海上浮式核电平台集成监测系统

张 浩，李翌阳，秦旭阳，王午阳

(1.湖北省工程咨询股份有限公司，湖北 武汉 430071；2.武汉第二船舶设计研究院，湖北 武汉 430064)

0 引 言

随着人类对核能技术的利用，利用核动力发电的技术日臻成熟[1]，清洁、安全的陆上大型核电已逐渐成为能源供给的重要组成，在各国以资源为核心，推进海洋经济发展[2]，在国家大力发展海洋强国的战略背景下，核电发展趋势将由陆上核电转向海洋核电，海上浮式核电平台为搭载有核动力装置的焊接结构钢质非自航船式平台/船，长期系泊于指定作业海域，具有一定的自主移位功能，可根据用户需要提供电能和淡水，是“海、核、堆、船”四位一体的全新领域，系统复杂，还要适应海洋的特殊环境条件。

在发展海洋核能的同时，海上浮式核电平台集成监测系统必不可少，海上浮式核电平台集成监测系统作为海上浮式核电平台安全运行的重要保障，海上浮式核电平台的外围辐射环境监测实行双轨监测[3]，但目前没有适用的海上浮式核电平台集成监测系统的设计规范。《核动力厂设计安全规定》[4]偏重于陆上核电厂辐射监测工作，《近岸海域环境监测技术规范》[5]侧重于水文气象等方面的监测工作。而海上浮式核电平台类似于船舶，对浮体姿态和系泊系统有要求，这也类似于陆上核电厂的地震，因此海上浮式核电平台集成监测系统是海上浮式核电平台安全运行的重要基础。

1 海上浮式核电平台监测目的

海上浮式核电平台集成监测系统的目的是：

1）为了评估正常运行和事故条件下环境中出现的放射性物质或辐射场对关键人群组和居民造成的真实的或潜在的剂量[6]；

2）对照批准的限值和法律要求，衡量浮式核电平台的环境状况是否符合法规的要求；

3）核查流出物控制的有效性，以便对异常的或未预见的工况提出警告，并为异常释放提供快速评估，为应急事故期间制定应急方案提供决策的依据；

4）为了向公众提供信息；

5）预测和监测海洋环境条件，如风速、风向[7]以及浮式核电平台自身浮体姿态[8]和系泊情况，确保船体的安全；

6）收集关于放射性物质在当地环境中行为的资料，以供事故后果评价之需；

7）跟踪浮式核电平台周边环境放射性水平短期变化，并评估其长期的变化趋势。

2 设计参考标准规范分析

目前没有适用的海上浮式核电平台集成监测系统的设计规范，需结合海上船舶和陆上核电站相关规定及设计规范，研究满足海上浮式核电平台监测需求的监测系统。

2.1 核动力厂设计安全规定（HAF102-2016）

必须设置相应的辐射监测设备，以保证在运行状态下和设计基准事故工况下提供充分的辐射监测，以及在设计扩展工况下提供实际可行的辐射监测。

必须根据核动力厂周围区域剂量率或放射性浓度的环境监测，对照射和其他辐射影响的评价做出安排。

HAF102-2016 对核动力厂环境监测系统包括辐射监测、放射性浓度监测、周围区域剂量率、放射性流出物监测提出了具体的要求，海上浮式核电平台环境监测系统也应满足。

2.2 近岸海域环境监测技术规范

对近岸海域的水文气象的监测方案提出了要求，规范近岸海域环境监测工作。

2.3 2014 海上浮式装置入级规范[9]

为了保证海上浮式装置的安全性，规范对船体的横摇、纵摇、横荡、纵荡角度有要求，确保浮式装置在运行期间的安全。

3 浮式核电平台集成监测系统设计

海上浮式核电平台集成监测系统既包括陆上核电厂的辐射监测，也包括海洋环境条件、浮体姿态以及系泊系统信息监测，是整个海上浮式核电平台安全运行的重要基础，监测信息又是浮式核电平台集成监测系统的基础，监测系统需要完整获取浮式核电平台所受的辐射情况、环境情况、浮体姿态以及系泊系统情况，通过对浮式核电平台的监测数据分析，结果比模型试验更接近真实情况，也更能反映浮式核电平台的辐照情况和运动情况，监测数据可以为以后的设计、运 行提供依据。

