核电厂仪表和控制系统法规标准体系概述

2023-10-25宿俊海

仪器仪表用户 2023年11期

孙娜，吴茜，宿俊海

（华龙国际核电技术有限公司，北京 100036）

核电厂仪控系统的设计包含多个专题，一般分为总体要求、基本安全、设备鉴定及平台要求、控制室和人机接口、人因、传感器及测量、网络安全及老化管理等。各专题标准要求均在总体要求下逐步细化，形成仪控系统设计的标准体系。本文分析内容不包含仪控系统0 层传感器及测量相关要求，也未包含辐射监测及老化管理等相关标准内容。

1 法规标准层次

核电厂设计法规标准体系层次自上而下可分为法律、行政法规、规章、规范性文件、核安全导则及标准[1]。当前国内与核电厂仪控系统设计相关的法律、法规及导则文件汇总见表1。

表1 仪控法规导则文件Table 1 Instrument and control regulatory guidelines document

HAD102/10 的修订原则上以IAEA 导则No.SSG-39[2]为蓝本，对HAD102/10-1988《核电厂保护系统及有关设施》、HAD102/14-1988《核电厂安全有关仪表和控制系统》、HAD102/16-2000《核动力厂基于计算机的安全重要系统软件》3 份导则进行了合并，同时确保与2016 年国家核安全局发布的《核动力厂设计安全规定》（HAF102-2016）的一致性，还考虑了与国内现行核安全法规和标准的协调，体现国内核动力厂设计的良好实践。

HAD102/21 参考No.SSG-51 对HAF102 有关条款进行说明和细化，为人因工程应用于人机接口设计和改造提供一种结构化的方法和指导，以便最小化人员失误风险，优化人员效能，保证核电厂的安全运行。

2 国外仪控系统设计标准体系

目前华龙一号核电厂仪控系统设计过程中，遵照和参考执行的标准主要为国内标准，但它们大多基于国外标准转化而来，因此本文对主要国外标准体系进行梳理，介绍其分类形式及核电厂仪控专业主要标准。

2.1 IEC

IEC 的标准化工作由IEC 技术委员会TC 和分委员会SC 完成，核设施的电气和仪控系统标准化工作属于IEC 中SC45A 分会[3]，SC45B 制定用于测量工作场所、公众和环境中用于辐射防护的电离辐射仪表的标准，放射性核素的非法贩运、探测和鉴定，基于辐射的安全检查。本节主要梳理SC45A 相关标准，SC45A 标准分为4 个层次，分别为第一层：通用需求；第二层：特定主题的通用需求；第三层：特定主题的特定需求；第四层：技术报告。

第一层：IEC SC45A 标准系列的顶层文件是IEC61513和IEC63046。IEC61513 规定了用于执行核电厂安全重要功能的仪控系统和设备的一般要求。IEC63046 规定了核电厂电力系统的一般要求，它涵盖了供电系统，包括仪控系统的供电系统。IEC61513 和IEC63046 构成了IEC SC45A 标准系列，形成了一个完整的框架，制定了核电厂仪表、控制和电力系统的一般要求。

第二层：IEC61513 和IEC63046 直接引用其它IEC SC45A 标准，用于特定主题的通用要求，如功能和系统分类、鉴定、共因故障防御、控制室设计、电磁兼容性、网络安全等。

第三层：该层标准通常没有被IEC61513 和IEC63046直接引用，是那些与特定设备、技术方法或活动的特定要求相关的标准。通常，三层标准可以单独使用，并参考相关的二层标准。

第四层：技术标准的扩展报告，这些文件通常不是标准或规范。

仪控相关标准层次如图1 所示。

图1 IEC仪控标准体系示意图Fig.1 Schematic diagram of IEC instrument and control standard system

