三代核电机组数字化仪控系统及其国产化分析

　　摘要：为了进一步理清三代核电机组数字化仪控系统国产化的思路和途径，在对AP1000非能动核电机组仪控系统技术特点进行简要分析的基础上，详细阐述了我国核电发展的新形势以及仪表和控制设备国产化的必要性。
　　
　　引言
　　
　　在过去的几年里，国家核电发展的定位和途径发生了重大转变。我国核电发展正在由过去的“适度发展”时期进入“加快推进”时期，同时强调在引进、消化吸收和再创新的基础上坚持“以我为主”的原则，重视核电建设的国产化方向。国务院批准成立国家核电技术公司，以从事第三代核电机组（AP1000）技术的引进、消化吸收、研发、应用和推广工作。各相关公司通过自主创新，逐渐形成自主品牌的核电技术，这也标志着我国三代核电自主开发建设的一个崭新时期正在到来。
　　
　　一、AP1000仪控系统的技术特点
　　
　　AP1000是第三代非能动类型核电机组，其zui重要的特点是采用了非能动的专设安全系统，从而使得核电厂的安全性和经济性得到了显著改善。同时，作为AP1000核电机组标志性技术的仪表控制系统，采用数字化分布式控制系统也是一项重大改进。无论在设计理念上，还是在具体的系统设计方面，AP1000核电厂的仪表控制系统与第二代压水堆核电厂都有较大的不同。
　　
　　AP1000数字化仪控系统和设备包括八大类：①反应堆保护系统、②多样性驱动系统、③控制室和人机接口设备、④仪表设备（反应堆堆外核测量、反应堆堆内核测量、控制棒控制和棒位指示、辐射监测、地震仪表等）、⑤电站控制系统（电站核岛、常规岛控制系统和汽轮发电机控制系统）、⑥核级热工测量仪表和执行机构、⑦非核级热工测量仪表和执行机构、⑧诊断设备（核岛特殊监测系统的松动部件监测、主泵振动诊断、堆芯吊篮振动监测和常规岛的汽机诊断系统等）。AP1000仪控系统具有以下主要特点：
　　
　　①采用非能动的专设安全系统，专设安全设施驱动系统的设计有很大的改进；
　　
　　②AP1000核电厂的仪表控制系统采用数字化分布式控制系统（目前依托项目采用Ovation和CommonQ平台），使AP1000的仪表控制系统性能得到全面的改进；
　　
　　③人机接口系统设计采用*的人因工程学原理，改善了人机接口和运行环境，减少了操纵人员的人为错误，降低了操纵人员的负荷强度；
　　
　　④采用灰棒控制组件，负荷跟踪时不需要调硼，这不仅增强了核电厂的负荷跟踪能力，也减少了放射性废水量；
　　
　　⑤采用轴向偏移（AO）控制棒组件，使轴向功率分布控制达到*自动化；
　　
　　⑥采用固定式堆芯自给能探测器，探测器与BEACON系统数据处理器相结合能生成完整的反应堆堆芯核功率分布的三维图形，可以实时监测堆芯核功率分布情况；
　　
　　⑦采用快速降功率系统，降低了对蒸汽排放能力（APl000核电厂的蒸汽排放总量仅为40%）的要求；
　　
　　⑧AP1000设置的多样化驱动系统（DAS）不仅能处理不能停堆预期瞬态事件（ATWS），而且还能应用于不能执行专设安全系统的情况，从而提高了核电厂的安全性；
　　
　　二、国产化分析
　　
　　2.1国产化的必要性
　　
　　按照我国《核电中长期发展规划（2005-2020年）》，到2020年，我国核电运行装机容量达到4xl0kW以上，在建容量达到1.8x10的7次方kw以上，即从现在起到2020年的10年时间内要提供约5x10的7次方kw核电装备，也就是平均每年提供4套百万千瓦级核电机组才能满足2020年实现4x10的7次方kw核电装机投运、1.8xl0的7次方kw核电装机在建的要求，同时需要50套（每年4套以上）百万千瓦级核电仪控系统及设备。国务院已明确表示，全国所有新审批的核电项目将采用以AP1000或具有自主知识产权的CAP系列为主的三代核电技术。而作为三代核电技术的标志性设备，数字化仪控系统将在新建的三代核电站中得到广泛应用。
