我國在建核電站采用全數(shù)字化儀控技術(shù)

1、我國在建核電站采用全數(shù)字化儀控技術(shù)5月26日,第一屆中國(國際核電儀控技術(shù)大會(huì)在北京召開,包括國家核安全主管部門、電力企業(yè)、科研院所以及核電儀控設(shè)備供應(yīng)商等方面的200余名專家,對(duì)國內(nèi)外核電儀控技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢進(jìn)行交流與研討。全數(shù)字化是發(fā)展趨勢核電站從工程管理、工程設(shè)計(jì)、設(shè)備制造、工程建設(shè)、安全運(yùn)行和退役,無一不體現(xiàn)高端技術(shù)。儀控系統(tǒng)就是其中一項(xiàng)重要的組成部分。中核集團(tuán)科技委副主任、中國工程院院士葉奇蓁認(rèn)為,雖然國內(nèi)核電行業(yè)采用數(shù)字化控制系統(tǒng)還處于起步階段,但隨著全球信息化和數(shù)字化技術(shù)的迅猛發(fā)展,核電儀表控制系統(tǒng)的數(shù)字化是當(dāng)前核電技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。日本福島發(fā)生核事故之后,客觀上對(duì)核電安全

2、的要求提高,這也給儀控設(shè)備行業(yè)帶來了新的發(fā)展機(jī)遇,同時(shí)也對(duì)儀控技術(shù)與裝置的研究、設(shè)計(jì)、制造、選型、應(yīng)用、維護(hù)提出了越來越高的要求。全數(shù)字化儀控系統(tǒng)的應(yīng)用將對(duì)確保核電廠的安全、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行,起到至關(guān)重要的作用。作為全數(shù)字化儀控系統(tǒng)在國內(nèi)首次應(yīng)用的江蘇田灣核電站,其出色的運(yùn)行業(yè)績?yōu)楹穗娬緝x控領(lǐng)域的發(fā)展提供了良好實(shí)踐。全數(shù)字化儀控系統(tǒng)降低了人為誤操作引起的非計(jì)劃停堆停機(jī)的概率,并從軟件和硬件上確保了電站安全系統(tǒng)的高可靠性;全數(shù)字化儀控系統(tǒng)自田灣核電站投入臨時(shí)運(yùn)行至今一直穩(wěn)定運(yùn)行,從未發(fā)生由于系統(tǒng)軟件或硬件原因造成的非計(jì)劃停堆;與傳統(tǒng)的模擬儀控系統(tǒng)相比,數(shù)字化儀控系統(tǒng)大大提高了核電廠運(yùn)行的效率、安全

3、性和可靠性。田灣核電站的投運(yùn),標(biāo)志著國內(nèi)核電市場全數(shù)字化儀控時(shí)代已到來,目前在建的核電站均采用了全數(shù)字化的儀控技術(shù)。何為數(shù)字化儀控系統(tǒng)據(jù)北京廣利核系統(tǒng)工程有限公司總工程師朱毅明介紹,核電儀控系統(tǒng)是核電站“神經(jīng)中樞”,體現(xiàn)了工業(yè)控制領(lǐng)域的前沿技術(shù),可分為模擬、模擬加數(shù)字、全數(shù)字三種類型,經(jīng)歷了三代的發(fā)展過程。最早是上世紀(jì)60年代,核電站是完全基于模擬組合儀表和繼電器的設(shè)計(jì),這種設(shè)計(jì)還是比較可靠的,狀況良好,盡管功能比較簡單,維修起來比較費(fèi)勁,但運(yùn)行效果還是不錯(cuò)的。目前在國內(nèi)的核電站基本上都是第二代,控制系統(tǒng)基本沿用了模擬單元組合式儀表,加入了計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DAS,包括數(shù)據(jù)的采集、顯示、報(bào)警

4、和日志記錄、趨勢的記錄等,與國內(nèi)上世紀(jì)80年代火電廠的技術(shù)水平差不多。全數(shù)字化的核電站儀控系統(tǒng)是第三代產(chǎn)品,它的控制層、監(jiān)控層完全計(jì)算機(jī)化,實(shí)現(xiàn)先進(jìn)主控室的設(shè)計(jì),控制回路也根據(jù)計(jì)算機(jī)化的特點(diǎn)進(jìn)行了改進(jìn),而不是把原來模擬系統(tǒng)的邏輯圖、原理圖直接拿過來用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是有其特點(diǎn)的,所以必須改進(jìn)之后才能應(yīng)用于DCS(分散式控制系統(tǒng),田灣核電站是世界第一家使用全數(shù)字化控制系統(tǒng)的新建核電站。在大亞灣和秦山核電站,反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)是組合式模擬儀表加繼電器邏輯;到上世紀(jì)90年代,嶺澳等核電站加入了采集系統(tǒng),在主控室有幾個(gè)終端來顯示采集的數(shù)據(jù)和報(bào)警,模擬操作盤臺(tái)加上數(shù)字化采集系統(tǒng),常規(guī)島與一般的火電廠基

