核电厂仪控系统数字化改造关键要素探究

李本荣 何忱 赵旺

福建福清核电有限公司 福建福清 350318

核电厂基于模拟技术的仪控系统在设备故障、设备老化、备件供应、维修成本等方面面临越来越严峻的挑战，甚至影响到电站的安全、稳定和经济运行。基于核电厂仪控系统数字化改造的复杂性和核安全风险，对仪控数字化改造整个周期内的改造工作、主要技术问题开展研究是非常必要的，有利于降低核电厂仪控数字化改造风险，保证改造顺利进行。

1 改造的实施策略

1.1 核电厂仪控系统生命周期管理

已有实践表明基于 EPRI（Electric Power Research Instit ute）所提出的核电厂仪控系统改造生命周期管理的方法，建立整个运行寿期内的全面的管理计划，再实施改造，可在维修、改造之间获取平衡。应在改造的筹划阶段就立足全局，制定仪控系统的生命周期管理计划。通过基于全局统筹的方法，不孤立地进行各子系统的改造，而对需要改造的每个子系统预先进行评估，在此基础上再建立改造的最终目标。按IAEA相关报告，核电厂仪控系统改造的项目生命周期可划分为11个阶段：①战略规划；②可行性研究；③构建整体架构和基本需求；④编制子系统详细需求和招标；⑤子系统施工设计；⑥系统实现；⑦工厂验收测试；⑧培训服务和文件移交；⑨子系统设备安装；⑩现场验收及调试；运行和维修。总体阶段包含前3个阶段，子系统改造实施阶段覆盖中间的7个阶段，运行和维修则与核电厂生产工艺紧密联系。按照活动阶段以及责任的划分,数字化改造项目起始和完工阶段的任务应由核电厂业主负责，而数字化仪控系统的设计、开发、制造等工作应由设备供应商负责实施[1]。应根据运行目标及已有承诺、中长期运营计划、中长期大修计划以及财务情况，制定长期的整体改造规划。因此，对现有系统实际情况，潜在需求进行全面调查和评估的工作非常重要。再通过系统改造的利益代价分析，确定改造的范围以及各子仪控系统实施改造的时间表。在战略规划中应明确给出项目全部完工后仪控系统/设备的详细蓝图，各仪控子系统和主控室改造的时间表以及初步预算等。

1.2 改造风险控制

虽然新建核电厂几乎全部采用了数字化的仪控系统，相关设计、开发等标准体系也建立，但由于核电厂仪控系统全面改造的复杂性以及存在许多限制条件，升级改造时仍有很大的困难和风险。主要风险有：需求规范的正确性、系统的完整性；软件的共因故障风险及其应对措施；配置管理；仪控平台及软件工具的成熟度及可靠性；软件V&V的过程管理；数字/模拟混合运行期间各子系统间的接口、适用的临时性运行规程、优良的人因工程设计；核电厂财务能力等。有目标电厂的、数字化仪控系统的改造本身在技术上不存在颠覆性风险，但由于核电厂本身的各种限制，有需要过多的停机时间来实施改造的风险[2]。这样的改造是不成功的改造。在精心准备、实施的同时，和监管当局保持及时地沟通十分重要。

2 改造的关键因素

2.1 平台的选择

为了便于通过核安全监管当局的审查，核电厂通常采用经过核安全认证的DCS/PLC等产品作为仪控系统的实现平台。可编程逻辑器件的解决方案，如现场可编程门阵列（FPGA）和专用的集成电路（ASIC）等也可作为备选项。这些通常被认为是“基于硬件的可编程设备”，在设计和实现方面比基于软件的计算机系统更加简单，更有利于进行安全性审评。它们也易于和其他的硬件平台联合并列使用，在对安全级仪控系统实施多批次改造时比较方便，可明显降低改造的难度和风险。

2.2 核电厂仪控系统改造对仪控功能的考虑

核电厂仪控系统改造对其原有仪控功能可采取两种方式：一种是所谓“Hkeforhke ”形式的替代，即采取新的仪控系统实现对原有仪控系统的替代，功能上与原有系统基本等同。另一种方式是功能增强型的改造，该种方式将充分利用新系统的技术特点，可满足电厂对安全性、可用行、可靠性的提高或提升机组出力的要求。例如采用DCS技术对原有工艺系统的控制采用按工艺流程的方式进行功能分配，提高机组的自动化设计水平、增加先进报警管理功能和数字化运行支持系统功能等都属于功能增强型改进[3]。

2.3 纵深防御的要求

仪控系统应根据电厂安全性目标设计，满足电厂纵深防御的策略。在正常运行和运行瞬变时，核电厂的仪控系统进行调节和控制，保证电厂正常或恢复正常运行；对于预期设计瞬态事件，正常运行装置和/或反应堆停堆系统来保证核电厂的安全性，维持屏障的有效性和人员的可居留性；当发生设计基准事故时，通过反应堆停堆系统、专设安全设施驱动系统等动作，实现紧急停堆，缓解事故后果。

3 结语

随着运行时间的增长，以及基于模拟技术的仪控系统给核电厂运行和维护带来的局限性，对核电厂仪控系统进行数字化改造已经成为必然选择，核电厂采用数字化仪控系统已经成为核电发展的趋势。鉴于核电厂仪控数字化改造的复杂性和高风险性，对仪控数字化改造涉及的组织管理以及各项技术开展研究，是保证改造工作成功的前提，将有力保证改造工作的顺利推进，有利于核电厂安全、稳定和经济运行。