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我国在建核电站采用全数字化仪控技术

行业聚焦点中国仪表网2011年08月08日 09:47人气:4269

  5月26日,第一届中国(国际)核电仪控技术大会在北京召开,包括国家核安全主管部门、电力企业、科研院所以及核电仪控设备供应商等方面的200余名专家,对国内外核电仪控技术的现状和发展趋势进行交流与研讨。
  
  全数字化是发展趋势
  
  核电站从工程管理、工程设计、设备制造、工程建设、安全运行和退役,无一不体现高端技术。仪控系统就是其中一项重要的组成部分。
  
  中核集团科技委副主任、中国工程院院士叶奇蓁认为,虽然国内核电行业采用数字化控制系统还处于起步阶段,但随着全球信息化和数字化技术的迅猛发展,核电仪表控制系统的数字化是当前核电技术发展的必然趋势。
  
  日本福岛发生核事故之后,客观上对核电安全的要求提高,这也给仪控设备行业带来了新的发展机遇,同时也对仪控技术与装置的研究、设计、制造、选型、应用、维护提出了越来越高的要求。全数字化仪控系统的应用将对确保核电厂的安全、可靠、经济运行,起到至关重要的作用。
  
  作为全数字化仪控系统在国内首次应用的江苏田湾核电站,其出色的运行业绩为核电站仪控领域的发展提供了良好实践。全数字化仪控系统降低了人为误操作引起的非计划停堆停机的概率,并从软件和硬件上确保了电站安全系统的高可靠性;全数字化仪控系统自田湾核电站投入临时运行至今一直稳定运行,从未发生由于系统软件或硬件原因造成的非计划停堆;与传统的模拟仪控系统相比,数字化仪控系统大大提高了核电厂运行的效率、安全性和可靠性。
  
  田湾核电站的投运,标志着国内核电市场全数字化仪控时代已到来,目前在建的核电站均采用了全数字化的仪控技术。
  
  何为数字化仪控系统
  
  据北京广利核系统工程有限公司总工程师朱毅明介绍,核电仪控系统是核电站“神经中枢”,体现了工业控制领域的前沿技术,可分为模拟、模拟加数字、全数字三种类型,经历了三代的发展过程。
  
  最早是上世纪60年代,核电站是完全基于模拟组合仪表和继电器的设计,这种设计还是比较可靠的,状况良好,尽管功能比较简单,维修起来比较费劲,但运行效果还是不错的。
  
  目前在国内的核电站基本上都是第二代,控制系统基本沿用了模拟单元组合式仪表,加入了计算机数据采集系统(DAS),包括数据的采集、显示、报警和日志记录、趋势的记录等,与国内上世纪80年代火电厂的技术水平差不多。
  
  全数字化的核电站仪控系统是第三代产品,它的控制层、监控层完全计算机化,实现先进主控室的设计,控制回路也根据计算机化的特点进行了改进,而不是把原来模拟系统的逻辑图、原理图直接拿过来用计算机实现。计算机系统是有其特点的,所以必须改进之后才能应用于DCS(分散式控制系统),田湾核电站是世界第一家使用全数字化控制系统的新建核电站。
  
  在大亚湾和秦山核电站,反应堆保护系统是组合式模拟仪表加继电器逻辑;到上世纪90年代,岭澳等核电站加入了采集系统,在主控室有几个终端来显示采集的数据和报警,模拟操作盘台加上数字化采集系统,常规岛与一般的火电厂基本相同,采用DCS,核岛控制系统比较重要,沿用了组合式仪表。2000年以来,田湾等在建的核电站都用到了全数字化的控制系统,主控室模拟盘大大缩小,甚至只剩下一个紧急操作盘,保护系统也升级为基于核安全级的DCS。
  
  朱毅明把核电仪控系统分为三个层次:
  
  一是仪表和执行器层次。核电站仪控系统的最基础层次是仪表和执行器层,无论是火电、核电、轻工、化工、石化,与主设备打交道的主要是传统的变送器、传感器和执行器等。目前在核电站中大部分都是采用模拟技术,数字化技术很少采用,在信号传输方面也没有采用现场总线技术。
  
  二是控制层次。控制层基于数据采集单元、DCS控制站和PLC产品,完成现场信号输入输出、自动控制和保护功能。
  
  三是监控层次。传统的主控室基于老式的模拟盘,有点像上世纪70年代火电厂的大型模拟操作盘,上面有一些计算机化的数据采集系统。新型的主控室已经取消了模拟盘,完全采用计算机化的操作界面,每个操作员面前会有5~6台操作终端,但会保留有少量的后备手动操作手段,作为计算机系统的后备。
  
  仪控系统安全分级
  
  据朱毅明介绍,各国对核电仪控系统设备的安全分级有很多种方式。比如,欧洲和美国的分类方法就不相同。美国只有核安全级(lE)和非安全级(NC),欧洲的分类方式比较复杂,在欧洲主导的IEC61226标程中,将安全性重要的仪控系统分为A、B、C三个等级。
  
  在美国,仪表和执行器层次由安全级和非安全级设备组成,安全级设备中包括一些核专用的核测仪表,如中子通量的测量和与反应堆相关的特殊的变送器、传感器。除此之外,还要用到很多核级的常规仪表。这种核级设备的设计制造,需要取得国家颁发的许可证。在非核级的设备中,除了一些核电站、反应堆专用的仪器仪表,大多是压力、流量、温度传感器和变送器,与普通发电设备应用的没有太大的差异,这部分设备的量也是很大的。
  