5、本相同,采用DCS,核島控制系統(tǒng)比較重要,沿用了組合式儀表。2000年以來,田灣等在建的核電站都用到了全數(shù)字化的控制系統(tǒng),主控室模擬盤大大縮小,甚至只剩下一個(gè)緊急操作盤,保護(hù)系統(tǒng)也升級(jí)為基于核安全級(jí)的DCS。朱毅明把核電儀控系統(tǒng)分為三個(gè)層次:一是儀表和執(zhí)行器層次。核電站儀控系統(tǒng)的最基礎(chǔ)層次是儀表和執(zhí)行器層,無論是火電、核電、輕工、化工、石化,與主設(shè)備打交道的主要是傳統(tǒng)的變送器、傳感器和執(zhí)行器等。目前在核電站中大部分都是采用模擬技術(shù),數(shù)字化技術(shù)很少采用,在信號(hào)傳輸方面也沒有采用現(xiàn)場總線技術(shù)。二是控制層次。控制層基于數(shù)據(jù)采集單元、DCS控制站和PLC產(chǎn)品,完成現(xiàn)場信號(hào)輸入輸出、自動(dòng)控制和保護(hù)功能。

6、三是監(jiān)控層次。傳統(tǒng)的主控室基于老式的模擬盤,有點(diǎn)像上世紀(jì)70年代火電廠的大型模擬操作盤,上面有一些計(jì)算機(jī)化的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。新型的主控室已經(jīng)取消了模擬盤,完全采用計(jì)算機(jī)化的操作界面,每個(gè)操作員面前會(huì)有56臺(tái)操作終端,但會(huì)保留有少量的后備手動(dòng)操作手段,作為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的后備。儀控系統(tǒng)安全分級(jí)據(jù)朱毅明介紹,各國對(duì)核電儀控系統(tǒng)設(shè)備的安全分級(jí)有很多種方式。比如,歐洲和美國的分類方法就不相同。美國只有核安全級(jí)(lE和非安全級(jí)(NC,歐洲的分類方式比較復(fù)雜,在歐洲主導(dǎo)的IEC61226標(biāo)程中,將安全性重要的儀控系統(tǒng)分為A、B、C三個(gè)等級(jí)。在美國,儀表和執(zhí)行器層次由安全級(jí)和非安全級(jí)設(shè)備組成,安全級(jí)設(shè)備中包括一些

7、核專用的核測儀表,如中子通量的測量和與反應(yīng)堆相關(guān)的特殊的變送器、傳感器。除此之外,還要用到很多核級(jí)的常規(guī)儀表。這種核級(jí)設(shè)備的設(shè)計(jì)制造,需要取得國家頒發(fā)的許可證。在非核級(jí)的設(shè)備中,除了一些核電站、反應(yīng)堆專用的儀器儀表,大多是壓力、流量、溫度傳感器和變送器,與普通發(fā)電設(shè)備應(yīng)用的沒有太大的差異,這部分設(shè)備的量也是很大的。在控制層,分為核島、常規(guī)島、BOP等部分。核島的運(yùn)行控制要?dú)w到核安全級(jí)系統(tǒng),因?yàn)槠浔ＷC電廠處于正常穩(wěn)定的運(yùn)行工況。核安全級(jí)系統(tǒng)包括反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)、專設(shè)安全設(shè)施控制(安注、安噴、輔助給水、安全殼隔離等,還有一些相關(guān)的測量系統(tǒng)。如棒控棒位系統(tǒng)、堆芯測量系統(tǒng)。常規(guī)島部分基本全是非安全級(jí)的;

8、BOP部分也基本上是非安全設(shè)備,如放射性廢物處理、壓縮空氣、除鹽水、制氫、輻射監(jiān)測、安防系統(tǒng)等。在監(jiān)控層,除了主控室外,還有遠(yuǎn)程停堆操作站,當(dāng)主控室不可用時(shí),操作人員可以在遠(yuǎn)程停堆操作站停止反應(yīng)堆反應(yīng)。數(shù)字化儀控系統(tǒng)安全分級(jí)據(jù)朱毅明介紹,核電數(shù)字化儀控系統(tǒng)也分為非安全級(jí)(NC、安全級(jí)(1E二類。非安全級(jí)主要完成機(jī)組在運(yùn)行狀態(tài)下的自動(dòng)控制和監(jiān)控操作,也叫做運(yùn)行儀控系統(tǒng);安全級(jí)主要完成在事故工況下的保護(hù)和事故緩解功能,主要包括反應(yīng)堆跳堆、專設(shè)安全設(shè)施控制、事故后監(jiān)視等功能。一、非安全級(jí)DCS。從核電站方面講,核電站不愿意采用數(shù)字化控制系統(tǒng)有二個(gè)顧慮。一是因?yàn)閿?shù)字化控制系統(tǒng)都是采用馮諾依曼計(jì)算機(jī)基本

