核电厂数字化仪控系统设备鉴定解析

黄 甦，黄显煊，司学良

（福建福清核电有限公司，福建 福清 350318）

核电厂数字化仪控系统设备鉴定解析

黄 甦，黄显煊，司学良

（福建福清核电有限公司，福建 福清 350318）

对核电厂数字化仪控系统 （DCS）设备鉴定进行解析，说明设备鉴定范围，依据标准体系。比较不同供应商间鉴定方法异同，提出鉴定关注事项

数字化仪控；设备鉴定；安全级

核电厂数字化仪控系统 （简称DCS）是核电厂控制的核心，监控近万个设备的运行状态，是机组安全、稳定、经济运行的保证。DCS包括安全级 （1E）和非安全级 （NC／NC＋）设备，NC＋级尤其是1E级DCS设备需要进行鉴定。目前国内投产的安全级DCS均依赖进口，相关设备鉴定多依据国外标准。本文以部分核电厂不同安全级DCS鉴定为例，说明DCS鉴定范围、依据标准，不同供应商鉴定方法的异同以及鉴定关注项等，也为其他国外、国产化安全级DCS设备鉴定提供借鉴。

1 设备鉴定的情况

1．1 设备鉴定的定义

按照美国电气电子工程师协会 （IEEE）标准IEEE 323，设备鉴定定义为 “确保设备在正常和异常工作条件下及假设设计基准事件期间将按需求运行，满足系统性要求的证据的产生和保持”［1］。对于带有软件的电仪系统，设备鉴定包括硬件鉴定和软件鉴定，本文所述设备鉴定主要针对设备硬件鉴定。

1．2 设备鉴定的主要内容和方法

核电厂安全级设备鉴定通常包括环境鉴定和抗震鉴定，其中环境试验包括：老化、辐照、振动、机械磨损、电磁和无线电干扰（EMC／RFI）、失水事故 （LOCA）等。由于安全级DCS主要是电仪设备，布置在核电厂主控室、电子间等和缓环境，设备鉴定一般不包括LOCA和机械磨损试验。设备鉴定的基本方法主要有运行经验法、（论证）分析法和 （型式）试验法三种。在实际的设备鉴定过程中，由于经济和时间投入的限制、有效模型和实际数据的缺乏等因素，通常采用不同方法的组合。

1．3 设备鉴定的主要流程

通常意义的设备鉴定指设备鉴定试验。设备鉴定始于设备技术规格书，通过采购将规格书要求传递给设备厂家，并转化成产品的最终设计，再通过鉴定试验进行验收。在设备鉴定试验开始前，规格书中关于设备鉴定的要求首先被转换成设备鉴定大纲，大纲阐明设备样件的描述、试验的实现过程、各项鉴定试验的依据等，并规定试验各阶段验收准则。作为对鉴定大纲进一步的细化，鉴定程序 （细则）给出更加具体的试验步骤和要求，用于指导具体操作。也有部分厂家将鉴定大纲和鉴定程序合并成一份文件。在试验正式实施前，鉴定大纲和程序 （细则）均需要得到采购方／设计方确认，并得到国内核安全监管部门批准。设备鉴定试验过程包括：设备样件的初始检查、基准功能试验、正常服役过程功能衰退的模拟、地震和设计基准事故的模拟、中间和最终的功能试验等。采购方和核安全监管部门可派员见证鉴定试验过程。鉴定试验完成后，设备厂家需将鉴定报告并连同相关文件提交采购方／设计方评审，并报核安全监管部门。

2 设备鉴定的标准体系

2．1 国外核电厂DCS鉴定标准体系

国外对核电厂DCS鉴定标准体系主要包括美国体系和欧洲体系。美国体系包括：美国联邦法规10CFR50，美国核管理委员会 （NUREG）颁布的管理导则 （RG）、标准审查大纲（NUREG－800），国际电工电子工程师协会（IEEE）发布的标准和美国电力研究协会（EPRI）发布的指导报告 （TR）等，依据主要标准构架见图1［2］。欧洲体系包括国际原子能机构 （IAEA）发布的法规、导则，国际电工委员会 （IEC）发布的标准等，依据主要标准构架见图2。在欧洲体系中，法国和德国各自建立了自己的一套鉴定标注体系，法国是IEC系列标准及配套规范；德国是KTA系列标准及配套规范，而对于系统级的鉴定，KTA标准又指向IEC 标准［3］。