  在控制层,分为核岛、常规岛、BOP等部分。核岛的运行控制要归到核安全级系统,因为其保证电厂处于正常稳定的运行工况。核安全级系统包括反应堆保护系统、专设安全设施控制(安注、安喷、辅助给水、安全壳隔离等),还有一些相关的测量系统。如棒控棒位系统、堆芯测量系统。常规岛部分基本全是非安全级的;BOP部分也基本上是非安全设备,如放射性废物处理、压缩空气、除盐水、制氢、辐射监测、安防系统等。在监控层,除了主控室外,还有远程停堆操作站,当主控室不可用时,操作人员可以在远程停堆操作站停止反应堆反应。
  
  数字化仪控系统安全分级
  
  据朱毅明介绍,核电数字化仪控系统也分为非安全级(NC)、安全级(1E)二类。非安全级主要完成机组在运行状态下的自动控制和监控操作,也叫做运行仪控系统;安全级主要完成在事故工况下的保护和事故缓解功能,主要包括反应堆跳堆、专设安全设施控制、事故后监视等功能。
  
  一、非安全级DCS。从核电站方面讲,核电站不愿意采用数字化控制系统有二个顾虑。一是因为数字化控制系统都是采用冯诺依曼计算机基本结构,这种结构的计算机会不会在某种特定情况下导致全部失效?比如2000年世界范围内曾经爆发过“千年虫”。二是软件的可靠性问题。软件的可靠性问题是一个世界级的难题,很难对软件的可靠性进行量化评估。国外对于硬件的可靠性已经研究了几十年,是可以应用概率论的方法进行量化的。复杂软件的缺陷是不可避免的,如果要求将数字化仪控系统软件的所有条件组合进行全覆盖测试,将是一个天文数字,没有任何人任何国家能够做到。所以,造成了核电场对使用基于软件的数字化仪控系统是非常谨慎的。一般情况下安全级、非安全级采用不同厂家的设备或不同设计技术的设备,这是一种多样化的措施,可以避免控制系统和安全系统同时出现问题的情况。
  
  核电站非安全级DCS与火电厂DCS的差异主要在于可靠性和可维护性的不同。核电站出于运营的需要,要求产品至少能够在现场运行10~15年,维护期20~25年,这对厂家来说是非常困难的。很多芯片、显示器、计算机等零部件和装置都已经停产,而DCS厂家却还要维护下去。在一些核电站,对于DCS还有抗地震要求,要求在SLl/SL2地震条件下保持系统功能的完整性。
  
  二、核安全级DCS。这部分是与火电厂不同的,反应堆保护系统是核安全级DCS重要的应用,基本是按照独立多通道设计。目前运行的大亚湾、岭澳一期核电站均采用模拟组合仪表、继电器和磁逻辑的反应堆保护系统,田湾核电站在国内首先采用基于数字化技术的反应堆保护系统,岭澳二期和秦山一期保护系统改造也采用了类似的系统。
  
  目前,核安全级DCS研发最大的问题是软件的可靠性。目前,软件可靠性无法量化。
  
  核安全级DCS对于实时性要求很高,在DCS系统中,实时性一方面意味运算周期短,但更主要的是确定性。核安全级DCS对于信息安全有很高的要求,程序和数据受到保护,不受偶然的或者恶意的原因而遭到破坏、更改。数据真实性和完整性在仪控系统中更为重要,数据校验和冗余是有效的方法。
  
  国产化是突破重点
  
  据了解,国内的核电站数字化仪控系统发展了很多年,但是因为市场太小,过去20多年就3~5个项目,发展缓慢。但现在不一样,在建就是几十台,将来还会有几十台,市场容量扩大了。
  
  数字化仪表控制系统控制着核电站300多个系统近万套设备,是核电站的“控制中枢”和“神经中枢”,核电站数字化仪控系统由于安全性、可靠性要求极高,是核电装备国产化最重要、最困难的部分。而控制系统一直是我国成套装备国产化的薄弱环节。
  
  目前,国内核电站数字化仪控系统和关键仪控设备主要被国外技术所垄断,已投运或已开工建设的国内核电站项目,所采用的全数字化仪控系统均直接采用国外产品和技术,或者由国外公司总承包。数字化仪表控制系统设计自主化,成为我国大规模建设核电机组必须突破的核心技术之一。
  
  “本次大会为核科学和仪器仪表领域专家的学术交流搭建了一个良好的平台,对于推动我国核电仪控技术的发展,促进产、学、研、用紧密结合,推动我国核电仪控学术界的国际交流,有非常重要的意义。”国家环保部核安全管理司司长刘华在第一届中国(国际)核电仪控技术大会上指出。
  
  据悉,经过多年努力,我国已确立了较为完整的核电仪控设备设计、制造安全规范,形成了一批相对成熟的核电仪控设备供应商,国产化程度得到不断提升。其中,核电站非安全级数字化仪控系统已经完全实现自主化;核安全级数字化控制平台研制也取得了突破性进展,发布了具有完整自主知识产权据的原理样机阶段的研制成果。国产化仪控技术的发展将为核电安全架起更为稳固的防护网。
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