核電站數(shù)字化儀控系統(tǒng)改造分析

夏 朋

（蘇州熱工研究院有限公司，廣東 深圳518026）

0 前言

核電站由于核安全保守政策的考慮和對數(shù)字化技術(shù)的疑慮，全數(shù)字化儀控技術(shù)一直未得到全面應(yīng)用。隨著江蘇田灣核電站數(shù)字化儀控系統(tǒng)成功投入使用，全數(shù)字化儀控技術(shù)才開始受到真正關(guān)注[1]，在此后的新建擴(kuò)建項(xiàng)目中，包括臺山核電站、三門核電站等均使用數(shù)字化儀控系統(tǒng)。

1 數(shù)字化儀控系統(tǒng)的主要特點(diǎn)

基于對國外成熟的數(shù)字化儀控系統(tǒng)的研究，可以總結(jié)出這些特點(diǎn)，通過了解其性能和特點(diǎn)，有助于在核電站數(shù)字化儀控系統(tǒng)選擇方案中對目前眾多的數(shù)字化控制系統(tǒng)更好地進(jìn)行比較和選擇[2]。

1.1 多樣性

所謂多樣性就是用兩種或兩種以上的完全不同的方法實(shí)現(xiàn)同樣的一個功能，包括功能多樣性、硬件多樣性和軟件多樣性。多樣性只對安全級系統(tǒng)有要求，而對非安全級沒有要求。對于傳感器的多樣性，只對模擬量有要求，對數(shù)字量沒有要求。保護(hù)系統(tǒng)之間是孤立系統(tǒng)，互相沒有任何硬件設(shè)備的連接。保護(hù)系統(tǒng)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)同樣的停堆和專設(shè)安全設(shè)施驅(qū)動的功能，但使用了不同的傳感器，采用不同的保護(hù)參數(shù)，采用兩套獨(dú)立的機(jī)柜，兩個機(jī)柜內(nèi)安裝不同的組態(tài)軟件，采用不同的時序和計算方法，從而實(shí)現(xiàn)了保護(hù)系統(tǒng)內(nèi)部的多樣性。

1.2 冗余性

所謂冗余性，是指并行的重復(fù)配置設(shè)備，包括軟件或硬件，以保證設(shè)備出現(xiàn)故障時，能繼續(xù)保持系統(tǒng)運(yùn)行，冗余性配置的主要目的是解決單一故障，提高系統(tǒng)的可利用率。所謂單一故障，另外，冗余性配置使得不停運(yùn)系統(tǒng)時，可進(jìn)行在線的維修和試驗(yàn)工作，冗余性主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）操作員站和工程師站的冗余。一套儀控系統(tǒng)配置有多臺操作員站，工程師站除自有的特殊功能外，兼具操作員站的所有功能。

（2）網(wǎng)絡(luò)的冗余。當(dāng)一個網(wǎng)絡(luò)故障，另外一個網(wǎng)絡(luò)自動投入使用。

（3）服務(wù)器的冗余。防止服務(wù)器損毀，數(shù)據(jù)丟失。

1.3 獨(dú)立性

保證獨(dú)立性要求的方式是隔離，隔離可阻止故障的傳播，包括實(shí)體隔離、功能隔離、電氣隔離等。實(shí)體隔離使用障礙物或距離，防止設(shè)備的故障從一個區(qū)域傳播到另一個區(qū)域。使用功能隔離，降低出現(xiàn)復(fù)雜瞬態(tài)的概率。使用電氣隔離，防止故障通過供電線路或信號線路傳播，光電耦合設(shè)備是常用的電氣隔離的方式。

2 EPR與AP1000數(shù)字儀控系統(tǒng)對比

EPR是引進(jìn)法國的一種四環(huán)路1750MW級三代壓水堆核電站，AP1000是引進(jìn)美國的一種兩環(huán)路1000MW級三代壓水堆核電站，兩者作為國內(nèi)主流的核電機(jī)組，其數(shù)字儀控系統(tǒng)的對比對未來國內(nèi)核電的發(fā)展具有深遠(yuǎn)意義。

2.1 儀控系統(tǒng)功能層次對比

2.1.1 EPR儀控系統(tǒng)功能層次分為4層，包括：

（1）現(xiàn)場接口層，包括傳感器、變送器、開關(guān)和執(zhí)行器等。

（2）系統(tǒng)自動化層，包括數(shù)據(jù)獲取、過程自動化、監(jiān)視和執(zhí)行的功能。

（3）機(jī)組監(jiān)督控制層，包括與人機(jī)界面和過程控制接口相關(guān)的數(shù)據(jù)處理功能。

（4）廠級管理層，用于實(shí)現(xiàn)更高級的信息管理功能。

2.1.2 AP1000儀控系統(tǒng)功能層次同樣分為4層：

（1）過程接口層：儀控系統(tǒng)的最底層，直接與現(xiàn)場的傳感器以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)相連。

（2）控制與數(shù)據(jù)處理層：主要有兩個功能，一是接受過程接口層的數(shù)據(jù)，進(jìn)行處理后上傳至主控室，二是接受主控室操縱員的命令或自動控制系統(tǒng)的命令經(jīng)過程接口層下達(dá)到核電廠的各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

（3）數(shù)據(jù)通訊層：執(zhí)行儀控系統(tǒng)中各子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通訊。

