“华龙一号”数字化核电厂建设与研究

蔡正皓,安金涛

(中国核电工程有限公司,北京 100840)

2007年,中国引进了AP1000第三代先进压水堆技术,其设计简练,易于操作,让中国核工业首次近距离接触了模块化施工、非能动安全体系等新理念。2011年4月发生日本福岛核事故后,对核电站的安全要求达到了新的高度,在这样的背景下通过技术创新、理念创新,融合数字化设计技术,我国在三年内成功设计出具有完全自主知识产权的国产第三代核电站技术 “华龙一号”,并于2015年5月浇筑了首堆第一罐混凝土。同年出口到海外。

“华龙一号”核电技术的设计异常复杂,涉及近70个专业。专业间的数据交互数以万计,同时还要兼顾采购、施工、调试、运行、维护,其难度可想而知。发展数字化设计,形成数字化 “华龙一号”核电技术,是成功的关键,是核电厂全寿期数据共享、利用提高安全行、经济性的重要手段。

同时,国家 “一带一路”倡议、“核电走出去”战略也对自主核电提出了更高的要求。当前核电要走出去面临多个国家、多个公司、多种成熟堆型的激烈竞争,也面临其他新型能源的竞争。发展智能化、数字化是提升 “华龙一号”自主核电技术竞争力的必由之路。

1 数字化核电厂研究

1.1 数字化核电厂概念

“数字核电厂”是指以数字化方式表示工厂中的系统、设备、构筑物中的各类对象,具有核电厂运行逻辑。涵盖核岛、常规岛、BOP、环境,形成基于数字化的虚拟工厂,能够实现核电厂运行主要状态的实时响应模拟跟踪,预测与评估,并建立全厂、全寿期、全燃料循环包括废物链的数据集成,以满足核电厂设计、运行维护、老化管理直至退役与环境治理的多方位综合需求。

“数字核电”以满足核电全产业链、全产品周期、全业务过程的信息利用为目标,以相关领域数字化交付成果为驱动,同步提高各领域的价值创造与管理创效能力,逐步提升数字核电产业链智能化水平,促进产业协同发展。各环节即是信息的利用者也是信息的贡献者,数字核电是产业链共同努力的结果。图1给出了数字核电的概念模型。

图1 数字核电概念模型Fig.1 Concept model of digital nuclear power

1.2 “华龙一号”数字化核电厂的意义

“华龙一号”数字化核电厂的建设和应用,对核电的全寿期产生变革式影响,具体表现在:

1)核电大数据促发设计改进和设计优化,带来设计水平及经济性的大幅度提升;

2)设计复用带来的周期缩短、质量提高、人员减少。设计能力提升带来的设计效率与水平提高;

3)有助于优化施工方案、减少返工。运行工况的实时验证,提高设计部门现场事故处置支持能力;

4)缩短新堆型研发设计周期,有助于核电厂延寿与退役管理;

5)基于数据和信息的项目管理,使得计划和资源配置更为精准,可大幅度节省管理人员投入,保障按期交付工程;

6)核电工程大数据的形成,将使得费用控制更为有效,批量化建设的整体效益更为突出;

7)数字化核电厂交付增加核电产品的附加值,提升市场竞争力;

8)核电厂配置信息由结构化数据代替文件形式,将改变电厂变更管理过程与核电厂配置管理模式,基于数字化的电厂配置管理,有利于对核电厂运行的分析和预警,使核电厂运行更准确、更安全;

9)核电厂三维模型可增强核电厂运维可视化能力,如优化维修方案、不可达区域的维修模拟、员工可视化培训。基于三维模型,可进一步开发事故处置方案,对严重事故、应急方案进行演练,提升事故处置能力等等,三维的信息展现更直观、更高效;

10)核电厂工艺原理数据与模型,可以用于电厂工艺模拟,结合电厂运行实际参数进行智能预警;

11)核电厂运行的经验反馈数据、智能分析数据,可以反向移交给设计院,有利于核电厂完善与改进和科研创新。

2 “华龙一号”数字化核电厂建设及应用现状

当前 “华龙一号”数字化核电厂以数据为核心,以高精度三维模型为载体,以全专业结构化数据为支撑,包含全领域、全寿期核电工程数据,可用于设计、运行的电站运行模拟服务、关键系统的仿真验证。同时构建以EPCS总承包项目管理平台为核心的贯穿核电设计、采购、施工、调试四大板块的信息系统,形成 “华龙一号”数字化核电厂的基础支撑。

