的L2报警值设定为5.96 m ，即当只有单个硼酸贮存箱可用时，若硼酸液位到达L2并继续下降时，系统容积即不满足安全准则要求的最小硼酸体积。

此时，需立刻向其注硼。

由于RBM 系统包含两台硼酸贮存箱，因此将两台箱体的液位进行求和，在其和大于安全液位时，系统即处于安全状态。

其液位逻辑[3]如图2所示，MN054、MN052即分别表示两台硼酸贮存箱的液位，L2设定值为5.96 m ，即安全准则要求值。

图1 硼酸箱底部简图
Fig.1
The bottom diagram of boric acid tank
图2 硼酸箱安全液位求和逻辑简图
Fig.2 The logic diagram of summation of the safety liquid level in the boric acid tank
2安全液位相关的原设计求和逻辑的缺陷及分析
在系统运行期间，为满足安全准则，保证系统内有足够的硼酸，需至少有一台硼酸贮存箱处于可用状态，即任一台硼酸贮存箱可用或两台硼酸贮存箱均处于可用状态。

2.1只有一台硼酸贮存箱可用
只有一台硼酸箱可用时，为保证系统有足够的硼酸溶液，该硼酸箱的液位需高于5.96 m，否则将不满足任何工况下可以回到冷停堆状态所需要的最小硼酸体积。

而此时，另一台不可用硼酸箱的液位既可能处在较高液位，也可能处于排空状态。

对于不可用的硼酸箱，其液位值仍参与求和运算。

当正在投运的硼酸箱液位低至 5.96 m 时，由于系统的求和逻辑，两台硼酸箱的液位经过求和后，其值仍可能大于安全液位值（L2），此时将不会触发图2中的407KA报警，但实际上此时系统的可用硼酸容积已经无法满足安全准则要求。

对于不可用的硼酸箱，只有在其液位输入到求和逻辑上的值为0时，才可使可用的硼酸箱液位到达5.96 m后，触发安全报警，使系统满足安全准则的要求。

2.2两台硼酸贮存箱均可用
由前所述，硼酸贮存箱底部存在约0.468 m 的死区容积。

液位高于0.468 m以上的部分才是每个箱体可用的部分。

对于两台箱体的液位计MN054及MN052，其测得的值分别减去0.468 m后，得到的差值为每个箱体容积的净含量。

即MN054及MN052其值分别减去0.468 m 的死区液位后，然后进行求和，所得值高于5.492 m方可满足安全准则要求。

而现有的求和逻辑，并未考虑此种情况。

仅将两台液位表的值直接相加，然后判断其和是否高于 5.96 m，来作为是否满足安全液位的依据。

此种安全液位报警逻辑，仅考虑了一台箱体的死区液位，故其求和结果无法满足安全准则的液位要求。

2.3M310机组反应堆硼和水安全准则相关逻辑
在M310机组中，反应堆硼和水补给系统的硼酸贮存在3个硼酸贮存箱内，其中一个硼酸贮存箱为两台机组公用，另外两台贮存箱各为一个机组使用。

其安全液位相关逻辑[4]如图3所示。

图3M310机组安全液位相关逻辑简图
Fig.3 The logic diagram of the safety liquid
level of M310 unit
图3中，A点为两台机组共用的硼酸贮存箱A的液位信号，B点为各机组独自的硼酸贮存箱B的液位信号。

由图3，两台机组共用的硼酸贮存箱A在ZO401处减去了该箱体的死区值，其与B箱体求和时所用的值为A箱体的净可用液位值。

且A箱体在KC401处可选定机组参与计算或选择将A箱体仅作为备用。

在选择A箱体为备用时，A箱体向ZO402输入的值为0，不会影响B箱体液位值的计算。

而选定机组使用A箱体时，其向选定机组的B箱体输入的值已在ZO401处转变为了A箱体的液位净值。

后续参与求和计算所得的结果不会超出安全准则的要求。

因此，M310的安全准则相关的逻辑设计较“华龙一号”更为合理、可用。

3对“华龙一号”反应堆硼和水补给系统安全液位逻辑的改进分析3.1与M310对比改进
与M310对比，“华龙一号”为单堆布置，每台机组均配置了两台硼酸贮存箱，同时“华龙一号”每台的机组的两个硼酸贮存箱均可单
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独满足安全准则要求的最小硼酸容积，与M310两个贮存箱容积之和满足安全液位的设计不同。

