基于模块化的华龙一号核取样系统设计方法的研究

2022-10-28房丽萍陈彦霖中国核电工程有限公司

品牌研究 2022年30期

文/房丽萍陈彦霖（中国核电工程有限公司）

“华龙一号”核取样系统用于集中抽取反应堆冷却剂系统、专设安全系统、核辅助系统、三废系统和蒸汽发生器二次侧系统，具有代表性的气体、液体样品，供化学分析和放射性化学分析用，以获取样品中的重要参数，为核电厂运行和水化学管理提供支持。该系统还具有重要的事故后功能，可以在事故后对反应堆冷却剂系统、安全壳喷淋系统、蒸汽发生器排污系统取样，有助于事故的诊断和控制。目前，华龙一号迎来批量化生产，核取样系统设计技术成熟，总体满足任务需求。但该系统设计又面临如下课题：（1）如何提高系统设计效率，提高资源重用率；（2）针对通用的、具有共性的设计，如何提高标准化；（3）面向业主，如何快速响应业主个性化和更高质量需求；（4）面向市场，如何将市场中的高、精、尖产品，更新到系统设计中，为系统设计增值。

模块化设计方法为解决上述问题提供了新思路。模块化设计方法是将模块化和模块组合相统一的过程[1]。通过在产品的整个研制过程中实施模块化设计先进技术，使得产品快速化、标准化设计，在减少产品内部多样化的同时灵活增加产品外部多样化，快速响应业主和市场需求。并因为通用模块的设计，制造厂家以接近大批量生产的成本和速度提供产品和服务，有效解决了业主个性化需求和大批量生产之间的矛盾[2]。模块库和标准化接口维护易于产品在全生命周期中的升级和管理。

一、核取样系统模块化设计流程

核取样系统模块化设计是将核取样系统模块化和模块组合的统一过程，包括模块化准备、模块化规划、模块化划分和模块化配置设计阶段。设计基本流程如图1所示。

图1 核取样系统模块化设计基本流程

（1）核取样系统模块化准备阶段，主要工作包括物项分类和建立适合模块化设计的编码体系。首先根据功能、品种、规格以及层次等特性对模块建立分类结构，定义分类属性。在此基础上，建立统一、简洁、完善的编码体系，从而便于模块的管理和资源检索。

（2）核取样系统模块化规划阶段，对系统设计任务进行详细的分析，构建产品功能结构以及产品关联分析，从而为产品的模块化划分做好准备。对系统分析内容主要包括：1）业主需求分析，包括业主的约束性需求和个性化需求；2）核取样系统功能和结构分析；3）核取样系统主要设备参数的标准化分析。

（3）核取样系统模块化划分阶段，在系统工程和标准化的思想指导下，将核取样系统分解成通用化、具有独立功能和结构、接口标准的模块。由这些模块组成完整的模块库。模块划分质量对模块化设计质量起着非常关键的作用。模块划分一般性原则如下：1）模块功能和结构有一定独立性和完整性；2）模块接口便于连接和分离；3）模块内部零部件强耦合，模块之间为弱耦合；4）分解的粒度要合适，尽可能少的模块组成尽可能多的产品，从而满足客户的个性化需求[3]。

（4）核取样系统模块化配置阶段，是从业主的需求出发，参照系统设计准则和安全准则，在满足相互约束关系的配置规则下，从预定义的模块库中快速配置出模块化产品，最后对配置结果进行检查和校审，完成核取样系统设计。产品配置过程中，综合业主需求、系统设计准则和规则多层次进行选配组合。

二、核取样系统模块化设计平台总体方案

在模块化相关工作的基础上，需开发一个面向核取样系统模块化设计平台。基于模块化设计流程的分析和模块化管理的需要，该平台包括以下几个系统：编码管理系统、业主需求管理系统、模块管理系统、配置设计系统、设计成品系统。