（4）操縱員控制與監(jiān)督層：包括核電廠主控室、應(yīng)急控制室、技術(shù)支持中心等重要控制與監(jiān)督中心。

AP1000把數(shù)據(jù)通訊功能單獨(dú)劃分為1層，用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，而EPR采用的是TXS+TXP平臺，采用三層數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。

2.2 安全分級對比

EPR依照“歐洲用戶對輕水堆核電廠的要求文件（EUR）”的規(guī)定進(jìn)行安全分級。電廠的安全功能按其重要性被分為F1A、F1B、F2、NC級，如下：

（1）F1A：在發(fā)生事故的情況下，使核電廠達(dá)到“受控狀態(tài)”所需要的所有安全系統(tǒng)。

（2）F1B：在實(shí)現(xiàn)“受控狀態(tài)”以外，達(dá)到“安全停堆狀態(tài)”所需要的安全功能以及事故之后為維持安全停堆所需要的安全系統(tǒng)。

（3）F2：達(dá)到并維持“最終狀態(tài)”所需的安全系統(tǒng)。

（4）NC：為非安全功能。

AP1000分為安全級與非安全級：

（1）安全級：執(zhí)行安全功能以及事故工況后參與公眾保護(hù)功能的儀表和控制系統(tǒng)。

（2）非安全級：安全級之外的其他數(shù)字儀控系統(tǒng)。

AP1000所采用的分級方法對儀控系統(tǒng)的設(shè)計而言比較簡單，每個系統(tǒng)只對應(yīng)了一種安全分級；而EPR由于分級較多，導(dǎo)致了儀控結(jié)構(gòu)中的一些系統(tǒng)可能包含了幾種安全級別功能。在EPR中的一些劃分為安全級的功能，在AP1000中被降級成了非安全級功能，由此降低了系統(tǒng)的整體造價。

3 核電站儀控系統(tǒng)數(shù)字化改造

大亞灣、嶺澳、秦山等在役核電站的主要儀控系統(tǒng)采用的是常規(guī)儀表系統(tǒng),其特點(diǎn)是模擬量系統(tǒng)采用以小規(guī)模集成電路運(yùn)算放大器為基礎(chǔ)的元件來控制,邏輯量儀表采用繼電器等硬邏輯電路來控制。此類系統(tǒng)所需的元器件數(shù)量大,運(yùn)行操作管理和維護(hù)工作任務(wù)繁重;控制系統(tǒng)的性能落后,隨著儀控設(shè)備的老化和淘汰、備件減少和故障率的升高,安全性和經(jīng)濟(jì)性明顯降低,因此,核電站儀控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字化改造是十分必要的[3]。

3.1 改造工作的主要內(nèi)容

核安全是核電廠的首要目標(biāo)，在核電廠設(shè)計、建造、安裝、調(diào)試、運(yùn)行維護(hù)和改造整個生命周期內(nèi)，對核電廠系統(tǒng)、設(shè)備有著更高、更嚴(yán)格的核安全限制和要求。為了保證核安全以及改造順利進(jìn)行，核電廠儀控數(shù)字化改造至少應(yīng)開展以下幾個方面的研究工作：

（1）改造的可行性分析和研究，包含行業(yè)改造經(jīng)驗(yàn)研究、改造必要性分析、技術(shù)可行性分析、風(fēng)險分析、預(yù)期效益分析。

（2）收集和分析用戶需求。

（3）核電廠系統(tǒng)功能研究。

（4）數(shù)字化儀控方案研究。

（5）設(shè)備選型和采購策略研究。

（6）改造工作的質(zhì)量保證體系研究。

（7）改造工作的進(jìn)度計劃研究。

3.2 改造工作的組織管理

核電廠儀控數(shù)字化改造工作涉及多部門協(xié)作，相互之間的接口關(guān)系錯綜復(fù)雜，因此工作界限清晰、責(zé)任分工明確是改造工作首先必須面對和解決的問題，這將直接決定改造工作能否順利進(jìn)行。對核電廠儀控數(shù)字化改造工作的組織管理，可以考慮將整個改造工作根據(jù)工作主體和工作內(nèi)容進(jìn)行階段劃分，確定不同階段的主體責(zé)任方，其他參與部門服務(wù)于主體責(zé)任方。

4 結(jié)語

隨著三代核電技術(shù)成為國內(nèi)核電發(fā)展的主流以及核電廠數(shù)字化程度的加深，數(shù)字化儀控系統(tǒng)取代基于模擬技術(shù)儀控系統(tǒng)已成為必然選擇。本文描述了數(shù)字化儀控系統(tǒng)的主要特點(diǎn)，對比了EPR與AP1000數(shù)字化儀控系統(tǒng)，介紹了當(dāng)前二代核電機(jī)組進(jìn)行數(shù)字化儀控改造的內(nèi)容和組織管理，給核電廠儀控從業(yè)人員提供了參考。

［1］王家勝，洪振旻，胡平.核電廠數(shù)字化儀控系統(tǒng)改造中的幾種控制系統(tǒng)綜合應(yīng)用分析[J].核科學(xué)與工程，2005，25（3）.

［2］李臻.AP1000和EPR儀控系統(tǒng)簡介與對比[J].電力科學(xué)與工程，2009，25：41-44.

［3］李卓佳，張堅(jiān).EPR核電儀控總體結(jié)構(gòu)適應(yīng)新擴(kuò)展規(guī)范的技術(shù)改進(jìn)研究[J].核科學(xué)與工程，2011，31（111-117）.