2.1 数字化设计体系建设

2.1.1 设计信息管理

设计领域已经建立覆盖核电工程设计全过程、全专业的设计信息管理系统。实现了设计计划的统一管理,从任务下发至设计者,到进度跟踪管理,实现了设计进度一体化管理;实现了从设计提资、设计输入、设计验证到设计输出、设计审查、设计变更的设计全过程管理流程化,同时,实现了表单信息的充分关联,便于信息利用。实现设计数据管理集中化。实现设计过程文件、成品文件单一数据源的统一管理,可基本满足多种维度设计数据利用需要。通过设计信息管理系统也可满足工程建设对设计进度跟踪需要。

2.1.2 全专业协同设计

在专业设计领域,广泛使用各种设计、计算与分析工具软件或系统。建立跨地域的三维协同设计平台,基本实现跨区域的数字化协同设计。

核电设计各主要专业在同一设计平台上完成布置设计,等同于完成一次核电厂的数字化虚拟建造,可以实时反应各专业设计成果,避免设计冲突,极大提高了设计质量和效率,避免设计变更,大幅降低建造成本。数字化核电厂协同设计平台还可以实时获取智能流程设计系统提供的设计结果和工艺参数,实现二三维设计校验,保障设计数据源的唯一性。通过增加相应设备及软件,把协同设计平台从原来的只有数据传递,扩展到包含数据、视频、声音的综合可视化协同设计平台,可使多地用户同时进行可视化设计交流,极大的提高了设计效率与质量,已全面应用“华龙一号”作为首堆设计,涉及多地域、多部门、巨大工作量的协同设计,以互联网为基础构建 “互联网＋3D”的设计模式,在北京、成都、郑州和石家庄等多个地区展开设计协同。

2.1.3 验证仿真模拟平台建设

依托模拟仿真平台,可实现核电厂各类运行和事故工况下结构、工艺和控制系统的模拟仿真。利用数字化仿真技术建立设计仿真验证平台,验证相关规程和系统设计的可靠性、合理性,并在2011年至今所有核电项目设计中采用该平台,对正在进行的设计进行优化,对已完成的设计进行验证,并可为核电运行提供服务。

2.2 数字化工程体系建设

实现了设备采购业务全过程的信息化管理,建立较为完善的设备采购内外部协同协作环境,初步实现了设备采购数字化管理。采购信息系统对采购管理的规范化、标准化、精细化起了重要的支撑作用。实现了从采购计划、上游技术文件、招投标、合同执行、设备设计接口、监造管理、竣工文件、运输检验到现场服务以及供应商履约评价等采购全过程的信息化管理,为有效实现采购精益化管理创造了有利条件,体现了管理标准化、决策数据化的信息化管理目标。同时,供应商互联网门户平台全面用于 “华龙一号”及后续核电工程项目的设备供应商管理协作。目前,国内150余家设备供应商、近300个合同的履约过程信息、设备制造的实时信息、设计接口交换信息以及设备制造经验反馈、供应商履约评价等均通过该门户平台实现在线式交互。

施工管理系统形成了覆盖工程建设全过程的信息化管理系统,可较好的支持以施工作业为依托的计划、费用、质量、安全、变更、文档、风险及经验反馈等的一体化管理。系统覆盖工程各参建方,用户达10 000余人,“施工管理系统”已历经福清、方家山、昌江、田湾和徐大堡等多个核电工程项目,“施工管理系统”3.0支持移动终端操作,在 “华龙一号”示范工程的现场安全巡检、质量计划消点等作业中得到广泛应用。利用移动终端和条码技术,实现了工程物资到达现场后至交付业主的物资全链条条码管理与应用,大大提升了施工管理工作的便捷性。同时,将设计三维模型推送到施工现场,广泛应用于施工方案模拟等场合,有助于各项建设工作的开展。

调试管理系统可满足调试计划、过程与调试数据管理和移交的基本管理需求。调试系统以调试计划为驱动,以问题管理为导向,以调试准备、实施、移交为主要业务流程,实现调试业务流程电子化,操作规程结构化;建立与设计、采购、施工及运行的信息集成与数据共享,实现调试业务的全生命周期管理;建立标准化调试技术体系,形成调试标准化技术数据库,建立完备的调试成本数据库;健全经验反馈体系,建立经验反馈数据库,为后续项目提供借鉴与参考;实现过程数据信息化,为电厂数字化移交提供保障。

