"Besoins fonctionnels ayant conduit à l'utilisation des techniques programmées dans le système de protection des 1300 MW".

Communication proposée à La réunion de Spécialistes AIEA du 2B au 30 novembre 1984 sur :

l' "Utilisation des techniques numériques programmées dans les systèmes importants pour La sûreté"

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Titre :

"Besoins fonctionnels ayant conduit à l'utilisation des techniques programmées dans le système de protection des 1300 MW".

Auteur : H. DALLE FRAMATOME

Chef de la Section Automatismes

N

Sommai re (provisoire) :

- Rappel des fonctions de protection et de leur traitement sur les 900 MW - Nouvelles fonctions de protection (DNB mètre, puissance linéique)

- Besoins liés au traitement des fonctions nouvelles (calculs/ précision, temps de réponse)

- Besoins liés à l'amélioration des équipements (disponibilité, essais périodiques)

- Structure du SPIN

с

IL

13

AIEA - 28-30 novembre 1984 - SACLAY.

BESOINS FONCTIONNELS AYANT CONDUIT A L'UTILISATION DES TECHNIQUES PROGRAMMEES DANS LE SYSTEME DE PROTECTION DES 1300 MW.

RESUME

Après un rappel des fonctions de protection classiques rencontrées dans les centrales 900 MW, on montre que pour dégager des marges de fonctionnement, il est intéressant de pouvoir calculer plus finement les paramètres surveillés.

Ces besoins de calculs conduisent à l'utilisation de techniques pro- grammées. En profitant des nouvelles possibilités offertes, on peut également améliorer les performances d'ensemble du système de protec- tion sur les plans disponibilité, sûreté et maintenance.

Ces choix pour Paluel ont conduit à la Réalisation du SPIN, dont on rappelle la structure.

/5

1. TRAITEMENT DES FONCTIONS DE PROTECTION SUR LES CENTRALES 900 MH 1.1. Besoins _fonçtiorjnel s

Les fonctions de protection peuvent ê t r e classées en deux catégories : - La première catégorie concerne les incidents rapides :

Les protections sont simples car élaborées à p a r t i r de la mesure directe d'un seul paramètre.

- La deuxième catégorie concerne les incidents plus l e n t s . Les pro- tections sont plus complexes car élaborées à p a r t i r de la mesure de plusieurs paramètres pour permettre l e calcul i n d i r e c t d'un paramètre non directement accessible à la mesure.

On trouve par exemple dans la première catégorie une protection directe sur la vitesse des pompes primaires. (Elle permet de se protéger rapidement contre une perte de débit susceptible d ' e n t r a î - ner une diminution inacceptable du rapport d ' ë b u l l i t i o n c r i t i q u e DNBR) On trouve dans la seconde catégorie deux protections qui nécessitent le calcul de deux variables représentatives de la puissance linéique e t du rapport d ' é b u l l i t i o n c r i t i q u e . Il s ' a g i t des chaînes appelées

DELTA T température et ДТ surpuissance qui calculent les variables suivantes, équivalentes à des consignes de puissance maximale :

= f (ТЛ

Dimensignnement_des_2roteçtionsA_T

Pour les 900 MW, la consigne de puissance maximale à ne pas dépasser est élaborée à partir des paramètres pression, température, vitesse et déséquilibre axial de flux. Ce dernier est mesuré par des chambres à 2 sections situées hors du coeur. Pour des raisons de conservatisme on u t i l i s e une variation enveloppe de la consigne en fonction du para- mètre Л0. La loi enveloppe est déterminée en retenant pour chaque

/fe

1.2.

valeur de A 0 l a d i s t r i b u t i o n l a plus pénalisante parmi un grand nombre de d i s t r i b u t i o n s de puissances représentatives de situations accidentelles, ( f i g . 2)

Les chaînes simples ne nécessitent que f o r t peu de m a t é r i e l . Les chaînes complexes ATj^- et ^ T sont encore réalisables au moyen de modules de calculs analogiques (sommateurs, générateurs de f o n c t i o n s , . . . ) .

La structure classique d'un t e l système de protection est par exemple celle donnée en f i g . 3 .

2. LES NOUVELLES FONCTIONS DE PROTECTION SUR LES CENTRALES 1300 МИ 2.1. Besoins _fonçti_onnel s

L ' u t i l i s a t i o n de d i s t r i b u t i o n s de puissance enveloppes se t r a d u i t par une réduction des marges de fonctionnement. Ceci réduit notam- ment l a souplesse d ' e x p l o i t a t i o n .

C'est pour cette raison que de nouvelles fonctions de protection ont été développées. On réalise un calcul plus f i n des paramètres à s u r v e i l l e r qui sont l a puissance linéique (PL) et le rapport d ' e b u l l i t i o n c r i t i q u e (REC). Le système peut alors s u r v e i l l e r à chaque i n s t a n t l a valeur r é e l l e des paramètres et les comparer aux valeurs l i m i t e s . On évite ainsi l a pénalité due à la prise en compte de situations pénalisantes l o r s q u ' e l l e s ne sont pas r é e l - lement présentes.