　　
　　由于国内仪表设备制造业水平总体上与*水平存在较大差距，目前国内核电站数字化仪控系统和关键仪控设备主要被*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图。从恰希玛核电一期工程至今，国产数字化仪控系统的应用仅局限于信息采集和指示，核心的电站控制系统和反应堆保护系统一直没有合适的国产数字化仪控系统平台，数字化仪控系统设计、设备供应基本处于空白状态。
　　
　　为了满足国家核电事业快速发展的需要，加快国内核电数字化仪控系统和设备的设计、研发、制造和集成技术的发展，及时进行引进、消化吸收和再创新，*国内核电数字化仪控系统的设计和设备供应空白，研发制造拥有自主知识产权的数字化仪控系统已经变得十分必要和紧迫。
　　
　　2.2国产化的发展思路
　　
　　由于三代核电机组数字化仪控技术的复杂性、高风险性以及高昂的研发成本，进行*自主开发是不可行的，也是不科学的。在*技术的基础上发展我国三代核电机组仪控技术，是三代核电机组仪控系统较好的发展途径，同时，也是保证核电仪控系统国产化的基础。我们可以充分利用核电市场呈现出的买方市场特征，以及中国在核电合作中处于相对有利的地位等条件，重点引进关键技术和共性技术，消化吸收*技术，并在此基础上实现创新，从而实现三代核电机组数字化仪控系统质的跨越。
　　
　　①APl000技术转让是三代核电机组数字化仪控系统国产化的技术基础。
　　
　　2007年2月28日，国家核电技术公司与美国西屋联合体签订了AP1000三代核电技术转让框架合同。根据合同规定，转让方或担保方必须转让的（包括转让方或担保方雇员所拥有的技术）AP1000核电站技术包括、专有技术、信息、研发资料、计算机程序以及工程／设计、许可、制造、组装、土建、安装、测试、调试和启动、运行、维护以及检验等方面。其中，技术转让任务包TP13是西屋公司在APl000数字化仪控应用设计领域的技术转让，主要包括质量保证、系统设计、设备采购和工程管理等方面的内容。
　　
　　在引进AP1000数字化仪控系统*技术的基础上，还需增强消化吸收能力、提高消化吸收的效率。技术转让将为三代核电数字化仪控系统的再创新提供坚实的基础。
　　
　　②AP1000依托项目是数字化仪控系统消化吸收的重要途径。
　　
　　三门和海阳核电站1、2号机组作为API000机组国产化的依托项目，由国家核电技术公司联合美国西屋公司（WestinghouseElectricCo.）和绍尔工程公司（ShawGroupInc.）负责实施自主化依托项目的工程设计、工程建造和项目管理。
　　
　　AP1000自主化依托项目的正式开工，标志着我国通过引进美国第三代核电技术、加快发展自主核电技术与装备的战略开始全面实施，这是实现我国核电自主化的关键环节。
　　
　　同样，APl000依托项目的实施也是我国核电数字化仪控系统引进消化吸收上*技术，实现再创新、实现技术水平和管理能力跨越式发展的大好机遇。这对带动我国仪表和工控行业的振兴和产业升级具有重大的战略意义。
　　
　　③重大专项的成功研制是三代核电数字化仪控系统国产化的关键所在。
　　
　　国家科技重大专项“大型*压水堆核电站示范工程”的zui终目标是建成具有自主知识产权的CAP系列的大型第三代压水堆核电站。其中数字化仪控系统的研制是大型第三代压水堆核电机组的重要课题之一。
　　
　　APl000的技术转让、消化吸收和再创新，在逻辑上是一个循序渐进的过程。技术转让是三代核电仪控系统国产化的技术基础；而AP1000依托项目的消化吸收是三代核电仪控系统国产化的重要途径。通过这两个过程形成再创新的基础，进行重大专项CAP系列堆型数字化仪控系统的研制，是实现三代核电数字化仪控系统国产化的关键和重要标志。
　　
　　2.3国产化的依托平台
　　