因此若将两台箱子分别单独使用，将使两台贮存箱做到一用一备，可以提高硼酸子系统的可靠性。

基于此，选择将两台硼酸贮存箱分别独立按照安全准则的要求改进其安全液位的相关逻辑，而不再使用两台贮存箱液位求和的设计。

改进后的安全液位逻辑简如图4所示。

图4改进后的安全液位逻辑简图
Fig.4 The logic diagram of the safety
liquid level after improvement
3.2在后备盘上的改进
RBM系统的安全液位报警除了在IIC上显示外，同时也将后备盘上触发相应的报警，而在原有的设计中，由于采用了求和逻辑，两台箱体共同触发了一个报警，因此在后备盘上仅设计了一组报警灯（L2报警，指示灯为407AA；L报警，指示灯为408AA）。

将两台箱体的报警分开处理后，两台硼酸贮存箱分别需要在后备盘上触发一个报警，即需要在后备盘上增加相应的报警。

为优化后备盘现场改进的工作量，需进一步对后备盘报警的改进情况进行分析。

方法一，直接在后备盘上增加相应的报警灯。

优点：改进后后备盘上的报警可以与IIC 上的报警一一对应，便于操作员在后备盘上判断系统运行情况。

缺点：由于需要增加新的报警灯，需考虑相应的电缆接线、后备盘报警灯安装等硬件改动问题，现场改进工作量较大，实施难度较高。

方法二，对硼酸贮存箱在后备盘上的报警逻辑进行改进，对两台硼酸贮存箱在后备盘上的报警采用取或逻辑，使两台硼酸贮存箱低报使用同一个后备盘报警，仅需后备盘上原有的报警灯组，不再额外增加新的报警灯。

无论两台硼酸贮存箱哪一台液位低于安全准则值触发低报时，即在后备盘上触发报警。

方法三，除在后备盘上的报警采用取或逻辑外，也可使用与门逻辑，即仅当两台硼酸贮存箱均触发低报时，才在后备盘上触发安全液位低报报警。

无论是方法二的取或门逻辑，或是方法三中的取与门逻辑，其优点均为：不需要改动后备盘的硬件设备，不需新增接线，仅需仪控人员更改其逻辑即可，其改进工作量小，改进成本低。

但其缺点也同样存在：对于取或门逻辑，在其中一台箱体的液位低于安全液位，在后备盘上触发报警后，若另一台箱体仍有足够的安全液位，则系统可以继续使用。

但当第二台箱体液位也触发低报时，将不会再触发报警，使操作员无法及时响应，存在安全隐患。

对于取与门逻辑，当两台箱体的液位均不满足安全液位时，才在后备盘上触发安全液位报警。

此种改进，也存在一定隐患，在一台箱体仪表故障无法触发报警时，将导致后备盘上的报警无法触发。

若此时另一台箱体液位也降低至安全液位，由于与门的存在，将不会在后备盘上触发报警。

存在一定风险。

基于以上分析，为兼顾系统报警的安全可靠及现场的实际情况，需对取或门逻辑进行进一步改进，对其报警增加了重闪功能，即当第二台硼酸贮存箱的安全液位报警触发时，后备盘的报警将重新触发，以确保操作员可以收到报警信号。

“华龙一号”原设计借鉴了M310机组的求和逻辑，但是未考虑到死区的影响，故原设计存在一定的可能性使其无法满足安全准则的要求。

基于“华龙一号”单堆布置，独立拥有一套完整的反应堆硼和水补给系统的特殊性，将求和逻辑修改为单独的逻辑，使每一个硼酸贮存箱的液位逻辑均可以满足安全准则的要求。

由于硼酸贮存箱是一用一备，故安全准则相应的液位逻辑也是一用一备，提高了系统的可靠性并满足单一故障准则。

新的设计改进思路，在满足设计深度和安全准则的条件下，既不需要改动硬件设备
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又不需要新增接线，仅需修改内部逻辑即可。

改进工作量小，改进成本低，实现了项目建设增值。

4结论
“华龙一号”的反应堆硼和水补给系统安全准则相关的液位报警逻辑参考了M310的设计，但未考虑到“华龙一号”与M310机组硼和水补给系统的不同，忽略了死区的影响，故原设计存在一定的可能性使其无法满足相应的安全准则要求。

本文对硼和水补给系统的安全准则相关的液位进行了分析，并对其安全液位触发逻辑与M310的相关逻辑进行了对比。

改进了“华龙一号”硼和水补给系统安全液位的相关逻辑。

为后续“华龙一号”的硼酸罐安全液位的设计及调试提供参考。

参考文献：
［1］反应堆硼和水补给系统手册［R］．中国核电工程有限公司，2018.
［2］反应堆硼和水补给系统安全准则［R］．中国核电工程有限公司，2019.
［3］反应堆硼和水补给系统手册［R］．中国核电工程有限公司，2019.
［4］反应堆硼和水补给系统（REA）手册［R］．中国核电工程有限公司，2012.
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