3.1 功能

1）信息综合采集及传输功能

对整个浮式核电平台的状态信息进行数据采集，通过冗余的光纤网进行信息的传输，通过不同层次、不同种类的信息网络，实现核电厂实时、高可靠性的信息综合传输功能。

2）信息处理功能

对整个集成监测系统的监测数据进行电制转换、量程变换、非线性补偿、物理量计算、状态量联锁等的状态信息的处理功能。浮式核电平台最重要的是辐射监测，辐射监测系统能够快速、灵敏、可靠地反映辐射情况的变化，预示早期的辐射事故状态，监测事故后的辐射水平，通过对各种能直接评价辐射安全性能的辐射量的监测，给出测量值的实时显示和历史曲线显示等，为事故处理、追查事故原因、评价事故影响提供依据。

3）显示功能

主要提供各种仪表显示、系统状态模拟显示和数字显示、实时监测状态显示，使操纵人员全面了解浮式核电平台各系统的运行状况，包括参数是否正常，浮式核电平台是否安全等。当参数发生异常时，能够发出声、光报警信号，提醒操纵人员采取相应措施。辐射监测的重要参数，包括模拟量和数字量均能以一定的周期采集和记录，完成数据的处理、显示和报警。

4）安全预测及报警功能

预测监测系统的整体安全，通过设置在各人机交互设备上的专用报警器、显示屏幕等设备，通过颜色的变化、光线的闪烁、声音等多种提醒手段，向操作员通告系统工况变化超出允许范围及设备故障等信息。

5）运行信息存储功能

数据存储装置能够通过通信网络收集监测传感器采集到的数据，并将这些数据按时间顺序保存在专用保护存储器内，为运行安全分析、事故分析及事故处理提供数据支持。

3.2 组成

海上浮式核电平台集成监测系统分为：监测系统、数据采集系统和监测系统软件，而监测系统分为辐射监测系统、环境条件监测系统、浮体姿态监测系统和系泊信息监测系统，监测系统软件为模块化设计，分为系统功能模块、串口通信模块、数据处理模块和界面显示模块。

1）辐射监测系统

辐射监测系统用于核电厂正常运行、换料、正常维修和事故工况期间的厂内及周边环境辐射监测，为控制各区域的辐射水平提供依据，为人员辐射安全、核动力装置运行安全、周边环境及公众辐射安全提供一定保障，辐射监测系统包括工艺辐射监测、舱室辐射监测、流出物辐射监测、控制区进出辐射监测、个人剂量监测管理和放化分析室及便携式仪表等系统和平台周边环境辐射监测系统。辐射监测信息包括X 射线、β 射线、γ 射线、α 活度、β 活度和中子辐射等。

2）环境条件监测系统

环境条件监测系统属于浮式核电平台水上监测，海上船体的摇摆均是由风、海浪、海流三者联合作用的结果，独立考虑任何一项造成船体的摇摆与实际海洋环境情况不符，一般船舶的运动特性尤其是最大摇摆角的确定，均同时考虑风浪流的联合作用，根据实际可能风浪流方向，通过多种组合确定最危险的工况，而低压可能会发生热带气旋或温带气旋引起的风。因此环境条件监测信息包括风向、风速、浪高、周期、流向、流速和气压。

3）浮体姿态监测系统

浮体姿态监测系统属于浮式核电平台水上监测，包括浮体的6 个自由度监测，监测信息包括横摇、纵摇、横荡、纵荡、首摇和垂荡。海上浮式核电平台作业工况下，设备倾斜摇摆限定值要求：横摇角度为±22.5°，周期为3～14 s；纵摇角度为±10°，周期为4～10 s；横荡角度为±22.5°，纵荡角度为±10°，只有满足倾斜摇摆限定值要求，浮式核电平台才能够安全运行。