　　2007年，我国全面引进了美国西屋公司AP1000三代核电技术，其中包括数字化仪控系统设计、系统集成、设备鉴定和部分仪控设备制造技术。2008年，国家核电技术公司和上海自动化仪表股份有限公司共同出资组建了国核自仪系统工程有限公司（简称“国核自仪”）。作为AP1000数字化仪控技术的受让主体，国核自仪负责接收和掌握仪控系统设计过程和控制程序、技术文件、西屋拥有的计算机工程设计工具、计算机代码、仪控设备采购控制、仪控平台采购规范书、安装图纸、硬件鉴定、系统软件的验证和确认等内容。同时，通过参与依托项目数字化仪控系统的工程实施，公司将逐步掌握AP1000数字化仪控系统的主要核心技术。
　　
　　在国家科技重大专项“大型*压水堆核电站示范工程”实施过程中，国核自仪作为“大型*压水堆核电站数字化仪控系统技术研究”课题的责任主体，负责三代核电机组数字化仪控相关系统的自主化开发和研制，为CAP系列核电机组提供仪控系统和工程服务。
　　
　　站在核电发展大潮的zui前端，面对国家和历史赋予的重要使命，国核自仪将义不容辞地担当起数字化仪控系统国产化的组织和实施工作。我们有理由相信，在不久的将来国核自仪将不辱使命，顺利完成CAP系列核电机组数字化仪控系统的研制工作。
　　
　　三、CAP系列国产化规划
　　
　　3.1CAP系列国产化研制的投入
　　
　　为了更好地引进、消化吸收和再创新，研发制造拥有自主知识产权的数字化仪控系统平台和关键仪控设备，满足国家核电事业快速发展的需要，根据规划，国核自仪将建成大型*压水堆核电站数字化仪控系统研发设计制造集成服务平台，其中包括研发中心、工程设计中心、技术服务中心和产业化生产基地。
　　
　　大型*压水堆核电站数字化仪控系统研发设计制造集成服务平台建成后，国核自仪将具备年产6套APl000核电站数字化仪控系统的生产能力，实现自主化设计、部分关键仪控设备自主化生产、自主化系统集成、自主化调试和寿期服务。
　　
　　3.2CAP系列国产化研制方向和步骤
　　
　　通过对AP1000设计技术规范要求的分析和研究，结合国内现有系统或者设备研发制造技术能力，国核自仪已经对CAP系列核电机组数字化仪控系统的自主化研制进行了全面的规划，并确立了如下的发展方向和步骤。
　　
　　①分析世界范围内仪表和控制等专业的发展方向，确定适合我国经济发展阶段以及已有核电技术基础和经验的技术引进战略。其基本出发点为：采用*成熟技术，以实现赶上并达到世界核电数字化仪控系统*水平为目标。
　　
　　②实事求是地分析和评估我国现有核电数字化仪控系统的研发、设计、制造和工程管理的能力和水平，采取“缺什么补什么”的原则，采用技术咨询、联合设计、分包、技术转让、技贸结合等方式，消化吸收外国*技术。
　　
　　③通过“以我为主、多方合作”的工作模式和重大专项的实施，达到掌握三代核电数字化仪控系统自主研制、自主设计、自主制造和自主工程管理的能力，使CAP系列三代核电机组数字化仪控系统拥有自主的知识产权和品牌。
　　
　　④形成三代核电数字化仪控系统自主的技术平台。这个平台既能融合已有的核电仪控技术和核电工程的实践，又能与*的数字化仪控技术发展趋势保持一致，同时，还具有跟踪和发展下一代核电数字化仪控技术的能力。
　　
　　⑤通过三代核电数字化仪控系统和设备的国产化，促进产业结构优化和升级，促进我国国有企业和民族工业的技术进步，提升企业竞争力。
　　
　　四、结束语
　　
　　推进三代核电数字化仪控系统国产化工作既是一项长期而艰巨的任务，也是提高中国仪表设备制造业水平的机遇。目前，国内仪表设备制造业水平总体上与*水平存在一定差距。这种差距不仅表现在核电领域，国内化工、能源等领域的控制系统和仪表设备，特别是关键设备也基本是依赖进口或者本地化生产设备。殷切希望各级政府和行业协会能够加大对三代核电数字化仪控系统国产化工作支持和关心的力度，为国核自仪创造更多更好的工作条件和政策环境。