核電廠數(shù)字化儀控系統(tǒng)設(shè)備鑒定解析

黃 甦，黃顯煊，司學(xué)良

（福建福清核電有限公司，福建 福清 350318）

核電廠數(shù)字化儀控系統(tǒng)設(shè)備鑒定解析

黃 甦，黃顯煊，司學(xué)良

（福建福清核電有限公司，福建 福清 350318）

對核電廠數(shù)字化儀控系統(tǒng) （DCS）設(shè)備鑒定進行解析，說明設(shè)備鑒定范圍，依據(jù)標準體系。比較不同供應(yīng)商間鑒定方法異同，提出鑒定關(guān)注事項

數(shù)字化儀控；設(shè)備鑒定；安全級

核電廠數(shù)字化儀控系統(tǒng) （簡稱DCS）是核電廠控制的核心，監(jiān)控近萬個設(shè)備的運行狀態(tài)，是機組安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行的保證。DCS包括安全級 （1E）和非安全級 （NC／NC＋）設(shè)備，NC＋級尤其是1E級DCS設(shè)備需要進行鑒定。目前國內(nèi)投產(chǎn)的安全級DCS均依賴進口，相關(guān)設(shè)備鑒定多依據(jù)國外標準。本文以部分核電廠不同安全級DCS鑒定為例，說明DCS鑒定范圍、依據(jù)標準，不同供應(yīng)商鑒定方法的異同以及鑒定關(guān)注項等，也為其他國外、國產(chǎn)化安全級DCS設(shè)備鑒定提供借鑒。

1 設(shè)備鑒定的情況

1．1 設(shè)備鑒定的定義

按照美國電氣電子工程師協(xié)會 （IEEE）標準IEEE 323，設(shè)備鑒定定義為 “確保設(shè)備在正常和異常工作條件下及假設(shè)設(shè)計基準事件期間將按需求運行，滿足系統(tǒng)性要求的證據(jù)的產(chǎn)生和保持”［1］。對于帶有軟件的電儀系統(tǒng)，設(shè)備鑒定包括硬件鑒定和軟件鑒定，本文所述設(shè)備鑒定主要針對設(shè)備硬件鑒定。

1．2 設(shè)備鑒定的主要內(nèi)容和方法

核電廠安全級設(shè)備鑒定通常包括環(huán)境鑒定和抗震鑒定，其中環(huán)境試驗包括：老化、輻照、振動、機械磨損、電磁和無線電干擾（EMC／RFI）、失水事故 （LOCA）等。由于安全級DCS主要是電儀設(shè)備，布置在核電廠主控室、電子間等和緩環(huán)境，設(shè)備鑒定一般不包括LOCA和機械磨損試驗。設(shè)備鑒定的基本方法主要有運行經(jīng)驗法、（論證）分析法和 （型式）試驗法三種。在實際的設(shè)備鑒定過程中，由于經(jīng)濟和時間投入的限制、有效模型和實際數(shù)據(jù)的缺乏等因素，通常采用不同方法的組合。

1．3 設(shè)備鑒定的主要流程

通常意義的設(shè)備鑒定指設(shè)備鑒定試驗。設(shè)備鑒定始于設(shè)備技術(shù)規(guī)格書，通過采購將規(guī)格書要求傳遞給設(shè)備廠家，并轉(zhuǎn)化成產(chǎn)品的最終設(shè)計，再通過鑒定試驗進行驗收。在設(shè)備鑒定試驗開始前，規(guī)格書中關(guān)于設(shè)備鑒定的要求首先被轉(zhuǎn)換成設(shè)備鑒定大綱，大綱闡明設(shè)備樣件的描述、試驗的實現(xiàn)過程、各項鑒定試驗的依據(jù)等，并規(guī)定試驗各階段驗收準則。作為對鑒定大綱進一步的細化，鑒定程序 （細則）給出更加具體的試驗步驟和要求，用于指導(dǎo)具體操作。也有部分廠家將鑒定大綱和鑒定程序合并成一份文件。在試驗正式實施前，鑒定大綱和程序 （細則）均需要得到采購方／設(shè)計方確認，并得到國內(nèi)核安全監(jiān)管部門批準。設(shè)備鑒定試驗過程包括：設(shè)備樣件的初始檢查、基準功能試驗、正常服役過程功能衰退的模擬、地震和設(shè)計基準事故的模擬、中間和最終的功能試驗等。采購方和核安全監(jiān)管部門可派員見證鑒定試驗過程。鑒定試驗完成后，設(shè)備廠家需將鑒定報告并連同相關(guān)文件提交采購方／設(shè)計方評審，并報核安全監(jiān)管部門。