Pour effectuer les calculs plus f i n s des paramètres c i t é s , i l faut avoir une meilleure connaissance de l a d i s t r i b u t i o n de puissance, grâce notamment à l ' u t i l i s a t i o n de chambres multiétagées à 6 sec- tions situées hors coeur ainsi qu'à la mesure de position des groupes de barres de contrôle.

Il

Une plus grande puissance de calcul est également nécessaire pour t r a i t e r des équations thermodynamiques et réaliser un calibrage précis des mesures neutroniques.

2.2. Pesçrip_t|on_des_traitements

Un synoptique d'ensemble du système est présenté sur la figure 4.

Les entrées du système sont les suivantes :

- Mesure de la température primaire branche chaude et branche froide (TIN, TOUT)

- Mesure de la pression primaire (p)

- Mesure de la vitesse relative de rotation des pompes primaires

- Mesure de la position des groupes de grappes (Z

) - Mesure des courants des chambres multiétagëes ( I i ) Le traitement, numérique est effectué en plusieurs étapes.

l|re_|tage

Le niveau de puissance (0) est calculé à partir de mesures de température, pression et vitesse des pompes.

La distribution axiale de puissance P(z) est générée en 30 points à partir des courants des chambres (Ii) - Algorithme 1.

6

P(Zn) = T. G(n, i) (n = 1 à 30)

6 où PI(i) = 21

0=1

- 4 -

P I ( i ) puissance intégrée par sixième de coeur

T(i,j) matrice de transfert incore-excore déterminée

par calibrage sur l'instrumentation incore mobile et réajustée en fonction du taux d'épuisement

G(n,i) matrice dépendant de la fonction de base choisie.

Un développement polynomial est u t i l i s é .

2ème_étap_e

Les facteurs de pic radiaux Fxy (z) sont générés sur les 30 jonc- tions axiales à p a r t i r des mesures du niveau de puissance (Q) et de l a position des groupes (Zn) e t à p a r t i r d'un tableau de cons- tantes Fxy pour les d i f f é r e n t s plans avec ou sans grappes.

Alaorithme 2.

3fme_ftap_e

Le facteur d'élévation d'enthalpie FAH est généré à p a r t i r de Fxy(z) e t P(z) par une méthode de synthèse.

Algorithme 3.

La puissance linéique au point chaud (KWFTM) est générée à p a r t i r de Fxy(z), P(z) e t Q. Algorithme 5.

4fme_ftap_e

Le DNBR, V e n t h a l p i e s o r t i e coeur Hs e t l a q u a l i t é en s o r t i e de canal chaud X sont générées à p a r t i r de FAH, Q, P, T I N , TOUT, Л / Л , P(z). Le modèle thermohydraulique est un modèle s i m p l i f i é

monocanal (canal chaud). Cependant, l ' u t i l i s a t i o n de termes correc- t i f s préétablis permet de prendre en compte les e f f e t s d'échange entre canaux e t d'obtenir des r é s u l t a t s voisins de ceux fournis par un code de conception thermohydraulique 3 D , - Algorithme 4 .

Les sorties du système sont les suivantes :

- Ordre d ' a r r ê t d'urgence par bas DNBR ou haute q u a l i t é en s o r t i e du canal chaud ou haute enthalpie en s o r t i e coeur.

Ordre d ' a r r ê t d'urgence par surpuissance l i n é i q u e .

- Alarme LOCA ou bas DNBR

- Affichages alpha numérique ou graphiques sur écran pour l a surveillance des marges.

2.3. Exigences _f gnçtignne Л es _du_nouveau_sYst|me_de_p_roteçtion

Pour l a r é a l i s a t i o n des nouvelles fonctions d é c r i t e s , on ne peut plus u t i l i s e r l a même technologie que précédemment.

En e f f e t , le cahier des charges f a i t apparaître des contraintes t e l l e s que :

- calculs d'algorithmes complexes - précision de calcul

- temps de réponse

- souplesse de modification de paramètres - p o s s i b i l i t é de t e s t en ligne des algorithmes

Seul, un équipement ayant des capacités de calcul numérique est apte à répondre à un t e l cahier des charges.

3. AUTRES AMELIORATIONS DU SYSTEME DE PROTECTION

Comme nous l'avons v u , le recours ä un système programmé est j u s t i f i é par le besoin de r é a l i s e r des calculs complexes permettant de dégager des marges de fonctionnement.

