探究核电厂仪控的总体安装设计

方耿森

【摘要】本文通过以三代压水堆核电厂仪控总体设计的内容及实践经验为例，来重点对仪控总体设计的各个组成部分及在三代压水堆核电厂实践的情况，各个阶段的具体考虑及具体实施进行研究分析，以供参考。

【关键词】核电厂；仪控；总体；安装设计

仪控总体设计是核电厂设计的组成部分，可以细分为6个步骤：①确定仪控设计原则；②人机交互接口的要求；③功能分析与分配；④功能要求；⑤仪控技术规范；⑥项目的实施。前5个步骤一般在核电厂的概念设计、初步设计时完成，步骤之间并无严格的分界或先后关系，但相互之间存在输入和输出，仪控总体设计从时间上来说横跨核电厂的设计、采购、安装、调试的全过程，开始于确定仪控设计原则，结束于仪控总体调试试验，与仪控的生命周期一致。

一、三代压水堆核电厂仪控基本概述

（一）核电厂仪控总体结构

三代压水堆核电厂的仪控总体结构分3层，0层为工艺接口层；1层为系统自动化层；2层机组监视与控制层。各仪控功能子系统执行电厂正常运行管理功能、安全保护功能、自动调节功能提供人机界面功能。仪控功能的实现平台主要基于TXS、SPPA-T2000，各功能子系统之间通过硬接线或网络连接，按照安全等级进行严格的功能分配，并实施充分的隔离措施，各子系统相互协作，完成其负责的保护、控制和监视功能。

（二）仪控总体设计的流程

（1）确定与核电厂其它部分的设计接口，明确需求。（2）明确仪控设计需执行的法规、标准，并负责解释及落实执行。（3）确保设计过程的可控，负责总体验证和确认（V&V）的制定及落实。（4）设计方法、工具、设计程序的策划、组织与实施。三代压水堆核电厂仪控总体结构宜在步骤①就结合潜在的平台的特点开展设计，在步骤⑤时考虑具体的平台完成结构的固化。

二、核电厂仪控的总体安装设计

（一）仪控设计原则

遵从核电厂总体设计关于标准的选择原则，仪控设计所应遵守或参照的技术标准或选用的原则很明确，如：三代压水堆核电厂仪控总体设计的顶层标准为IEC61513。对于安全要求的分解：三代压水堆核电厂对于承担不同级别的系统和/或设备，在单一故障准则（能动或非能动）、物理和电气隔离、应急供电、定期试验、质量保证、抗震等级等方面体现不同的设计要求，同时对于功能分级F1B强调功能的多样性来满足单一故障准则。对于可靠性的分解：三代压水堆核电厂的设计采用确定论为主、概率论为辅的结合方式，概率论的工具作为设计的平衡手段在设计中使用，二者之间通过将功能/系统/设备的安全分级与概率安全评估（PSA）的目标要求对应来建立关联。在三代压水堆核电厂数字化仪控的实施过程中，经验表明合适的PSA模型和方法有助于设计的实施。为达成从电厂层面分解的可靠性的要求，必须考虑到电厂本身设计的限制。仪控平台种类的最大数量、平台技术选择的原则（微处理器、现场可编程门阵列）、多样化原则、纵深防御线的设置原则等应当明确，以形成初步的仪控总体功能结构。仪控总体功能结构将初步确定结构的层次、仪控功能子系统的设置及信号流的初步情况。设计程序、设计文档/过程的规范的策划是仪控设计原则的另一项重要内容，需综合考虑后续设计过程中协调设计资料互提的内容、格式规范、实施过程的控制以及所应遵守的详细规定等的策划等。

（二）功能分析与分配

功能分析与分配是一个自上向下的分析，主要可分为功能分析、任务分析及分析结果的V&V。（1）确定目标：明确电厂的总体运行目标的层次结构。在后续设计中分解为更为细化和准确的子目标。（2）识别功能：细化支持实现子目标所需要的功能并将其文档化，尽可能细化并结合考虑人机交互方的贡献。（3）分析信号流：确定信息的要求，完成电厂功能的仪控平台的信号流和处理能力。此时應当考虑仪控的设计原则和限制。（4）任务分析：进行任务的分配、控制的集中或就地、自动化水平、仪控系统和操作员的有效性分析。任务分析在功能分析建立的总目标及其分解的目标的基础上进行，开始于对运行活动的识别，如：启堆、停堆、事件的缓解等。每个运行活动应分解为单个的任务，对于每个任务的完成，仪控系统和操作员的分工应当识别并明确。（5）每项任务均需要判定就地控制与集中控制的分配。每项任务均需要判定自动化的水平，判定需综合考虑系统的响应时间要求、操作的负载程度、人的负荷等，同时自动的失效也应当在考虑范围内。（6）有效性分析：确定仪控系统能否完成给定的任务的有效性，是否满足预期的要求。（7）分析结果的V&V：分析是否符合设计的原则和期望，同时证明控制室的功能符合预期。

（三）功能要求

作为仪控功能，其相应的基本要求将明确，如：功能分级、功能要求、性能、独立性的要求、所要求的功能的可靠性。（1）功能分级和设备分类，细化安全分级和系统、设备的对应关系，细化不同安全分级的系统所应遵守的设计要求的。。（2）在仪控功能结构的基础上实现由若干设备完成的功能的集合与分隔，并保证仪控功能相应的要求得到实现。此外。设备的保护、优先级的管理、定期试验、降级模式时的性能要求、过程监视的要求（如：报警的处理、规程辅助的要求等）、设计过程等分解、细化的要求也应当明确。在仪控功能的集合和分隔的过程中，作为基本的要求，纵深防御的评估必须实施。作为从电厂总体目标的分解项，必须进行仪控功能的可信性评估，以评价仪控功能的可靠性、可维护性、完整性和安全要求得到满足。（3）人机界面的要求应满足人机界面的设计原则、人因工程的要求、控制室的设计要求。（4）与工艺过程不直接相关的功能要求：主要有与场外支持中心的链接、与电网调度的链接、长期数据的归档、监视和诊断、运行和维护相关的功能要求等。

三、结语

三代压水堆核电厂建造过程中可以供参考的经验如下：（1）重视安全分级对于仪控结构设计的影响，采取适当的措施简化设计。（2）重视需求的规范化要求，尽可能早地策划规范性的工作，不要轻视文档的标准化对项目顺利推进的作用。（3）重视对潜在平台的预研工作，尽可能早地确定平台，以期使仪控结构的尽早固化。（4）重视仪控总体设计在项目前期对于设计方法、工具、过程控制的策划，并在执行中落实。

参考文献

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