9、結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)會(huì)不會(huì)在某種特定情況下導(dǎo)致全部失效?比如2000年世界范圍內(nèi)曾經(jīng)爆發(fā)過“千年蟲”。二是軟件的可靠性問題。軟件的可靠性問題是一個(gè)世界級(jí)的難題,很難對(duì)軟件的可靠性進(jìn)行量化評(píng)估。國外對(duì)于硬件的可靠性已經(jīng)研究了幾十年,是可以應(yīng)用概率論的方法進(jìn)行量化的。復(fù)雜軟件的缺陷是不可避免的,如果要求將數(shù)字化儀控系統(tǒng)軟件的所有條件組合進(jìn)行全覆蓋測試,將是一個(gè)天文數(shù)字,沒有任何人任何國家能夠做到。所以,造成了核電場對(duì)使用基于軟件的數(shù)字化儀控系統(tǒng)是非常謹(jǐn)慎的。一般情況下安全級(jí)、非安全級(jí)采用不同廠家的設(shè)備或不同設(shè)計(jì)技術(shù)的設(shè)備,這是一種多樣化的措施,可以避免控制系統(tǒng)和安全系統(tǒng)同時(shí)出現(xiàn)問題的情況。核電站

10、非安全級(jí)DCS與火電廠DCS的差異主要在于可靠性和可維護(hù)性的不同。核電站出于運(yùn)營的需要,要求產(chǎn)品至少能夠在現(xiàn)場運(yùn)行1015年,維護(hù)期2025年,這對(duì)廠家來說是非常困難的。很多芯片、顯示器、計(jì)算機(jī)等零部件和裝置都已經(jīng)停產(chǎn),而DCS 廠家卻還要維護(hù)下去。在一些核電站,對(duì)于DCS還有抗地震要求,要求在SLl/SL2地震條件下保持系統(tǒng)功能的完整性。二、核安全級(jí)DCS。這部分是與火電廠不同的,反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)是核安全級(jí)DCS重要的應(yīng)用,基本是按照獨(dú)立多通道設(shè)計(jì)。目前運(yùn)行的大亞灣、嶺澳一期核電站均采用模擬組合儀表、繼電器和磁邏輯的反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng),田灣核電站在國內(nèi)首先采用基于數(shù)字化技術(shù)的反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng),嶺澳二

11、期和秦山一期保護(hù)系統(tǒng)改造也采用了類似的系統(tǒng)。目前,核安全級(jí)DCS研發(fā)最大的問題是軟件的可靠性。目前,軟件可靠性無法量化。核安全級(jí)DCS對(duì)于實(shí)時(shí)性要求很高,在DCS系統(tǒng)中,實(shí)時(shí)性一方面意味運(yùn)算周期短,但更主要的是確定性。核安全級(jí)DCS對(duì)于信息安全有很高的要求,程序和數(shù)據(jù)受到保護(hù),不受偶然的或者惡意的原因而遭到破壞、更改。數(shù)據(jù)真實(shí)性和完整性在儀控系統(tǒng)中更為重要,數(shù)據(jù)校驗(yàn)和冗余是有效的方法。國產(chǎn)化是突破重點(diǎn)據(jù)了解,國內(nèi)的核電站數(shù)字化儀控系統(tǒng)發(fā)展了很多年,但是因?yàn)槭袌鎏?過去20多年就35個(gè)項(xiàng)目,發(fā)展緩慢。但現(xiàn)在不一樣,在建就是幾十臺(tái),將來還會(huì)有幾十臺(tái),市場容量擴(kuò)大了。數(shù)字化儀表控制系統(tǒng)控制著核電站

12、300多個(gè)系統(tǒng)近萬套設(shè)備,是核電站的“控制中樞”和“神經(jīng)中樞”,核電站數(shù)字化儀控系統(tǒng)由于安全性、可靠性要求極高,是核電裝備國產(chǎn)化最重要、最困難的部分。而控制系統(tǒng)一直是我國成套裝備國產(chǎn)化的薄弱環(huán)節(jié)。目前,國內(nèi)核電站數(shù)字化儀控系統(tǒng)和關(guān)鍵儀控設(shè)備主要被國外技術(shù)所壟斷,已投運(yùn)或已開工建設(shè)的國內(nèi)核電站項(xiàng)目,所采用的全數(shù)字化儀控系統(tǒng)均直接采用國外產(chǎn)品和技術(shù),或者由國外公司總承包。數(shù)字化儀表控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)自主化,成為我國大規(guī)模建設(shè)核電機(jī)組必須突破的核心技術(shù)之一?！氨敬未髸?huì)為核科學(xué)和儀器儀表領(lǐng)域?qū)＜业膶W(xué)術(shù)交流搭建了一個(gè)良好的平臺(tái),對(duì)于推動(dòng)我國核電儀控技術(shù)的發(fā)展,促進(jìn)產(chǎn)、學(xué)、研、用緊密結(jié)合,推動(dòng)我國核電儀控學(xué)術(shù)界的國際交流,有非常重要的意義?！眹噎h(huán)保部核安全管理司司長劉華在第一