我國在建核電站采用全數字化儀控技術
——提高安全性
http://www.debgrams.com 2011-08-09 08:30 來源：電氣中國
導讀：日本福島發生核事故之后，客觀上對核電安全的要求提高，這也給儀控設備行業帶來了新的發展機遇，同時也對儀控技術與裝置的研究、設計、制造、選型、應用、維護提出了越來越高的要求。全數字化儀控系統的應用將對確保核電廠的安全、可靠、經濟運行，起到至關重要的作用。
今年5月，首屆中國(國際)核電儀控技術大會在北京召開，包括國家核安全主管部門、電力企業、科研院所以及核電儀控設備供應商等方面的200余名專家，對國內外核電儀控技術的現狀和發展趨勢進行交流與研討。
全數字化是發展趨勢
核電站從工程管理、工程設計、設備制造、工程建設、安全運行和退役，無一不體現高端技術。儀控系統就是其中一項重要的組成部分。
中核集團科技委副主任、中國工程院院士葉奇蓁認為，雖然國內核電行業采用數字化控制系統還處于起步階段，但隨著全球信息化和數字化技術的迅猛發展，核電儀表控制系統的數字化是當前核電技術發展的必然趨勢。
日本福島發生核事故之后，客觀上對核電安全的要求提高，這也給儀控設備行業帶來了新的發展機遇，同時也對儀控技術與裝置的研究、設計、制造、選型、應用、維護提出了越來越高的要求。全數字化儀控系統的應用將對確保核電廠的安全、可靠、經濟運行，起到至關重要的作用。
作為全數字化儀控系統在國內首次應用的江蘇田灣核電站，其出色的運行業績為核電站儀控領域的發展提供了良好實踐。全數字化儀控系統降低了人為誤操作引起的非計劃停堆停機的概率，并從軟件和硬件上確保了電站安全系統的高可靠性；全數字化儀控系統自田灣核電站投入臨時運行至今一直穩定運行，從未發生由于系統軟件或硬件原因造成的非計劃停堆；與傳統的模擬儀控系統相比，數字化儀控系統大大提高了核電廠運行的效率、安全性和可靠性。
田灣核電站的投運，標志著國內核電市場全數字化儀控時代已到來，目前在建的核電站均采用了全數字化的儀控技術。
何為數字化儀控系統
據北京廣利核系統工程有限公司總工程師朱毅明介紹， 核電儀控系統是核電站“神經中樞”，體現了工業控制領域的前沿技術，可分為模擬、模擬加數字、全數字三種類型，經歷了三代的發展過程。
最早是上世紀60年代，核電站是完全基于模擬組合儀表和繼電器的設計，這種設計還是比較可靠的，狀況良好,盡管功能比較簡單，維修起來比較費勁，但運行效果還是不錯的。
目前在國內的核電站基本上都是第二代，控制系統基本沿用了模擬單元組合式儀表，加入了計算機數據采集系統(DAS)，包括數據的采集、顯示、報警和日志記錄、趨勢的記錄等，與國內上世紀80年代火電廠的技術水平差不多。
全數字化的核電站儀控系統是第三代產品，它的控制層、監控層完全計算機化，實現先進主控室的設計，控制回路也根據計算機化的特點進行了改進，而不是把原來模擬系統的邏輯圖、原理圖直接拿過來用計算機實現。計算機系統是有其特點的，所以必須改進之后才能應用于DCS(分散式控制系統)，田灣核電站是世界第一家使用全數字化控制系統的新建核電站。
在大亞灣和秦山核電站,反應堆保護系統是組合式模擬儀表加繼電器邏輯；到上世紀90年代，嶺澳等核電站加入了采集系統，在主控室有幾個終端來顯示采集的數據和報警，模擬操作盤臺加上數字化采集系統，常規島與一般的火電廠基本相同，采用DCS，核島控制系統比較重要，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字化的控制系統, 主控室模擬盤大大縮小，甚至只剩下一個緊急操作盤，保護系統也升級為基于核安全級的DCS。
朱毅明把核電儀控系統分為三個層次：
一是儀表和執行器層次。核電站儀控系統的最基礎層次是儀表和執行器層,無論是火電、核電、輕工、化工、石化，與主設備打交道的主要是傳統的變送器、傳感器和執行器等。目前在核電站中大部分都是采用模擬技術，數字化技術很少采用，在信號傳輸方面也沒有采用現場總線技術。
二是控制層次。控制層基于數據采集單元、DCS控制站和PLC產品，完成現場信號輸入輸出、自動控制和保護功能。
三是監控層次。傳統的主控室基于老式的模擬盤，有點像上世紀70年代火電廠的大型模擬操作盤，上面有一些計算機化的數據采集系統。新型的主控室已經取消了模擬盤，完全采用計算機化的操作界面，每個操作員面前會有5~6臺操作終端，但會保留有少量的后備手動操作手段，作為計算機系統的后備。
儀控系統安全分級
據朱毅明介紹，各國對核電儀控系統設備的安全分級有很多種方式。比如，歐洲和美國的分類方法就不相同。美國只有核安全級(lE)和非安全級(NC)，歐洲的分類方式比較復雜，在歐洲主導的IEC 61226 標程中，將安全性重要的儀控系統分為A 、B 、C 三個等級。
