新建核电站模拟机建造风险分析及对策

魏来，胡松，曲伟

（三门核电有限公司，浙江 三门 317112）

核电站全范围模拟机是核电站正常运营和培训的必备设施，开发周期一般在3～4年左右[1]。随着新建核电站全面采用数字化仪控系统，以及电站对于模拟机仿真范围和精度要求的提高，全范围模拟机开发难度进一步加大，建造周期显著延长，因此如何控制全范围模拟机建设过程中的风险保证开发进度和质量就成为一个业主方必须面对的课题[2]。

1 新建机组模拟机的建造模式和各方责任

1.1 核岛供货方总包模式及各方责任

由核岛设计方（供货方）总体负责模拟机设计、制造、供货。

如三门核电1号全范围模拟机，根据核岛供货合同，该模拟机由三门核电核岛供货方美国西屋公司总包，西屋公司总体负责模拟机项目协调，仪控系统仿真，模拟机硬件设备供货，以及模拟机测试、验收。西屋公司将电站工艺系统模型开发分包给美国捷仕公司和中核武汉核动力运行研究所。业主方（三门核电）负责协调常规岛设计方（三菱重工、三菱电机、华东电力设计院、哈电集团等）在合同规定的时间内向西屋公司提交常规岛及公用系统设计资料，再由西屋公司向其分包商释放。核岛的设计资料由 西屋公司负责向其分包商释放。

业主方必须在模拟机运抵现场前1个月完成模拟机厂房的装修和电气、仪控、暖通、消防等相应系统准备，控制室环境必须满足中华人民共和国能源行业标准NB-20015-2010《核电厂操纵人员培训及考试用模拟机》[3]3.3.1.1和4.3.1.3关于控制室环境的相应规定。

1.2 核岛、常规岛供货方之外的第三方仿真公司总包

由核岛设计方，常规岛设计方之外的第三方仿真公司总包，全面负责模拟机的开发、测试并确保通过验收评审可用于培训。

如三门核电2号模拟机就采用由中核武汉核动力运行研究所作为总包方的开发模式。业主方根据单独签订的模拟机供货合同在规定的时间内协调电站各设计方向仿真公司提供核岛、常规岛、仪控、电站运行规程设计资料以便仿真公司完成模拟机开发。

仿真公司则必须在规定的时间内向业主公司交付满足合同技术要求指标和供货时间要求的全范围模拟机。

模拟机厂房的准备同1.1要求。

2 全范围模拟机开发过程和主要任务分析

2.1 模拟机开发过程

模拟机开发过程一般划分为初步设计，详细设计，单系统测试，集成测试，预出厂测试，出厂测试，现场测试以及验收评审[4,5]，图1为三门核电1号模拟机主要时间节点图。

图1 三门核电1号模拟机主要时间节点图Fig.1 3 Nuclear power simulators, 1th main timing diagram

● 初步设计 PDS( Preliminary Design Phase)

● 详细设计 IDS (Interim Design Phase)

● 单系统测试 SUT (System Unit Test)

● 集成测试 Integration Testing

·模型间集成测试

·模型与仪控集成测试

● 预出厂测试Pre-FAT

● 出厂测试 FAT (Factory Acceptance Test)

● 现场测试SAT（Site Acceptance Test)

● 验收评审（Acceptance Expert Review）

2.2 模拟机开发主要阶段任务分析

2.2.1 初步设计

此阶段主要工作是确定电站各工艺系统的模拟范围、具体设备，故障种类、数量，确定就地操纵员动作范围和类型。主要使用的资料是电站各工艺系统P&ID（仪表管道图），one line diagram（电气系统单线图）。其中模拟范围必须满足NB-20015-2010核电厂操纵人员培训及考试用模拟机 4.3模拟范围的要求。

业主方需要在此阶段提交高优先级P&ID（仪表管道图），one line diagram（电气系统单线图）数据的提交。

2.2.2 详细设计

此阶段主要完成电站工艺系统模型的输入计算，包括流体流导计算、结点压降分配，各结点水力直径、体积、表面积、换热面积等计算，泵、阀门等的特性曲线，热交换器的换热面积等。

业主方需要提交大量的作为中优先级设计资料，包括：电站工艺系统管道轴测图，各类系统、主要设备计算说明书，阀门开度曲线，泵特性曲线，工艺系统设计说明书，电气负荷分布图，电气系统同期图、逻辑等，所有的设计输入数据均作为模型设计基线设计采用配置管理系统进行统一管理进行版本控制。

2.2.3 集成

此阶段将独立的工艺系统模型完成集成并实现稳定运行。工艺系统完成集成后再与仪控系统进行集成，满足控制、通讯、响应要求。

2.2.4 测试

工厂测试又分为预出厂测试、工厂测试和现场接收测试。测试阶段需完成合同及NB-20015-2010核电厂操纵人员培训及考试用模拟机所规定的稳态、瞬态及故障测试内容，并对测试不符合项进行统一记录、分类、修改、复测、关闭。