（一）编码管理系统

编码管理系统，是为了满足平台开发、产品数据管理和快速检索的需求。编码系统物项分类编码和功能标识，整体遵循华龙一号核电项目设备类型编码规则、《华龙一号设备的功能标识》程序文件和标准程序文件。

（二）业主需求管理系统

在核取样系统设计中，业主的需求处于“源头”地位。业主需求管理系统中，业主的需求分为约束性需求和个性化需求[4]，约束性需求是对于核取样系统交付必须满足业主的要求，个性化需求是指业主通过设计优化建议、良好实践、经验反馈、联合科研等途径提出核取样系统的灵活性需求。每个项目业主的需求将成为重要的设计输入，业主需求表如表1所示。

表1 业主需求分析

（三）模块管理系统

模块管理系统包括了模块库、模块接口、模块编辑。基于对核取样系统的功能分析、结构分析和模块划分原则，对核取样系统进行模块划分，所有的模块便组成了模块库。模块库中模块分为一级模块和二级模块，一级模块有取样冷却模块、减压阀模块、过滤器模块、手套箱模块、通风柜模块、在线分析仪模块、阀门模块、管道模块、仪表模块等，核取样系统模块库基本构成如表2所示。

表2 核取样系统模块库

核取样系统设计成熟，从自主研发到批量化生产，设计整体复用性强。设备经过设计、制造、实践，已经具有成熟的产品型号，因此可以标准化设计。模块接口标准设计也是模块化设计的关键技术之一，具有不同功能属性的模块实体通过接口实现物质、信息、能量的交换，从而协同完成产品的整体功能。

核取样系统取样冷却器根据管道内介质的带放性、设计温度和设计压力分为：一回路高温取样冷却器、一回路低温取样冷却器、一回路一体化取样冷却器、二回路高温取样冷却器、二回路低温取样冷却器、二回路一体化取样冷却器六种。每一种取样冷却器采用标准的数据表，规定了该管壳式换热器的主参数、安装条件和机械接口。以一回路高温取样冷却器数据表为例，说明模块接口内容，见表3。

表3 一回路高温取样冷却器模块数据表

模块编辑则可以对模块接口数据进行升级，对模块删除、新增和替代。模块的编辑可以根据业主需要和市场发展等因素并结合设计自身情况进行调整，是实现产品更新换代的重要途径。

（四）配置设计系统

配置设计系统是从模块库中选配出满足系统设计的模块，并组合得到最终的模块化产品的设计平台。在该系统中，模块的配置受到业主需求和系统配置规则的约束，采用有向图从左到右来构造定制模块的配置关系模型；配置过程中先后按照主工艺配置、仪控仪表配置、次工艺配置、业主的个性化需求多层次的配置顺序完成模块化产品的配置工作。基于模块化设计的核取样系统设计流程图完成，校对、审核、审定依次对该流程图进行设计审查，填写设计质量评定卡和设计校审记录卡。

高效的配置离不开符合系统设计原则的配置规则。采用基于规则的选配方法，更接近于系统设计人员的思维方式，表达过程直观、自然。为高效地完成配置效果，应避免配置环的存在。下面以一回路样品为例，说明核取样系统的配置规则。

（1）判断一回路样品设计温度是否超过35℃，如超过，必须配置一回路取样冷却器，在模型库中对一回路取样冷却器进行选型；（2）判断一回路样品设计压力是否超过0.7MPa，如超过，必须配置一回路减压阀，在模型库中对一回路减压阀进行选型；（3）样品需要在封闭的柜体中进行测量和取样，在模型库中对手套箱、通风柜进行选型；（4）根据需要测量的化学参数测点，在模型库中对在线分析仪表进行选型；（5）根据样品的种类，对样品回收路径进行选择；（6）根据仪控需求，在模型库中对仪表进行选型配置，并设置控制逻辑；（7）根据疏水需求、布置要求等完善次工艺流程；（8）结合业主的个性化需求，优化核取样系统流程图；（9）对配置结果进行审查，完成两卡评定。