2.2 IEEE

电气与电子工程师协会（Institute of Electrical and Electronics Engineers），简称IEEE，总部位于美国纽约，是一个国际性的电子技术与信息科学工程师协会[4]。其制定的标准在美国、北美地区，及亚洲、欧洲部分国家得到广泛应用。对于核电厂和核设施的安全设备设计标准中，以设备设计和鉴定为主，主要标准包括IEEE Std 603、IEEE Std 7-4.3.2 以及单一故障准则、定期试验、独立性和可靠性、鉴定等相关要求的标准，大部分均已转化成国内标准，但存在版本过旧，需要进行升版的问题。

2.3 IAEA

国际原子能机构（International Atomic Energy Agency），简称IAEA，在联合国大家庭中被广泛称为世界上的“原子能促进和平与发展”组织，是核领域的国际合作中心。原子能机构与其成员国和世界各地的多个伙伴合作，促进安全、可靠与和平利用核技术。

原子能机构是核领域的主要出版者[5]。它的9000 多种科学和技术出版物，包括国际安全标准、技术指南、会议记录和科学报告。它们涵盖了原子能机构工作的广泛领域，重点是核能、放射治疗、核安全和保障以及核法律等，主要包含安全标准系列、核能系列以及核安保系列。

安全标准系列涵盖核安全、辐射安全、运输安全及废物安全，从类别上包括3 套刊物：《安全基础》《安全规定》和《安全指南》。其中，第一项规定了基本安全目标和保护与安全的原则，第二项规定了必须满足的要求，以确保现在和将来对人和环境的保护。安全指南提供了关于如何遵守要求的建议和指导。仪控相关的安全标准主要包括核电厂安全设计相关的No.SSR-2/1、核电厂运行相关的No.SSR-2/2、仪控系统设计相关的No.SSG-39 以及人因工程标准No.SSG-51 和设备鉴定No.SSG-69 等。

核能系列出版物分为4 个层次：①《核能基本原则》出版物阐述了和平利用核能的基本原理和前景；②《核能系列目标》出版物描述了在实施的不同阶段，各主题领域需要考虑的问题和要实现的具体目标；③《核能系列指南和方法》就如何实现与和平利用核能有关的各种主题和领域的目标提供高级指导或方法；④核能系列技术报告提供了与原子能机构核能系列所探讨主题有关的活动更多、更详细的资料。

原子能机构核安保系列出版物的类别如下：《核安全基础》规定了一个国家核安全制度的目标及其基本要素，它们为《核安全建议》提供了基础。《核安全建议》规定了各国应采取的措施，以实现和维持与《核安全基本原则》相一致的有效国家核安全制度。《实施指南》就各国实施《核安全建议》所采取措施的手段提供指导。因此，它们的重点是如何实现与核安全广泛领域有关的建议。《技术指南》就特定技术主题提供指导，以补充《实施指南》所需的指导，他们关注的是如何实施必要措施的细节。

2.4 NRC

美国国会于1974 年成立了美国核管理委员会（NRC），作为一个独立机构，其职责是在保护人民和环境的同时，确保放射性物质安全用于有益的民用目的[6]。核管理委员会通过发放许可证、检查和执行其规定，对商业核电站和核材料的其他用途（如核医学）进行监管。核电站仪控系统主要相关监管文件如图2 所示。

图2 NRC仪控相关文件Fig.2 NRC Instrumentation and control related documents

10CFR 为NRC 发布的联邦法规，其中Part50 为生产和应用设施的国内许可标准，它的附录A 为核电厂的通用设计准则，Part52 为核电厂的许可和批准法规。NUREG 系列出版物为有关监管的决定、研究结果、事故调查结果，以及其他技术和管理信息的报告。其中，仪控专业主要包含NUREG-0800 的核电厂安全分析报告的审查计划、NUREG/CR-7007 仪控系统多样性策略、NUREG/CR-6303 反应堆保护系统纵深防御，及多样性方法、NUREG-0711 人因工程大纲等。RG 监管指南系列对特定技术问题提供指导。BTP对RG 以及适用法规标准进行补充，解决详细审查过程中出现的技术问题。它和RG 一样并不是强制性的，但确实可提供一些可接受的解决方案，BTP7-1 至BTP7-21 为仪控相关问题。ISG 作为安全审查计划和RG 的补充文件，目前与仪控相关的大部分均合并到相应的审查计划或RG、BTP 中，DI&C-ISG-04 目前还是可用状态，可作为仪控设计的参考文件。