图1 美国鉴定标准体系Fig．1 Qualification standard system of the US

图2 欧洲鉴定标准体系Fig．2 Qualification standard system of the EU

2．2 国内核电厂DCS鉴定标准现状

我国在接受和借鉴美国和欧洲标准的同时，正逐步建立相关标准体系，主要包括核安全法规和标准规范两个层面。

2．2．1 安全导则

HAF 003《核电厂质量保证安全规定》，主要针对设备设计控制、采购控制、物项控制、工艺过程控制、检查和测试、不符合项管理等的质量保证体系提出要求。

HAF 102《核动力厂设计安全规定》，强调安全级设备在设计时能应该满足纵深防御要求，在各种运行状态下、在发生设计基准事故期间和之后，以及实际可能在发生所选定的超设计基准事故的工况下，能够执行基本的安全功能。

HAD 102／02 《核 电 厂 的 抗 震 设 计 与 鉴定》，对核电厂物项按其在发生设计基准地震时的安全重要性进行分类；对抗震设计、分析和试验提出指导与建议。

HAF．j 0053《核设备抗震鉴定试验指南》对于核电厂抗震试验鉴定的范围、试验程序、步骤、试验报告等进行了详细的规定。

2．2．2 设备鉴定的标准规范

主要依据标准包括 《核电厂安全系统电气设备抗震鉴定》（GB／T 13625）、《核电厂安全系统电气设备质量鉴定》 （GB／T 12727）和《电磁兼容试验和测量技术》（GB／T 17626）等［4］。

3 设备鉴定的主要内容及方法

核电厂DCS包括一层设备和二层设备，一层设备主要包括控制柜、网络柜、电源柜、隔离机柜和继电器柜及柜内相关板卡、模块、端子、电缆等机械／电子设备；二层设备主要包括主控室 （马赛克）盘台以及作为人机界面的计算机、服务器等。需要鉴定的设备主要包括安全级机柜和主控室盘台及附件。以某电厂M310机组为例，与设备鉴定相关的安全级设备主要包括：约90个1E控制／隔离／优选／电源机柜、5台安全显示单元 （SVDU）、8个后备盘台 （BUP）、约600个盘台马赛克／安全级仪表、3个紧急控制盘 （ECP）／远程停堆站（RSS）和8个1E事故记录仪等。

国内主要安全级DCS供货情况如下：1）德 国 AREVA－SIEMENS 公 司 （简 称CASS）供货的TXS平台设备，已用于岭澳二期M310机组、田湾核电厂俄罗斯VVER机组；2）日本三菱公司供货的MELTAC平台技术设备，已用于宁德核电厂、红沿河、阳江核电厂的M310机组；3）德国施耐德公司 （原美国INVENSYS公司）TRICON平台技术设备，已用于福清核电厂、方家山核电厂的M310机组；4）美国 ABB COMMON Q平台技术设备，已用于三门、海阳核电厂的AP1000机组。本文以美国INVENSYS公司以及德国CASS安全级设备鉴定为例，简述不同DCS设备供货商鉴定的主要内容及其异同。

3．1 美国INVENSYS TRICON平台设备硬件鉴定

美国INVENSYS公司设备鉴定主要遵循IEEE标准，采用部件／平台鉴定＋机柜抗震分析＋样柜抗震试验的鉴定方法；主控室盘台鉴定以IEC标准为主，同时也遵循IEEE标准；对于外购的商业级产品，采用了 “商品级物项核级评定”（CGD）的方法。

3．1．1 INVENSYS公司TRICON控制系统主要安全级平台鉴定

INVENSYS公司TRICON控制系统产品（主要指TRICONEX系列卡／部件、PLM优选模块和SVDU安全显示单元）获得美国核管会（NRC）的认可，因其首次国内供货，除提供NRC认可证明文件外，还对比分析NRC认可的试验条件与采购方设计需求及国内安全监管要求的区别，对于部分未满足要求的项目补做鉴定试验 （如补做部分EMC试验）。

安全级机柜抗震分析委托第三方公司按照IEEE 323、IEEE 344、RG 1．60 和 ASME QME－1—2007等标准，使用ANSYS软件进行抗震分析。根据机柜结构特点，将所有安全级机柜分为若干种立式／壁挂样柜，在确定机柜内部布置、重量分布基础上，定义典型的机柜，找出机柜中产生最大加速度部位，确定相关机柜结构件／固定件 （如导轨、固定螺栓等）强度是否满足受力要求，对于抗震分析中发现的薄弱环节进行加固处理 （如增加机柜的K型支架等）。