Mais, on peut également p r o f i t e r des nouvelles p o s s i b i l i t é s de l a technologie pour viser des améliorations :

- de l a d i s p o n i b i l i t é et de l a sûreté de la c e n t r a l e , - de l a maintenance et de l a f a c i l i t é d ' i n s t a l l a t i o n .

- La d i s p o n i b i l i t é est améliorée en v i s u a l i s a n t les marges de fonction- nement. La généralisation de l a redondance quatre (capteur et voies

- 6 -

de protection) permet d'intervenir sur les équipements lors de test ou de dépannage sans augmenter le risque d'actions intem- pestives.

La sûreté de la centrale est augmentée en généralisant l ' u t i l i s a - tion des traitements en 2/4, en étendant la redondance quatre au niveau des groupes d'interrupteurs d'arrêt d'urgence, en implan- tant de nombreux tests internes permanents qui, en cas de défaut, mettent l'équipement en position sûre, et enfin en réalisant des tests périodiques automatiques plus complets.

La maintenance est améliorée par la localisation des pannes et la standardisation des modules. La possibilité d'inhibition permet également de mieux planifier les opérations de mainte- nance sans nuire à la disponibilité.

L'installation est facilitée par l ' u t i l i s a t i o n de liaisons multi- plexées réduisant le volume de câblage.

4. DESCRIPTION DU SPIN

Le SPIN comprend quatre Unités d'Acquisition et de Traitement pour la Protection (UATP) redondantes et deux Unités Logiques de Sauvegarde (ULS) redondantes auxquelles il faut ajouter le testeur automatique qui permet les essais périodiques, (fig.5).

4.1. UATP (fig.6)

Les UATP effectuent l'ensemble des traitements nécessaires à l'éla- boration des ordres de déclenchement des fonctions de protection, c'est-à-dire :

- Acquisition des signaux issus des capteurs

- Traitement de ces signaux

- Comparaison des résultats de calcul aux points de consigne pour obtenir les informations de déclenchement par paramètre - Echange de ces informations de déclenchement entre les UATP - Traitements logiques en 2/4 de ces informations pour chaque

paramètre

- Emission des ordres de déclenchement soit directement vers les interrupteurs pour l ' a r r ê t d'urgence, soit vers les ULS pour les actions de sauvegarde.

Ces traitements sont effectués à l'aide de microprocesseurs.

Les UATP présentent une structure en multiprocesseur comprenant des unités autonomes de deux types :

- Les Unités Fonctionnelles (UF) au nombre de sept qui effectuent la t o t a l i t é des traitements numériques et logiques r e l a t i f s à la surveillance d'un ou plusieurs paramètres.

- Les Unités d'Echange (UE) au nombre de six qui gèrent les liaisons multiplexées permettant les échanges des informations de déclenchement partiel entre les UATP ou l'émission d'infor- mations vers l'extérieur du système de protection, en particulier pour la signalisation et le traitement centralisé d'informations.

Chaque Unité Fonctionnelle ou Unité d'Echange peut fonctionner de façon indépendante et est totalement asynchrone des autres . Les échanges d'informations entre UF et UE se font par l'intermé- diaire d'un réseau de mémoires partagées.

» .

- 8 -

4.2. ULS ( f i g . 7 )

Chaque ULS est associée à un train d'actionneurs de sauvegarde.

Elle acquiert les ordres de déclenchement issus des 4 UATP (injec- tion de sécurité, isolement enceinte, e t c . ) et les combine en 2/4. Elle effectue ensuite divers traitements logiques r e l a t i f s , en p a r t i c u l i e r , à la prise en compte des commandes manuelles.

Enfin, e l l e émet des ordres individuels de commande des action- neurs de sauvegarde.

Les ULS sont réalisées en technique câblée à pannes orientées.

Afin d'éviter les déclenchements intempestifs en cas de défaillance de matériel d'une part, et de permettre les essais périodiques en fonctionnement d'autre part, chaque ULS comporte deux sous-ensembles logiques identiques dont les sorties sont combinées en 2/2 avant de commander les actionneurs.

4.3. TESTEUR

Les essais périodiques du SPIN, imposés par la réglementation, sont effectués à l'aide d'un testeur automatique. Ce testeur, conçu autour d'un mini-calculateur

est normalement déconnecté.

Pour effectuer les essais pêriodiaues d'une UATP, le testeur est connecté à cette UATP dont les entrées passent ainsi sous la dépen- dance du testeur.

Celui-ci applique alors une succession de configurations d'entrées et v é r i f i e que les résultats des traitements de l'UATP sont conformes

aux valeurs attendues.

Le testeur peut de même réaliser l'essai périodique d'un sous- ensemble logique d'ULS.

Les essais périodiques des actionneurs de sauvegarde nécessitent

des précautions particulières, aussi sont-ils réalisés manuellement.

5. CONCLUSION

Les besoins d'amélioration des performances des centrales 1300 MW ont pu être s a t i s f a i t s grâce à l ' u t i l i s a t i o n de techniques programmées.