业主方需要在测试开始前提交作为低优先级的电站运行规程、事故规程等用于开发模拟机测试规程，且需要派出具有操纵员执照的运行人员参与测试的各个阶段，尽可能多的发现问题并修改，使模拟机达到合同和法规规定的要求。

3 模拟机建造各阶段存在的风险分析和对策

3.1 设计资料提交滞后存在的风险及对策

设计资料提交风险：业主方需要在模拟机建造各阶段及时递交大量的模拟机设计输入资料，若不能按期递交模拟机各设计阶段所需的设计输入数据，将直接导致模拟机开发进度滞后从而形成进度风险。以三门核电1号全范围模拟机为例，全部使用的电站设计资料2841份，其中常规岛及公用系统资料1317份。

对于采用模拟机由核岛供货方总包的合同模式，如三门核电1号模拟机的核岛数据由西屋公司负责递交，常规岛及公用系统数据由业主方负责递交，核岛合同及进度计划中规定业主方在ATP+5、ATP+14、ATP+24分别完成提交高、中、低优先级数据，但是实际上三门核电1号机常规岛及公用系统合同实际签订时间比核岛合同晚半年，模拟机的项目启动时间与核岛项目启动时间一致，因此理论上完全无法按照核岛合同规定的日期向西屋公司提供常规岛及共用系统资料；此外常规岛及公用系统合同中未明确规定各参建方在数据提交方面的责任和时间要求，常规岛及公用系统合同子承包商数量众多，业主方面直接协调难度较大，进一步导致常规岛及公用系统数据提交进度较为缓慢，无法按时完成规定的数据提交。至此，2009年西屋公司以三门核电未能在规定时间内完成数据递交为由提出将三门核电1号模拟机供货合同延期18个月，直接对模拟机按期交付及机组后续装料等节点形成了开口风险。后三门核电经过大量的多方协调、沟通，通过召开各设计方参与的模拟机数据专项协调会等确定数据递交时间，尽最大努力完成了模拟机开发数据的递交。并从项目执行的角度说服西屋公司合作赶工，最终实现模拟机按期交付使用。

对于采用由核岛设计方，常规岛设计方之外的第三方

图2 三门核电1号模拟机开发流程图Fig.2 3 1th simulator in nuclear power development flow chart

仿真公司总包模式，业主要全面负责核岛、常规岛及公用系统数据的提交，业主方按期递交数据的压力和难度更大，存在进度滞后风险。

对策：源头上在核岛、常规岛签订合同时就要着重考虑并评估考虑到模拟机合同里面的数据提交的问题，在同一数据提交内容涉及到多个合同时要保证不同合同之间的时间和内容互不冲突，对数据提交工作进行一致、明晰地规定，使数据范围和截止时间一致。合同中要明确规定各参建方的设计资料提交责任、明确数据提交内容以及设计资料提交的冻结时间，将数据提交工作规范化。如果承建方中子承包商过多，作为业主协调难度较大，建议将此类问题规定为由主承包商统一协调，由其完成相应资料收集后统一提交业主。

同时业主方必须做好数据提交记录，记录中要包含提交的文件编码、文件名、版本、提交日期、提交的信函编号等内容，以作为模拟机设计基线数据管理的设计输入。

3.2 数据缺失存在的风险和对策

风险：对于新建机组，工程设计、设备选型采购进度随时间深入，不可避免的存在模拟机相应设计资料缺失风险，比如某类阀门、泵等设备选型未定，相应的阀门开度曲线，泵特性曲线就只能由设计方根据系统流量和管径给出假设数据。

对策：在合同签订前进行分析、比对，并在合同中规定对于无法提交的数据可以使用假设数据替代，同时确定数据更新时间，后续使用实际数据对假设数据进行替代，保证模拟机输入数据的准确性。

3.3 仪控系统仿真存在的风险和对策

新建核电全部采用数字化仪控技术，对于核电站仪控系统组态的仿真一般采用纯模拟（simulation）或者虚拟实物模拟（Emulation）的方式[6,7]。对于主控室盘台、开关等硬件则采用与主控室盘台、仪表、开关相同供货厂家的原厂供货或者仿制，需满足NB-20015-2010核电厂操纵人员培训及考试用模拟机3.3.1实体逼真度和人因的要求。