4）系泊信息监测系统

系泊信息监测系统属于浮式核电平台水下监测，系泊系统是保证浮式核电平台安全的关键，因此采用自容式加速度和自容式倾角传感器来监测系泊系统。监测信息包括系泊系统受力、姿态。

集成监测系统通过监测传感器来采集信息，监测传感器是浮式核电平台不可或缺的输入，因此集成监测系统中的监测传感器选择和监测信息如表1 所示。

表1 海上浮式核电平台监测信息Tab.1 Monitoring Information for offshore floating nuclear power plants

5）系统功能模块

系统功能模块是监测软件根据传输过来的数据，发出指令至串口通信模块、输出参数至数据处理模块和视图切换至界面显示模块的模块。

6）串口通信模块

串口通信模块是软件与数据采集系统的通信接口，负责数据接收和接收系统功能模块发出的指令，并将数据传输至数据处理模块，起到承上启下的连接作用。

7）数据处理模块

数据处理模块是根据串口通信模块传输的数据和系统功能模块发出的参数进行计算和处理的模块，并将数据传输至界面显示模块。

8）界面显示模块

界面显示模块是根据数据处理模块处理后的数据和系统功能模块的视图切换功能进行图像化处理，并将结果通过图像形式显示给操作人员。

3.3 监测方案

辐射监测传感器、环境条件监测传感器、浮体姿态传感器和系泊信息传感器对整个浮式核电平台的状态信息进行数据采集，并通过冗余的光纤网，集成监测系统将信息传输至数据采集系统。由于核安全要求，浮式核电平台对监测数据安全存储性要求高，为了保障数据的安全性，需要进行数据冗余备份，当集成监测系统将信息传输至数据采集系统时，完成监测数据的第一次存储。

与此同时，数据采集系统将传感器的有效数据通过串口通信模块发送给监测系统软件，数据处理模块对串口通信模块接收的数据进行计算和处理，并根据系统功能模块提供的参数对部分数据进行修正，保证数据的准确性，界面显示模块接收数据处理模块传输过来的数据，在界面显示模块上显示数据。

监测系统软件将这些数据按时间顺序保存在专用保护存储器内，为运行安全分析、事故分析及事故处理提供数据支持，在监测系统软件进行第二次存储，以保证在极端恶劣条件的数据存储的安全性。

当监测系统软件收到监测数据后，监测数据不再局限于海上浮式核电平台工作人员，可通过动中通卫星发送给陆上营运单位和环境保护部门，扩大了监测系统的作用及影响力，不仅仅是海上浮式核电平台工作人员，陆上的营运单位和环境保护部门可以同时收到浮式核电平台的监测数据，为营运单位开展的辐射环境监测和环境保护部门的双轨监测提供支持。通过集成监测系统可以预测浮式核电平台的整体安全，当出现事故或者恶劣环境条件时，可以第一时间开展核应急预案，将损失降低到最小程度。

集成监测系统原理图如图1 所示，软件架构如图2所示。

图1 浮式核电平台集成监测系统原理图Fig.1 Schematic diagram of integrated monitoring system for floating nuclear power plant

图2 浮式核电平台监测系统软件架构Fig.2 Software Architecture of monitoring system for floating nuclear power plant

4 结 语

由于目前没有海上浮式核电平台集成监测系统设计规范，本文以海上浮式核电平台监测需求的基础上，分析《核动力厂设计安全规定》对辐射监测的要求和《近岸海域环境监测技术规范》《钢质海船入级规范》对海洋环境、浮体姿态和系泊系统的要求，设计海上浮式核电平台集成监测系统。海上浮式核电平台通过辐射、海洋环境条件、浮体姿态以及系泊系统信息监测系统以及数据采集系统和监测系统软件可以实现营运单位和环境保护部门的双轨监测，扩大了监测系统的作用及影响力。随着集成监测系统的发展，海上浮式核电平台集成监测系统的设计将逐步规范化，在不久的将来，可以实现无人智能化海上浮式核电平台，工作人员无需登上浮式核电平台，在陆地上就可以对核电厂进行远程操控，显著提升安全性和舒适性。