2.3 数字化运营体系建设

确立了以统一经营管理系统ERP、生产管理系统EA M、企业内容管理系统ECM、和商业智能系统BI四大系统为核心的信息化体系。运营板块的ERP、ECM、BI系统初步建成,并取得了阶段性的应用成果;EA M系统完成了试点,初步形成了运行管理数字化能力;ERP系统已在运营单位应用,构建了统一、集成的经营系统,整体应用效果良好;ECM系统建立了集中与分布式结合的一体化企业内容管理系统,实现了文档电子化传递和共享;基于ERP系统建立了初步的生产决策指标体系和分析报表。通过信息化的推进,促进了各电厂业务规范与数据标准的统一,为提升核电运营数字化能力,为 “数字电厂”建设提供了基本条件。依托EAM项目,启动了企业级数据中心建设。

3 后续工作及未来展望

数字化是趋势,数字化转型势在必行。数字化核电厂建设是系统工程,持久工程,涉及管理模式转变、业务转型,目前已制定了数字化核电厂总体功能框架。“华龙一号”数字化核电厂建设是数字核电建设的开始,以此为契机,形成“华龙一号”数字化核电型谱化,不断提升核电的安全性、经济性、可靠性。

3.1 “华龙一号”数字化核电厂后续工作

“华龙一号”首堆形成完整的核电工程配置数据库,数据库包含完整的设计、设备和工程建造过程配置数据,实现工程侧向运营侧的数字化移交,实现核电工程配置数据库与核电厂运营配置数据库的有效衔接,有效支持 “华龙一号”首堆的数字化运营。初步建成数字核电大数据体系。完成核电产业链各领域数字化转型,数字化能力初步形成、价值创造与管理创效初步显现。具体表现为:

3.1.1 数字化设计

完成设计数字化业务转型,初步实现以核电厂系统和设备参数化为依托的设计过程管理和一体化数据管理。设计标准化得到推广、集成设计管理系统初步成型。专业设计软件覆盖率得到提高,启动重要系统数字化设计试点,实现全领域三维设计覆盖,启动设计领域大数据试点,具备核电厂设计配置数据交付能力。

3.1.2 数字化工程

建立工程建造各业务环节通用的核电站数据模型,形成各方适用的数据标准;完成各业务信息系统基于核电站数据模型的改造升级,建立业务信息关联关系,推进依据数据模型开展工作及交付成果数据的业务模式转变;打通工程建设各系统间的数据通路,实现工程建造各业务环节高效的信息协作。以项目管理平台为中心,整合集成采购、施工和调试系统中的交付成果数据,具备核电厂工程配置数据交付能力,启动核电工程大数据试点。

3.1.3 数字化运营

基于核电工程数字化交付成果,构建核电厂运营配置数据库。推进基于运行监控实时数据的故障预测、诊断分析试点。推进设备可靠性与维护检修精准化技术支持体系试点,为设备可靠、高效运行提供保障。推进电厂安全分析数字化、高风险作业三维模拟化,应急演练仿真化,提升电站运行的安全管控能力。开展机组运营绩效对标,支持机组运行绩效改进,为核电运营标准化、数字化和可视化奠定基础。

3.1.4 核电大数据

总体目标是建立覆盖核电全产业链、全生命周期的核电工程设计、设备采购、工程建设、系统调试、核电站运营到核设施退役的大数据体系,充分发挥核电大数据对核动力科研、设计、采购、建设、调试、运行和核设施退役等各业务领域业务与技术创新和价值创造的支撑价值,促进核电行业发展与社会进步 (见图2)。

3.2 未来展望

图2 数字核电目标展望Fig.2 Prospect of digital nuclear power targets

以智能化设计为龙头,搭建数字化设计环境、氛围和机制,提高协同效率、充分发挥设计人才主观能动性,创新研发,形成数字化积累,为智能化设计奠定基础,不断提升设计水平。以数字化工程为依托,实现基于数据和模型的项目管理,精细计划、精准资源配置;按需按时的高效采购与有效的成本管控的敏捷化采购:集约化施工过程管理和一体化施工;基于数字化、模型化、系统化调试,打造精益核电工程。为数字化运维奠定数据基础、模型基础、服务基础,满足核电厂运行维护、技术改进、管理优化和核设施退役的需要,打造模拟仿真智慧运营的目标。最终实现核电产业链数字化转型,联动核电设备制造行业供应链 “互联网＋”信息化建设与应用,自主核电科研、设计、装备制造、建安、调试、运维产业链升级。服务于国家 “核电走出去”战略、“一带一路”倡议。