2 設(shè)備鑒定的標準體系

2．1 國外核電廠DCS鑒定標準體系

國外對核電廠DCS鑒定標準體系主要包括美國體系和歐洲體系。美國體系包括：美國聯(lián)邦法規(guī)10CFR50，美國核管理委員會 （NUREG）頒布的管理導(dǎo)則 （RG）、標準審查大綱（NUREG－800），國際電工電子工程師協(xié)會（IEEE）發(fā)布的標準和美國電力研究協(xié)會（EPRI）發(fā)布的指導(dǎo)報告 （TR）等，依據(jù)主要標準構(gòu)架見圖1［2］。歐洲體系包括國際原子能機構(gòu) （IAEA）發(fā)布的法規(guī)、導(dǎo)則，國際電工委員會 （IEC）發(fā)布的標準等，依據(jù)主要標準構(gòu)架見圖2。在歐洲體系中，法國和德國各自建立了自己的一套鑒定標注體系，法國是IEC系列標準及配套規(guī)范；德國是KTA系列標準及配套規(guī)范，而對于系統(tǒng)級的鑒定，KTA標準又指向IEC 標準［3］。

圖1 美國鑒定標準體系Fig．1 Qualification standard system of the US

圖2 歐洲鑒定標準體系Fig．2 Qualification standard system of the EU

2．2 國內(nèi)核電廠DCS鑒定標準現(xiàn)狀

我國在接受和借鑒美國和歐洲標準的同時，正逐步建立相關(guān)標準體系，主要包括核安全法規(guī)和標準規(guī)范兩個層面。

2．2．1 安全導(dǎo)則

HAF 003《核電廠質(zhì)量保證安全規(guī)定》，主要針對設(shè)備設(shè)計控制、采購控制、物項控制、工藝過程控制、檢查和測試、不符合項管理等的質(zhì)量保證體系提出要求。

HAF 102《核動力廠設(shè)計安全規(guī)定》，強調(diào)安全級設(shè)備在設(shè)計時能應(yīng)該滿足縱深防御要求，在各種運行狀態(tài)下、在發(fā)生設(shè)計基準事故期間和之后，以及實際可能在發(fā)生所選定的超設(shè)計基準事故的工況下，能夠執(zhí)行基本的安全功能。

HAD 102／02 《核 電 廠 的 抗 震 設(shè) 計 與 鑒定》，對核電廠物項按其在發(fā)生設(shè)計基準地震時的安全重要性進行分類；對抗震設(shè)計、分析和試驗提出指導(dǎo)與建議。

HAF．j 0053《核設(shè)備抗震鑒定試驗指南》對于核電廠抗震試驗鑒定的范圍、試驗程序、步驟、試驗報告等進行了詳細的規(guī)定。

2．2．2 設(shè)備鑒定的標準規(guī)范

主要依據(jù)標準包括 《核電廠安全系統(tǒng)電氣設(shè)備抗震鑒定》（GB／T 13625）、《核電廠安全系統(tǒng)電氣設(shè)備質(zhì)量鑒定》 （GB／T 12727）和《電磁兼容試驗和測量技術(shù)》（GB／T 17626）等［4］。

3 設(shè)備鑒定的主要內(nèi)容及方法

核電廠DCS包括一層設(shè)備和二層設(shè)備，一層設(shè)備主要包括控制柜、網(wǎng)絡(luò)柜、電源柜、隔離機柜和繼電器柜及柜內(nèi)相關(guān)板卡、模塊、端子、電纜等機械／電子設(shè)備；二層設(shè)備主要包括主控室 （馬賽克）盤臺以及作為人機界面的計算機、服務(wù)器等。需要鑒定的設(shè)備主要包括安全級機柜和主控室盤臺及附件。以某電廠M310機組為例，與設(shè)備鑒定相關(guān)的安全級設(shè)備主要包括：約90個1E控制／隔離／優(yōu)選／電源機柜、5臺安全顯示單元 （SVDU）、8個后備盤臺 （BUP）、約600個盤臺馬賽克／安全級儀表、3個緊急控制盤 （ECP）／遠程停堆站（RSS）和8個1E事故記錄儀等。

