核电厂辅助车间集中监控技术研究

李 力

(国核电力规划设计研究院有限公司,北京 100095)

0 引言

随着数字化仪控技术的发展,目前在运和在建的三代核电机组均采用了数字化仪控系统。机组采用堆、机、电集中控制方式,在主控制室(main control room,MCR)进行集中监控。但与机组相配套的外围辅助车间(balance of plant,BOP)仍采用分散、独立的可编程逻辑控制器(programmable logic controller,PLC)控制系统[1-2],并各自配有独立的控制室及操作人员。与机组集中监控系统相比,采用分散独立的PLC控制系统会导致运行人员偏多、生产效率偏低。

针对核电厂设置BOP集中监控系统[3-4],国内的研究比较少,还没有形成系统性研究。本文依托“国和一号”示范工程,从核电厂BOP系统设置、BOP集中监控系统架构、BOP集中控制室、经济效益分析等方面对核电厂BOP集中监控系统进行研究。将各外围BOP进行集中监控,可实现BOP少人或无人值班、提高BOP控制水平,从而达到减员增效的目的。

1 核电厂BOP监控系统现状

核电厂各BOP子项系统一般包括凝结水精处理系统、常规岛化学药剂供给系统、二回路取样系统、常规岛主厂房采暖通风空调系统、海水淡化系统、除盐水处理系统、循环水加药系统、非放射性生产废水系统、低压制氢站、供热联合泵站、生活污水处理系统、生活水分配系统、生产水分配系统、综合管廊集水井、厂区10 kV开关站、辅助锅炉房换热站等。

目前,国内核电厂各BOP子项系统的监控大多采用分散监控方式,即在各BOP控制室进行监控。这种分散监控方式存在以下问题。

①各BOP总的运行人员偏多,费用较大。

②各控制室分散,不仅增加投资和运行维护费用,还不易于管理。

③各BOP系统之间的信息无法共享。

鉴于分散监控方式带来的弊端和集中监控技术的逐步发展,本文设计了核电厂BOP集中监控系统。该系统实现了BOP的集中监控,提高了核电厂BOP的自动化水平;减少了运行人员,提高了BOP的运行效率。

2 BOP集中监控系统设计方案

2.1 BOP集中监控系统总体架构

BOP集中监控系统由现场设备层、控制层、通信网络层和运行监控层构成。

BOP集中监控系统总体架构如图1所示。

图1 BOP集中监控系统总体架构

①现场设备层。

现场设备层主要包括仪表、阀门、泵、风机、电气开关柜、打包设备等。

②控制层。

控制层主要包括控制机柜等。控制层的功能是完成系统级和设备级的数据采集和处理、过程控制,将现场数据发送到数据网络,并通过数据网络接收来自操作员站的操作指令,从而向现场接口层的执行机构发出驱动信号。控制功能应进行合理分割,从而对功能分组进行合理的组合分配。

③网络通信层[5]。

网络通信层主要包括网络机柜、服务器机柜、网络交换机、时间服务器(冗余)、历史数据服务器(冗余)、应用服务器(冗余)、日志采集服务器、防病毒服务器、安全管理平台服务器、安全仪表系统(safety instrumented system,SIS)接口服务器、工控漏扫系统、工业入侵检测系统(intrusion detetion system,IDS)、防火墙等。

④运行监控层。

运行监控层主要包括操作员站、工程师站、大屏幕、打印机等。

2.2 BOP集中监控系统网络拓扑

2.2.1 冗余环形网络结构

BOP集中监控系统的数据网络与控制系统、工作站、服务器等进行连接,提供数据与文件的交换功能,以实现信息与命令的传输。

数据网络由监控环网A、监控环网B、信息环网C和信息环网D组成。监控环网是控制器与工作站、服务器之间进行实时数据传输的网络。监控环网采用冗余环网拓扑结构。信息环网是内部请求非周期性数据或非实时文件访问的网络。信息环网采用冗余环网拓扑结构[6]。冗余环网均采用基于1 000 Mbit/s的工业高速以太网。

BOP集中监控系统网络拓扑如图2所示。

图2 BOP集中监控系统网络拓扑图

2.2.2 下挂设备的连接

BOP集中监控系统网络的下挂设备主要有数据处理器(data processing unit,DPU)、服务器、工作站、打印机等。

①每个DPU需要与监控环网A和监控环网B进行连接。

②服务器和工作站需要与监控环网A和监控环网B、信息环网C和信息环网D进行连接。

③打印机需要与信息环网C或信息环网D进行连接。

对于某些相对独立且比较大的BOP集中监控系统,例如常规岛主厂房采暖通风空调系统,可在该BOP设置冗余星型子网,用于将冗余DPU、工作站、打印机等连接至冗余星型子网,并将星型子网连接至BOP集中监控系统的冗余环网中。

主干冗余环网与星型子网连接如图3所示。

图3 主干冗余环网与星型子网连接图

2.3 BOP集中监控系统功能配置

2.3.1 控制平台

各BOP的控制系统平台采用同一型号的产品,可以是分散控制系统,也可以是同一品牌的PLC。控制系统的DPU采用冗余配置(2个DPU)。其中,每个DPU配置2个冗余的以太网通信端口,以分别与冗余监控环网进行通信。

各BOP采用集中控制方式,在BOP集中控制室进行监控。BOP集中监控系统利用先进的计算机、通信和网络技术,将相互独立的各辅助外围系统集中监控,以实现外围控制系统少人或无人值班。这可以提高外围设备控制水平、减少设备故障率,从而达到减员增效的目的。