INVENSYS公司还制造两个典型样柜 （样柜囊括约220种主要部件），在上海同济大学土木防灾国家重点实验室振动台试验室开展0．2g抗震型式试验。

3．1．2 主控室盘台鉴定

主控室盘台的鉴定试验主要由有资质的第三方实验室负责，其鉴定试验同时遵循IEC和IEEE标准，分为盘台样柜抗震型式试验及马赛克鉴定两部分。马赛克鉴定试验主要包括：外观检查、尺寸测量、绝缘电阻测试、接地连续性测试等基本功能性测试、环境试验 （主要指电磁兼容试验）和抗震鉴定试验。

3．1．3 商品级物项的核级评定

TRICON－I／A平台技术设备中还包含部分商业级物项 （如隔离器、部分盘台马赛克、MCR／RSS切换开关等），鉴定采用CGD方式。遵照EPRI发布的针对商品级物项在核电厂中应用的指导报告EPRI NP－5652《核电厂安全有关应用中商品级物项导则》。CGD主要有四种方法：1）针对商品级物项的特殊试验和检查；2）商业级调查；3）源地验证；4）质量记录调查［5］。部分供应商采用上述四种方法的组合。INVENSYS公司主要采用第1）种方法，进而证明设备的关键特性满足要求，其主要工作包括：外观检查、尺寸测量、主要性能测试、环境鉴定、EMC和抗震测试等。对于通过CGD试验的，在提交的总体鉴定报告中说明；对于未能通过CGD的，则提供不符合项报告，在对试验数据进行分析的基础上，进行相应改进或替换，并重新评定［6］。

3．2 德国CASS TXS平台设备硬件鉴定解析

与美国INVENSYS不同，CASS控制机柜抗震鉴定主要依据欧洲IEC和KTA标准。鉴定主要包括安全级TXS机柜的硬件鉴定分析，安全级样柜的抗震试验，以及主控室盘台的抗震试验等。

3．2．1 安全级TXS的抗震分析

TXS系列机柜的抗震分析主要包括三个层面：一是设备 （部件）层；二是系统平台层；三是电厂应用层。TXS平台鉴定包括电气和机械部件鉴定两部分，电气部件鉴定主要包括功能试验、环境试验、抗震试验等；机械部件鉴定主要包括柜体、机笼、机械辅材的鉴定。由于CASS拥有一套完整的安全级设备生产线，TXS平台已通过IAEA和NRC的认证，在国内有多家供货经验，因此对于TXS鉴定关注重点不是平台本身，而是设备部件层和电厂应用层鉴定。在设备部件层主要是确定使用新的产品、卡／部件经过相应质保流程来自CASS安全级部件仓库，经过相关EMC、抗震、兼容性测试，满足IEC60780及特定环境需求。CASS专门提交AV42控制器模块、IM153－2接口模块和SSI1保险丝等多种部件的硬件鉴定报告。在核电厂应用层，主要是确定能否满足采购方的环境、抗震要求，如针对三代核电厂是否满足0．3g的抗震要求。

3．2．2 安全级样柜的抗震试验

经技术确认，将8种不同类型的安全级机柜整合成4种 （PIP／PAC／PI／SMC）样柜，样柜囊括所有类型的模块和部件，并按照各种典型机柜最极端情况布置，并在第三方实验室开展样柜抗震型式试验。

3．2．3 主控室盘台鉴定

CASS主控室盘台样柜鉴定包括2个BUP后备盘样柜、1个RSS样柜和1个ECP样柜，盘柜上安装各种典型类型马赛克至少3个，鉴定测试包括：绝缘测试、介电强度、接地连续性测试、EMC测试、热老化测试和抗震测试等。

3．3 不同DCS设备鉴定方式的异同

INVENSYS和CASS尽管提供不同平台产品，遵循不同的标准，但在DCS鉴定上仍有不少相似相通之处，其鉴定异同如表1所示。

4 DCS设备鉴定关注事项

自田湾核电站1号机组首次采用全数字化仪控系统以来，DCS已在国内核电厂得到越来越广泛的应用，设备鉴定作为安全级DCS供货前提，应关注如下事项。

表1 DCS设备鉴定异同Table 1 Comparison of different DCS qualifications

4．1 设备鉴定与供货进度的矛盾

目前，国内核电机组普遍采用60个月建设工期，为保证后期安装调试的顺利开展，DCS应在30～36个月左右供货现场。受上下游提资影响，DCS首次设计输入冻结较晚 （一般晚于24个月），而从样柜制造到鉴定报告提交到采购方及安全监管机构认可鉴定工作的时间难以压缩，容易造成DCS设备鉴定成为供货的主线。故需要提前启动DCS设计提资并开展样柜制造，但易增加设备再鉴定的风险。