國內(nèi)主要安全級DCS供貨情況如下：1）德 國 AREVA－SIEMENS 公 司 （簡 稱CASS）供貨的TXS平臺設(shè)備，已用于嶺澳二期M310機組、田灣核電廠俄羅斯VVER機組；2）日本三菱公司供貨的MELTAC平臺技術(shù)設(shè)備，已用于寧德核電廠、紅沿河、陽江核電廠的M310機組；3）德國施耐德公司 （原美國INVENSYS公司）TRICON平臺技術(shù)設(shè)備，已用于福清核電廠、方家山核電廠的M310機組；4）美國 ABB COMMON Q平臺技術(shù)設(shè)備，已用于三門、海陽核電廠的AP1000機組。本文以美國INVENSYS公司以及德國CASS安全級設(shè)備鑒定為例，簡述不同DCS設(shè)備供貨商鑒定的主要內(nèi)容及其異同。

3．1 美國INVENSYS TRICON平臺設(shè)備硬件鑒定

美國INVENSYS公司設(shè)備鑒定主要遵循IEEE標準，采用部件／平臺鑒定＋機柜抗震分析＋樣柜抗震試驗的鑒定方法；主控室盤臺鑒定以IEC標準為主，同時也遵循IEEE標準；對于外購的商業(yè)級產(chǎn)品，采用了 “商品級物項核級評定”（CGD）的方法。

3．1．1 INVENSYS公司TRICON控制系統(tǒng)主要安全級平臺鑒定

INVENSYS公司TRICON控制系統(tǒng)產(chǎn)品（主要指TRICONEX系列卡／部件、PLM優(yōu)選模塊和SVDU安全顯示單元）獲得美國核管會（NRC）的認可，因其首次國內(nèi)供貨，除提供NRC認可證明文件外，還對比分析NRC認可的試驗條件與采購方設(shè)計需求及國內(nèi)安全監(jiān)管要求的區(qū)別，對于部分未滿足要求的項目補做鑒定試驗 （如補做部分EMC試驗）。

安全級機柜抗震分析委托第三方公司按照IEEE 323、IEEE 344、RG 1．60 和 ASME QME－1—2007等標準，使用ANSYS軟件進行抗震分析。根據(jù)機柜結(jié)構(gòu)特點，將所有安全級機柜分為若干種立式／壁掛樣柜，在確定機柜內(nèi)部布置、重量分布基礎(chǔ)上，定義典型的機柜，找出機柜中產(chǎn)生最大加速度部位，確定相關(guān)機柜結(jié)構(gòu)件／固定件 （如導(dǎo)軌、固定螺栓等）強度是否滿足受力要求，對于抗震分析中發(fā)現(xiàn)的薄弱環(huán)節(jié)進行加固處理 （如增加機柜的K型支架等）。

INVENSYS公司還制造兩個典型樣柜 （樣柜囊括約220種主要部件），在上海同濟大學(xué)土木防災(zāi)國家重點實驗室振動臺試驗室開展0．2g抗震型式試驗。

3．1．2 主控室盤臺鑒定

主控室盤臺的鑒定試驗主要由有資質(zhì)的第三方實驗室負責(zé)，其鑒定試驗同時遵循IEC和IEEE標準，分為盤臺樣柜抗震型式試驗及馬賽克鑒定兩部分。馬賽克鑒定試驗主要包括：外觀檢查、尺寸測量、絕緣電阻測試、接地連續(xù)性測試等基本功能性測試、環(huán)境試驗 （主要指電磁兼容試驗）和抗震鑒定試驗。