BOP能在就地人员的巡回检查和少量操作的配合下,在BOP集中控制室内实现设备和系统的启停、运行工况监视和调整、事故处理等。

2.3.2 服务器配置

BOP集中监控系统配置的服务器类型有时间服务器、历史数据服务器、应用服务器、信息安全相关服务器、SIS接口服务器等。

历史数据服务器采用冗余配置方式,用于存储辅控系统产生的电厂运行数据和信息,供操作员在任意1台具有权限的操作站上进行查询、显示以及打印。

应用服务器采用冗余配置方式,用于执行计算机化规程系统、报警显示系统等功能[7-8]。

2.3.3 时钟同步功能

BOP集中监控系统设置2个时间服务器[9]。2个时间服务器互为冗余,分别通过光纤通道接收1路来自时钟系统的跨范围仪表组(inter-range insturmentation group,IRIG)-B格式时钟信号。时间服务器通过以太网授时给下级节点。下级节点包括服务器、工作站和控制器等。其均采用网络时间协议(network time protocol,NTP)。2个时间服务器之间有信号线互连,以实现互备。当处于主用状态的时间服务器失效时,冗余的时间服务器将继续为下级节点进行授时,且无切换延迟。当丧失时钟信号时,时间服务器将使用内部时钟作为时钟源,向网络中的节点进行授时。时钟同步信号精度应达到微秒级别。

时钟同步架构如图4所示。

图4 时钟同步架构图

2.3.4 信息安全

BOP集中监控系统的信息安全设防等级规范为《信息安全技术网络安全等级保护基本要求》(GB/T 22239)中的第二级。

通过在辅控系统中配置日志采集服务器、防病毒服务器、安全管理平台服务器、工业漏洞扫描装置、工业入侵检测装置等,可以确保辅控系统数据信息和控制权的安全[10-12]。

2.3.5 与电厂局域网的接口

BOP集中监控系统与电厂局域网(如SIS)之间的数据传输采用冗余通信方式,采用传输控制协议/网际协议(transmission control protocol/internet protocol,TCP/IP)。辅控系统通过SIS接口服务器向电厂局域网传输辅控系统数据。SIS接口服务器不执行除了与电厂局域网进行数据交换的其他功能。辅控系统与电厂局域网之间设置了单向网关,以确保数据只能从辅控系统传送至电厂局域网,而不能反向传送。

SIS接口服务器通过硬件形式的防火墙、路由器或网关与电厂局域网相连,以防止电厂局域网向辅控系统传送数据、防止电厂局域网上的终端对辅控系统进行任何操作和修改、防止有意或无意的入侵和破坏以及计算机病毒的侵害。

辅控系统向电厂局域网传输的数据主要包括输入/输出(input/output,I/O)信号、重要的中间计算过程量、操作员操作记录、重要的系统故障诊断信息、性能计算数据等。

2.4 控制室

2.4.1 BOP集中控制室

BOP集中监控系统配置1个BOP集中控制室。该集控室一般布置在比较大的BOP厂房,如海水淡化厂房。集控室附近配置工程师室、交接班室、会议室、更衣室等必要的功能房间。

2.4.2 就地控制点

各BOP均设置1个电子设备间。相应系统的控制机柜布置在相应车间的电子设备间。同时,在该电子设备间设置就地监控上位机终端,供系统调试、运行初期、故障和巡检时使用。BOP按无人值守设计。这些就地控制点包括精处理控制点、汽机房空调控制点、制氯厂房控制点、非放厂房控制点、制氢厂房控制点、供热厂房控制点、辅助锅炉房控制点等。

3 经济效益分析

BOP集中监控系统有关的运行人员可配置如下。每值设值长1人、操作员2人、巡操工4人,实行5值4运转,共计35人。人员由值长统一指挥。值长和操作员主要负责BOP设备监视及操作、工作票办理、现场设备隔离措施等工作。巡操工主要负责对各BOP的现场巡检和简单操作工作,通过就地监控站了解设备运转情况。

当采用分散监控模式时,每个BOP至少需要操作员1人、巡操工1人,实行5值4运转,共计10人。

BOP共7个,分别为1#机汽房控制室、2#机汽房控制室、海淡厂房控制室、制氯厂房控制室、非放厂房控制室、制氢厂房控制室、供热厂房控制室。

汽机房控制室负责监控凝结水精处理系统、常规岛化学药剂供给系统、二回路取样系统、常规岛主厂房采暖通风空调系统。海淡厂房控制室负责监控海水淡化系统、除盐水处理系统、生活污水处理系统、生活水分配系统、生产水分配系统、综合管廊集水井、厂区10 kV开关站、辅助锅炉房换热站等。制氯厂房控制室负责监控循环水加药系统。非放厂房控制室负责监控非放射性生产废水系统。制氢厂房控制室负责监控低压制氢站。供热厂房控制室负责监控供热联合泵站。

在运行人员方面,采用集中监控模式比分散监控模式少35人。按照人均年成本30万元计算,每年可节约成本1 050万元。

4 结论

本文为核电厂设计了BOP集中监控系统,并设置了BOP集中控制室,提高了BOP自动化控制水平,实现了BOP无人值守,达到了减员增效的目的。通过设置BOP集中监控系统,统一了BOP控制系统平台、人机接口画面风格,降低了控制系统软硬件的备件种类和数量,减少了设备管理费用。通过应用服务器中设计的计算机化规程系统、报警显示系统,降低了操作员工作强度,增强了人机交互的友好性。

针对BOP集中监控系统大规模的数据通信和文件交换特点,本文采用冗余监控环网和冗余信息环网的网络拓扑结构,从物理层面将传输实时数据的监控网络与传输非周期性数据的信息网络分开。这分流了监控数据与信息数据,提高了网络传输的可靠性。通过在BOP集中监控系统中设置信息安全装置,可以确保辅控系统数据信息和控制权的安全。通过SIS接口服务器将辅控系统的生产数据传送至电厂局域网,可供管理人员查看电厂生产情况。