4．2 供货商同监管当局对于抗震鉴定方法选择不一致

欧洲和美国已有比较成熟抗震分析的软件，相关供应商为节省成本和保证进度往往推荐采用分析法进行抗震鉴定。但针对1E电气设备，开展首次抗震鉴定时，国内外标准及国内监管当局原则认可型式试验鉴定方法。

4．3 型式试验中样柜选取及试验条件问题

DCS设备部件众多且存在后续变更风险，在设计输入并未完全冻结前选取典型性样柜较为困难。由于第三方抗震试验室条件限制，型式试验环境可能无法保证与现场安装环境一致。如：型式试验时发现样柜安装采用螺栓固定而非实际采用的焊接固定方式，壁挂样柜安装在钢板而非实际的水泥墙体上等。

4．4 部分设备鉴定标准还有待明确

不同国家和组织间在设备鉴定指标上仍存在差异，还有部分鉴定试验项目是否必须开展还存在争议。如：理论上安全级DCS设备位于和缓环境，不存在明显老化机理，不需要明确其鉴定寿命，因此不需要进行老化试验。但电子设备都存在运行老化和长期运行老化问题，故对电子设备是否必须开展老化试验还存在争议。

4．5 部分鉴定数据不对外公布

部分厂家及实验室以鉴定试验数据涉及知识产权为由，拒绝采购方参与见证型式试验，不对外公布鉴定数据，仅提供鉴定结论。

5 结束语

通过对核电厂DCS设备鉴定的国内外法规及相关标准、规范的总结，部分国外供应商DCS设备鉴定的内容、范围及基本情况解析，明确了核电厂DCS设备鉴定依据标准体系、主要内容范围，以及重点关注项。随着国产化三代机组 “华龙一号”的落地建设，以及国产DCS诞生和其在部分新建核电厂中的探索使用，国产DCS设备鉴定更应尽快吸纳先进核电国家鉴定有利经验，结合本国国情，增加本土化适用性要求。相关部门也需尽快规范和完善核电厂DCS鉴定标准体系，从而保障DCS设备及其鉴定标准能够和国产三代核电一道扎根国内，走向全球。

［1］王英 ．核安全设备鉴定 ［M］．北京：机械工业出版社，2015：8．

［2］孟广国，邹华明，郭银辉，等 ．我国核电站安全级数字化仪控系统设备鉴定适用标准研究 ［J］．自动化博览，2015 （6）：66－70．

［3］于宏伟，王江波，邱建文，等 ．核电厂安全级数字化仪控系统的设备鉴定 ［J］．仪器仪表用户，2015，22 （6）：1－4．

［4］黄伟杰，张宓，张云波，等 ．核电厂数字化仪表控制系统设备鉴定方法研究 ［J］．核动力工程，2014，35 （6）：111－114．

［5］毋琦，任莉华，李世欣，等 ．核电厂数字化设备的商品 级 评 定 ［J］．自 动 化 仪 表，2015，36 （7）：58－62．

［6］路丁，许晓蔚 ．美国核电商品级物项转化经验反馈［J］．质量与可靠性，2013 （1）：37－41．

Study on Qualification of Distributed Control System for Nuclear Power Plant

HUANG Su，HUANG Xian－xuan，SI Xue－liang
（Fuqing Nuclear Power Plant，Fuqing，Fujian Prov．350318 China）

The paper introduces the scope and standard for the qualification of the distributed control system for nuclear power plant．The differences of qualification method of different suppliers are compared，and the concerned items are put forward．

distributed control system；qualification of equipment；safety class

TM623．4 Article character：A Article ID：1674－1617 （2017）03－0336－06

TM623．4

A

1674－1617 （2017）03－0336－06

10．12058／zghd．2017．03．336

2017－04－15

黄 甦 （1977—），男，高级工程师，现主要从事核电厂仪控工作 （E－mail：huangs＠fqnp．com）。

（责任编辑：白佳）