3．1．3 商品級物項的核級評定

TRICON－I／A平臺技術(shù)設(shè)備中還包含部分商業(yè)級物項 （如隔離器、部分盤臺馬賽克、MCR／RSS切換開關(guān)等），鑒定采用CGD方式。遵照EPRI發(fā)布的針對商品級物項在核電廠中應(yīng)用的指導(dǎo)報告EPRI NP－5652《核電廠安全有關(guān)應(yīng)用中商品級物項導(dǎo)則》。CGD主要有四種方法：1）針對商品級物項的特殊試驗和檢查；2）商業(yè)級調(diào)查；3）源地驗證；4）質(zhì)量記錄調(diào)查［5］。部分供應(yīng)商采用上述四種方法的組合。INVENSYS公司主要采用第1）種方法，進而證明設(shè)備的關(guān)鍵特性滿足要求，其主要工作包括：外觀檢查、尺寸測量、主要性能測試、環(huán)境鑒定、EMC和抗震測試等。對于通過CGD試驗的，在提交的總體鑒定報告中說明；對于未能通過CGD的，則提供不符合項報告，在對試驗數(shù)據(jù)進行分析的基礎(chǔ)上，進行相應(yīng)改進或替換，并重新評定［6］。

3．2 德國CASS TXS平臺設(shè)備硬件鑒定解析

與美國INVENSYS不同，CASS控制機柜抗震鑒定主要依據(jù)歐洲IEC和KTA標準。鑒定主要包括安全級TXS機柜的硬件鑒定分析，安全級樣柜的抗震試驗，以及主控室盤臺的抗震試驗等。

3．2．1 安全級TXS的抗震分析

TXS系列機柜的抗震分析主要包括三個層面：一是設(shè)備 （部件）層；二是系統(tǒng)平臺層；三是電廠應(yīng)用層。TXS平臺鑒定包括電氣和機械部件鑒定兩部分，電氣部件鑒定主要包括功能試驗、環(huán)境試驗、抗震試驗等；機械部件鑒定主要包括柜體、機籠、機械輔材的鑒定。由于CASS擁有一套完整的安全級設(shè)備生產(chǎn)線，TXS平臺已通過IAEA和NRC的認證，在國內(nèi)有多家供貨經(jīng)驗，因此對于TXS鑒定關(guān)注重點不是平臺本身，而是設(shè)備部件層和電廠應(yīng)用層鑒定。在設(shè)備部件層主要是確定使用新的產(chǎn)品、卡／部件經(jīng)過相應(yīng)質(zhì)保流程來自CASS安全級部件倉庫，經(jīng)過相關(guān)EMC、抗震、兼容性測試，滿足IEC60780及特定環(huán)境需求。CASS專門提交AV42控制器模塊、IM153－2接口模塊和SSI1保險絲等多種部件的硬件鑒定報告。在核電廠應(yīng)用層，主要是確定能否滿足采購方的環(huán)境、抗震要求，如針對三代核電廠是否滿足0．3g的抗震要求。

3．2．2 安全級樣柜的抗震試驗

經(jīng)技術(shù)確認，將8種不同類型的安全級機柜整合成4種 （PIP／PAC／PI／SMC）樣柜，樣柜囊括所有類型的模塊和部件，并按照各種典型機柜最極端情況布置，并在第三方實驗室開展樣柜抗震型式試驗。

3．2．3 主控室盤臺鑒定

CASS主控室盤臺樣柜鑒定包括2個BUP后備盤樣柜、1個RSS樣柜和1個ECP樣柜，盤柜上安裝各種典型類型馬賽克至少3個，鑒定測試包括：絕緣測試、介電強度、接地連續(xù)性測試、EMC測試、熱老化測試和抗震測試等。

3．3 不同DCS設(shè)備鑒定方式的異同

INVENSYS和CASS盡管提供不同平臺產(chǎn)品，遵循不同的標準，但在DCS鑒定上仍有不少相似相通之處，其鑒定異同如表1所示。

4 DCS設(shè)備鑒定關(guān)注事項

自田灣核電站1號機組首次采用全數(shù)字化儀控系統(tǒng)以來，DCS已在國內(nèi)核電廠得到越來越廣泛的應(yīng)用，設(shè)備鑒定作為安全級DCS供貨前提，應(yīng)關(guān)注如下事項。