3 国内仪控系统设计标准体系

目前，仪控设计涉及的国内标准包含GB（强制性国家标准）、GB/T（推荐性国家标准）、GB/Z（国家标准化指导性技术文件）、NB/T（能源行标）。其中，国内标准大多数来源于国外标准，对其进行翻译适应性修改后转化为NB/T以及GB/T。

3.1 仪表和控制系统

仪控专业标准包含工程设计中的仪控系统设计类和设备设计类标准两类，但两类标准没有完全地独立开来。本文将仪控标准分为3 个层次，第一层次为安全重要仪表系统总体要求类，第二层次为特定技术通用要求类，第三层次为特定技术具体要求类。另外，将仪控相关标准分为不同方向，分别为通用要求、系统设计准则、基本安全、网络安全、设备鉴定以及V&V 等，本体系结构中不包含过程监测仪表、辐射监测、老化管理等标准。仪控系统设计标准体系层次图如图3 所示。

图3 仪控系统设计法规标准层次图Fig.3 Hierarchy of design regulations and standards for instrumentation and control systems

3.2 人因工程

国内目前为止没有与核电厂人因相关的法律，核安全法规中与人因相关的内容主要是为控制室设计提供整体上的要求和指导。中国20 世纪90 年代编写了安全法规技术文件（HAF J）和安全法规译文（HAF Y）。HAF J0055 和HAF Y0011 提供了详细的人因工程设计导则。中国核电厂人因相关标准基本是对国际电工委员会IEC、美国电气与电子工程师协会IEEE 等标准进行吸收、转化而来。控制室设计法规标准层次如图4 所示。

图4 控制室设计法规标准层次图Fig.4 Hierarchy of control room design regulations and standards

3.3 存在的问题

在以上标准体系中，仍缺乏对某些具体设计工作的指导标准或存在与堆型设计不一致的情况。主要包含以下内容：

GB/T 15474《核电厂安全重要仪表和控制功能分类》规定了核电厂安全重要仪表和控制功能及实施该功能的系统和设备的分类方法，并确定了各个类别在功能度、可靠性、性能、环境耐久性和抗震性能等方面的技术要求和质量保证要求，但目前华龙一号的安全分级原则与其存在差异。

对于仪控系统总体结构设计，目前没有对应的标准要求。IAEA NO.NP-T-2.11 对仪控总体架构做了论述，提出设计流程及设计原则如：纵深防御、独立性、仪控功能分类和系统设备分级、网络安全与核电站架构和概念的整体一致性严格控制仪控系统的复杂性、灾害防护等[7]。

控制系统在电厂启动、升功率、功率运行、停堆和换料期间对整个电厂进行控制，主要包括核岛控制系统、常规岛控制系统以及BOP 控制系统，完成正常运行期间核电厂的控制和监测功能。在电厂偏离正常运行期间，防止自动紧急停堆和专设安全设施动作，维持电厂主要参数在正常运行范围内。在华龙堆型中，控制功能为FC3 或NC 级，设备通常采用DCS 来实现。目前核电还没有专用的设备设计制造标准，由于其高可靠性要求以及核电特殊性，可考虑单独制定相应标准。

纵深防御及多样性设计是系统设计中最重要的原则之一，目前国内没有详细的指导要求，一般通过参考NUREG/CR-6303 和NUREG/CR-7007 来完成仪控系统纵深防御及多样性设计及评估工作。多样性驱动系统的设计准则可参考IAEA-TECDOC-1848 进行设计，另外安全级数字化系统中通信独立性是特别重要的设计要求，目前国内没有详细的指导要求和评估准则，具体可参考IEEE Std 7-4.3.2附件中的要求。