在美國，儀表和執行器層次由安全級和非安全級設備組成，安全級設備中包括一些核專用的核測儀表，如中子通量的測量和與反應堆相關的特殊的變送器、傳感器。除此之外，還要用到很多核級的常規儀表。這種核級設備的設計制造，需要取得國家頒發的許可證。在非核級的設備中，除了一些核電站、反應堆專用的儀器儀表，大多是壓力、流量、溫度傳感器和變送器，與普通發電設備應用的沒有太大的差異，這部分設備的量也是很大的。
在控制層，分為核島、常規島、BOP等部分。核島的運行控制要歸到核安全級系統，因為其保證電廠處于正常穩定的運行工況。核安全級系統包括反應堆保護系統、專設安全設施控制(安注、安噴、輔助給水、安全殼隔離等)，還有一些相關的測量系統。如棒控棒位系統、堆芯測量系統。常規島部分基本全是非安全級的；BOP 部分也基本上是非安全設備,如放射性廢物處理、壓縮空氣、除鹽水、制氫、輻射監測、安防系統等。在監控層，除了主控室外，還有遠程停堆操作站，當主控室不可用時，操作人員可以在遠程停堆操作站停止反應堆反應。
數字化儀控系統安全分級
據朱毅明介紹，核電數字化儀控系統也分為非安全級(NC)、安全級(1E) 二類。非安全級主要完成機組在運行狀態下的自動控制和監控操作，也叫做運行儀控系統；安全級主要完成在事故工況下的保護和事故緩解功能，主要包括反應堆跳堆、專設安全設施控制、事故后監視等功能。
一、非安全級DCS。從核電站方面講，核電站不愿意采用數字化控制系統有二個顧慮。一是因為數字化控制系統都是采用馮諾依曼計算機基本結構，這種結構的計算機會不會在某種特定情況下導致全部失效? 比如2000年世界范圍內曾經爆發過“千年蟲”。二是軟件的可靠性問題。軟件的可靠性問題是一個世界級的難題，很難對軟件的可靠性進行量化評估。國外對于硬件的可靠性已經研究了幾十年，是可以應用概率論的方法進行量化的。復雜軟件的缺陷是不可避免的,如果要求將數字化儀控系統軟件的所有條件組合進行全覆蓋測試，將是一個天文數字，沒有任何人任何國家能夠做到。所以，造成了核電場對使用基于軟件的數字化儀控系統是非常謹慎的。一般情況下安全級、非安全級采用不同廠家的設備或不同設計技術的設備，這是一種多樣化的措施，可以避免控制系統和安全系統同時出現問題的情況。
核電站非安全級DCS與火電廠DCS的差異主要在于可靠性和可維護性的不同。核電站出于運營的需要，要求產品至少能夠在現場運行10~15年，維護期20~25年，這對廠家來說是非常困難的。很多芯片、顯示器、計算機等零部件和裝置都已經停產，而DCS廠家卻還要維護下去。在一些核電站，對于DCS還有抗地震要求，要求在SLl/SL2地震條件下保持系統功能的完整性。
二、核安全級DCS。這部分是與火電廠不同的，反應堆保護系統是核安全級DCS 重要的應用,基本是按照獨立多通道設計。目前運行的大亞灣、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堆保護系統, 田灣核電站在國內首先采用基于數字化技術的反應堆保護系統, 嶺澳二期和秦山一期保護系統改造也采用了類似的系統。
目前，核安全級DCS研發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DCS對于實時性要求很高，在DCS系統中，實時性一方面意味運算周期短，但更主要的是確定性。核安全級DCS對于信息安全有很高的要求，程序和數據受到保護，不受偶然的或者惡意的原因而遭到破壞、更改。數據真實性和完整性在儀控系統中更為重要，數據校驗和冗余是有效的方法。
國產化是突破重點
據了解，國內的核電站數字化儀控系統發展了很多年，但是因為市場太小，過去20多年就3~5個項目，發展緩慢。但現在不一樣，在建就是幾十臺,將來還會有幾十臺，市場容量擴大了。
數字化儀表控制系統控制著核電站300多個系統近萬套設備，是核電站的“控制中樞”和“神經中樞”，核電站數字化儀控系統由于安全性、可靠性要求極高，是核電裝備國產化最重要、最困難的部分。而控制系統一直是我國成套裝備國產化的薄弱環節。
目前，國內核電站數字化儀控系統和關鍵儀控設備主要被國外技術所壟斷，已投運或已開工建設的國內核電站項目，所采用的全數字化儀控系統均直接采用國外產品和技術，或者由國外公司總承包。數字化儀表控制系統設計自主化，成為我國大規模建設核電機組必須突破的核心技術之一。
“本次大會為核科學和儀器儀表領域專家的學術交流搭建了一個良好的平臺，對于推動我國核電儀控技術的發展，促進產、學、研、用緊密結合，推動我國核電儀控學術界的國際交流，有非常重要的意義。”國家環保部核安全管理司司長劉華在第一屆中國(國際)核電儀控技術大會上指出。
據悉，經過多年努力，我國已確立了較為完整的核電儀控設備設計、制造安全規范，形成了一批相對成熟的核電儀控設備供應商，國產化程度得到不斷提升。其中，核電站非安全級數字化儀控系統已經完全實現自主化；核安全級數字化控制平臺研制也取得了突破性進展，發布了具有完整自主知識產權據的原理樣機階段的研制成果。國產化儀控技術的發展將為核電安全架起更為穩固的防護網。
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