表1 DCS設(shè)備鑒定異同Table 1 Comparison of different DCS qualifications

4．1 設(shè)備鑒定與供貨進度的矛盾

目前，國內(nèi)核電機組普遍采用60個月建設(shè)工期，為保證后期安裝調(diào)試的順利開展，DCS應(yīng)在30～36個月左右供貨現(xiàn)場。受上下游提資影響，DCS首次設(shè)計輸入凍結(jié)較晚 （一般晚于24個月），而從樣柜制造到鑒定報告提交到采購方及安全監(jiān)管機構(gòu)認可鑒定工作的時間難以壓縮，容易造成DCS設(shè)備鑒定成為供貨的主線。故需要提前啟動DCS設(shè)計提資并開展樣柜制造，但易增加設(shè)備再鑒定的風(fēng)險。

4．2 供貨商同監(jiān)管當局對于抗震鑒定方法選擇不一致

歐洲和美國已有比較成熟抗震分析的軟件，相關(guān)供應(yīng)商為節(jié)省成本和保證進度往往推薦采用分析法進行抗震鑒定。但針對1E電氣設(shè)備，開展首次抗震鑒定時，國內(nèi)外標準及國內(nèi)監(jiān)管當局原則認可型式試驗鑒定方法。

4．3 型式試驗中樣柜選取及試驗條件問題

DCS設(shè)備部件眾多且存在后續(xù)變更風(fēng)險，在設(shè)計輸入并未完全凍結(jié)前選取典型性樣柜較為困難。由于第三方抗震試驗室條件限制，型式試驗環(huán)境可能無法保證與現(xiàn)場安裝環(huán)境一致。如：型式試驗時發(fā)現(xiàn)樣柜安裝采用螺栓固定而非實際采用的焊接固定方式，壁掛樣柜安裝在鋼板而非實際的水泥墻體上等。

4．4 部分設(shè)備鑒定標準還有待明確

不同國家和組織間在設(shè)備鑒定指標上仍存在差異，還有部分鑒定試驗項目是否必須開展還存在爭議。如：理論上安全級DCS設(shè)備位于和緩環(huán)境，不存在明顯老化機理，不需要明確其鑒定壽命，因此不需要進行老化試驗。但電子設(shè)備都存在運行老化和長期運行老化問題，故對電子設(shè)備是否必須開展老化試驗還存在爭議。

4．5 部分鑒定數(shù)據(jù)不對外公布

部分廠家及實驗室以鑒定試驗數(shù)據(jù)涉及知識產(chǎn)權(quán)為由，拒絕采購方參與見證型式試驗，不對外公布鑒定數(shù)據(jù)，僅提供鑒定結(jié)論。

5 結(jié)束語

通過對核電廠DCS設(shè)備鑒定的國內(nèi)外法規(guī)及相關(guān)標準、規(guī)范的總結(jié)，部分國外供應(yīng)商DCS設(shè)備鑒定的內(nèi)容、范圍及基本情況解析，明確了核電廠DCS設(shè)備鑒定依據(jù)標準體系、主要內(nèi)容范圍，以及重點關(guān)注項。隨著國產(chǎn)化三代機組 “華龍一號”的落地建設(shè)，以及國產(chǎn)DCS誕生和其在部分新建核電廠中的探索使用，國產(chǎn)DCS設(shè)備鑒定更應(yīng)盡快吸納先進核電國家鑒定有利經(jīng)驗，結(jié)合本國國情，增加本土化適用性要求。相關(guān)部門也需盡快規(guī)范和完善核電廠DCS鑒定標準體系，從而保障DCS設(shè)備及其鑒定標準能夠和國產(chǎn)三代核電一道扎根國內(nèi)，走向全球。

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Study on Qualification of Distributed Control System for Nuclear Power Plant

HUANG Su，HUANG Xian－xuan，SI Xue－liang
（Fuqing Nuclear Power Plant，F(xiàn)uqing，F(xiàn)ujian Prov．350318 China）

The paper introduces the scope and standard for the qualification of the distributed control system for nuclear power plant．The differences of qualification method of different suppliers are compared，and the concerned items are put forward．

distributed control system；qualification of equipment；safety class

TM623．4 Article character：A Article ID：1674－1617 （2017）03－0336－06

TM623．4

A

1674－1617 （2017）03－0336－06

10．12058／zghd．2017．03．336

2017－04－15

黃 甦 （1977—），男，高級工程師，現(xiàn)主要從事核電廠儀控工作 （E－mail：huangs＠fqnp．com）。

（責(zé)任編輯：白佳）