L'application de ces techniques à un système de protection a nécessité une démarche rigoureuse depuis la conception jusqu'à la q u a l i f i c a t i o n et la mise en service sur s i t e .

CHAINE5 AT AT CHANNELS

FLUX

SECTION HAUTE BASSE HIGH LOW SECTION

PRESSICX

VITESSE PRESSURIOR , POMFE PRIMAIRE PRE5SURIZER PRIMARY PUMP PRESSURE

SPEED

TEMPfRATURE BRANCHE FROIOE

COLD T E M P E R A T U R E

TEMPERATURE BRANCHE CHAUDE

HOT T E M P E R A T U R E

ARRET URGENCE REACTEUR

REACTOR TRIP

AT.SWfJISSANCE AT.OVER POWER

ARÜET URGEICE REACTEUR

REACTOR TRIP

FIGURE :1

1XJ5

1

50'

40-

so-

20-

10

AT

AT AT

C O . Over limites de

v

124bA 138 b /

' X A.

» X ' X

^ \

\ N

\

\

\

\

Protection pgr \ temperoture eievee

Tem'D protection

124 bors

ouverture o X bors des soupapes du GV

power limits

surpuissance lineiq^ue

152 b/''

0 / /

^ ^

\ \ _V V _x

\ V-\

\ \

\ \ \\ \

\

Steam generator soPety valves opening ot x bars

166 b /

^/

K \\\

I \ \\

\

\

\ \ / \

\ \ /

M / \ \ /

\\ / YB / V / \

\

\

/ Protection par AT surpuis•,&•.».?

• — ATop protection

\ - - - ' " ' " \ limites physiques

" * \ \'SS>^---'"

' ^

coeur

K - - H ' " " " ' ov^ - ^

liroits

\ A \ \ xS \

/\ \ \

\ \ \

\ \ \ \ \ \

\ \ \

\ \ \

\ \ \

\ \ \

\ \ \

\ \ \

\ \ \ \

2flO 290 300 310 320 330 340

Temperature moyenne cuve (°C) Vessel mean temperature

STRUCTURE DU SYSTEME DE PROTECTION CENTRALE900MW

REACTOR PROTECTION SYSTEM STRUCTURE ( 9 0 0 MW PLANT)

CAPTEURS SENSORS

EQUIPEM5NTS ANALOGIuUES

ANOLOG DEVICES

EQUIPEMENTS LOGIQUES

LOGIC DEVICES

ARRET DURGENCE REACTEUR REACTOR TRIP

FIGURE : 3

groupes des chambres primaire rod control position Flux sensors currents Primary pressure

branche froide Cold temperature

branche chaude Hot temperature

pompe primaire Primary pump speed

Sl/Slo

Alarme Alarm

Arret d'urgence

Reactor t r i p Alarm

4-

Arret d'urgence reactor t r i p

J

CAPTEÜRS SENSORS

INSTRUMENTATK N INSTRUMENTATION

\I/\F

Commandes manuelles UATP I

Unite __ d'acqui-[

sition et de traite- ment pour r—

la L -

protection |

n n

Commande

manuelle Q -L.

Manual control

ignalisa- ' tion

Manual controls UATP II

Acquisition and pro- | cessing unit for protection r

Signalling

vv

UATP III

öTo-J—öfö—i—5fo

ULS A Unite logique de

sauvegarde

Commandes manuelles

tt- YVV

Signa sation

UATP IV

ULS B Safety logic

unit

WY

Actionneurs de sauvegarde A

Safety drivers B

n n

Manual controls

Signalling

Arret d'urgence Emergency shutdown

FIGURE 5 : ARCHITECTURE DU SPIN

GENERAL ARCHITECTURE OF SPIN

Unites fonctionnelles Functionnal units

Unites d'echange Exchange units

UATP2 UATP3

MP = shared memory

Commande inhibition

hhibition control

UATP2 UATP3 UATP4 . Logique d1inhibition UATP

. UATP inhibition loaic

Signalisations numerigue Digital signals

Signalisations logiques signals

Logique cablee

wired logic

ULSA ULSB ULSA ULSB

FIGURE 6 : STRUCTURE D'UNE UATP STRUCTURE OF A UATP

UATP

1 2 3 4 1 2 3 - 5

UATP

1 2 3 -J 1 2 3 4

2/4 2/4 2/4

LOGIQUE DE COMMANDE

2/2

r

2/4

LOGIC CONTROL

ftd

2/2 2/2

V V V V V V V

. Commande actionneurs de sauvegarde . Safety actuators control

Conunandes manuelles (RAZ) Manual controls

(reset)

Comnandes manuelles Manual controls

FIGURE 7 : STRUCTURE DE L'ULS UIS STRUCTURE

31;