纯模拟，使用模拟机开发环境下的建模技术来复现参考机组的系统或子系统。由DCS仿真供货商直接根据DCS的I/O清单、控制逻辑图以及DCS图形化控制界面进行仿真。

采用纯模拟的风险：此种方式组态工作量很大，仿真公司人力、研发投入较大，直接导致模拟机建造成本较高。由于电站控制系统供货方在保密等方面的考虑，业主在规定时间内获取全部组态设计输入文件存在风险。且仿真公司对于控制策略和组态的理解不可避免的会和电站控制系统组态存在差异甚至错误，后续需花大量的时间参考实际机组控制系统进行评估并修改。

此种模式优势在于不受新建电站仪控系统组态进度影响，相对独立，在电站仪控系统开发严重滞后的情况下采用此种模式作为替代方案，确保模拟机建造进度。

采用虚拟实物模拟的风险：由核岛设计方（供货方）总包一般采用此种模式。采用虚拟实物模拟在控制逻辑的正确性和时间响应上与实际机组没有差异，但与实际电站的仪控系统开发进度紧密相关，根据目前国内在建二代加和三代核电建设进度来看，仪控系统施工进度 已成为影响电站建设进度的重要因素，成为必须考虑的风险项。

对策：对于采用第三方仿真公司总包的合同模式，考虑到设计文件输入按期获取存在风险，且开发成本较高。因此不建议单独由模拟机仿真供货商采用纯模拟的方式单独进行开发，而是建议采用控制系统供货商与模拟机供货商共同合作开发的方式进行模拟机控制系统仿真，从而达到共享部分组态技术成果从而达到化解开发风险和降低建造成的目的。同时考虑到供货方和分包商之间的协调、管理问题，建议在可能的情况下尽可能减少分包商数量。

对于采用核岛设计方（供货方）总包的合同模式，建议在合同签订之初就考虑仪控系统进度风险，明确将仪控系统进度滞后对模拟机建造进度滞后的责任、替代方案和赔偿方式写入合同相关条款。

3.4 测试阶段不符合项处理存在风险和对策

风险：模拟机测试阶段跨度较长，预出厂测试、出厂测试、现场接收测试累计时间通常在一年以上。测试期间产生大量不符合项，数量一般在几千条。测试期间若无规范、科学、并严格遵守管理流程将造成不符合项处理无记录、重复处理、处理后修改无记录等风险。

对策：采用配置管理系统对模拟机测试不符合项进行管理，要求做到所有的测试不符合项进入配置管理程序进行规范化管理。建立测试人员填写不符合项，测试负责人对问题进行确认、分配任务流程，模型修改人员修改，测试人员复测并确认关闭的流程。并将测试不符合项处理记录定期打印、纸质版存档保存。

3.5 模拟机房不可用存在的风险及对策

风险：模拟机运抵电站至少前1个月，需完成模拟机厂房的各项准备工作，完成模拟机厂房的装修、电气、暖通、消防、信息弱电等工程。由于新建机组电站主控室可用时间节点在模拟机可用之后，存在模拟机厂房开始装修时无主控室设计资料的风险，且在出图后存在设计变更的风险。

对策：预留至少10个月的模拟机厂房装修，电气、暖通、消防、信息弱电等工程施工时间。在模拟机厂房装修开始前即联系电站主控室设计方，催交主控室装修的图纸，并在模拟机厂房装修开始后关注主控室设计变更，以便及时跟进主控室装修，满足模拟机主控室与电站主控室一致性的要求。

4 小结

全范围模拟机可用于培训作为新建电站重要二级里程碑进度节点的顺利实现意义重大，其将直接决定首批操纵员培训和取照考试时间，进而影响到电站装料等后续节点进度。随着全范围模拟机仿真范围和精度的不断提高，对于设计资料在广度和深度方面的需求进一步加大，同时在引入数字化仪控后，更加大了模拟机建造进度控制方面的风险。这就需要引起业主方足够的重视，在合同谈判期间就要充分考虑并全范围模拟机建造各阶段出现的各种问题，未雨绸缪，提前发现、解决问题，消除进度风险，确保模拟机按期可用于培训。

[1]史清涛,陈森.第三代核电站模拟机的国产化分析[J].核电建设,2006年, 76(12)：20-22.

[2]齐克林,朱玉龙,李青,等.核电站全范围模拟机标准和国产化能力分析[C].中国核学会,2007年学术年会：34-37.

[3]NB-20015-2010,核电厂操纵人员培训及考试用模拟机[Z].

[4]毛伟.红沿河一期全范围模拟机的设计和开发[C].2011核能行业仿真技术及应用研讨会,2011.7:19-24.

[5]潘竟斌.核电站全范围模拟机项目开发管理[J].中国高新技术企业,2013,1：123-123.

[6]魏来.核电站DCS仿真的三种实现形式探讨[J].中国核电,2010, 3(2)：153-154 .

[7]章旋,茆荣,曹建亭.核电站全范围模拟机关键技术探讨[J].热力发电,2011, 40(1)：16-18.