核電站儀控全數字化改造項目規劃和對策分析

□文 朗 白會賢 郝慶福

在20世紀建成的國內外核電站中，儀控系統基本依賴于模擬控制原理和技術，具體應用的是繼電器與低密度集成的模擬電路。因此在新世紀數字化控制技術日益成熟之后，因其應用高度集成的數字化控制裝置，系統體積和元器件的數目大幅減小，性能與運行的可靠性卻顯著提高，所以在很多生產和科研領域對這些模擬儀控系統進行了數字化改造和升級。

一、核電站模擬儀控系統的運維現狀及實施全數字化改造的必要性

儀控系統是維持核電站正常運轉的核心，其運行狀況決定了核電生產的安全性和經濟效益。在20世紀末控制技術全面實現數字化的背景下，始建于20世紀80年代之前的核電站儀控系統在運維方面遇到了瓶頸。因設備壽命問題導致其可靠性下降，并且由于儀控設備生產技術的更新換代，專業維修技術服務和設備的更換日益得不到保障。

(一)核電站模擬儀控系統的運維困境。核電站的儀控系統包括多個子系統，其中的控制元件和系統的節點數量龐大，而且基于邏輯電路和模擬元件的系統故障分析和維修十分復雜，因此相比目前的數字化儀控系統，模擬儀控系統本身的運維工作就需要耗費很多時間與精力。而運行了幾十年的核電站模擬儀控系統，其運維工作不僅耗時耗力，還不可避免的需要面對設備與系統日益陳舊老化、故障發生的概率逐年提高等困難局面。第一，基于核電設施對安全運行的高要求，老化的儀控系統運維工作壓力越來越大，為保障系統運行的可靠性需要更加頻繁的進行預防性運維，更換存在安全隱患的相關設備等。第二，在儀控系統各種設備的供應商方面，由于科技的進步和市場需求的變化，逐漸淘汰了模擬設備的生產技術。因此核電站的儀控系統運維面臨備用設備和相關元器件斷供的風險[1]。

(二)模擬儀控系統的功能亟需升級。除了運維工作面臨的問題，相比于數字化控制系統，核電站模擬儀控系統的控制功能也存在很多不足。第一，數字化儀控系統可以依托人工智能、自動控制以及物聯網等技術，實現系統運維的智能化和自動化。通過具有自學習功能的專家系統進行故障自檢、自診和預警，提高系統的運行可靠性并大幅減少運維工作量，維修人員根據系統提供的信息迅速鎖定故障地點并將其排除。第二，數字化儀控系統在操作方面更加簡便高效，基于數字化的控制設備和裝置具有強大的自我調適和自動控制功能。第三，基于數字化儀控系統的信息采集、存儲和處理功能，可以對核電設施各部分的運行狀態進行實時或離線分析，對于提高設施的運行和管理效率行之有效，因此應當對核電站的模擬儀控系統進行改造，使之全面實現數字化控制。

二、實施核電站儀控系統全數字化改造的技術特點與難點

雖然數字化儀控系統功能的優越性有目共睹，但是國內外使用模擬儀控系統的大部分核電站依然沒有啟動升級改造，這是由核電站安全運行的特殊要求和其運行維護特點決定的。

(一)核電站儀控系統改造項目的難點。根據核電站運行安全相關規范的要求，核電設施無論是在正常運行還是大修期間，部分系統和設備必需保持運行，以維持核安全保障功能。因此核電站儀控系統的全面改造天然具有復雜性，在更換儀控系統相關設備時需要采取合理的措施，確保遵循上述安全規范的要求。另外，根據類似儀控系統升級的經驗，對核電站的模擬儀控系統進行全面數字化改造累計需要至少三個月時間，而實施改造應當在相關設施大修的時間段進行，才能最大程度的規避風險。但是核電站的大修時間相對較短，要想完成全部系統的改造需要分步驟實施項目規劃[2]。

(二)實施核電站儀控系統改造應遵循的原則。鑒于核設施運行安全的重要性，實施核電站儀控系統數字化改造應將確保核安全做為前提。第一，要針對設施運行安全的要求，進行周密的規劃和前期技術準備工作，對項目的實施計劃和系統的運行安全性等進行反復分析和論證，確保其在技術上完全可行。第二，新系統的設計方案和實施步驟要滿足改造期間的運維要求，由于改造期間部分設施會存在兩套儀控系統并存的時間段，這一特殊時期的操作和維護規程等必需審慎設計。第三，要評估系統改造的綜合成本，對相對較長的改造期間的運維成本以及今后面臨的形勢進行評價，確保設備的兼容性與可維護性，在硬件設施的配置和軟件系統的設計方面選擇風險系數最小的解決方案。

(三)核電站儀控系統改造項目的特點。核電站儀控系統改造項目具有周期長、對籌劃準備工作要求高和需要模塊化實施的特點。第一，由于核電站的大修持續時間較短，而儀控系統規模龐大、接口多且功能復雜，因此改造計劃的實施需要在多個大修周期之后才能完成。根據國外核電站的改造經驗，從項目籌備到改造完成需要六年甚至更長的時間。第二，由于核電設施安全運行規范的要求，加之核電站自身生產管理的復雜性，在籌備規劃其儀控系統改造工程時，對前期籌劃工作的質量有著非常高的要求，其中的任何一個細節考慮不周，都有可能影響核電生產安全[3]。因此需要進行全面的風險評價，對新舊系統更替過程中潛在的風險因素進行分析和評估，論證和選擇技術上可行且安全系數較高的技術方案。并且針對改造工程對核電站的正常運行和管理的影響，設計好臨時管理措施和相關規制。

三、核電站儀控系統改造的軟硬件與改造流程規劃設計

(一)基于生產設備和儀控系統狀況分析設計改造流程。由于核電站的儀控系統數字化改造需要分期完成，要通過對各子系統的核安全等級、升級需求以及維修能力和備件可用率等因素進行分析評價，完成模塊的劃分和確定系統的改造流程。因此在進行改造項目的規劃時，要先對在用模擬儀控系統的設備以及系統整體運行狀態進行分析和調研，收集整理系統的設計、安裝以及運維資料，通過一線操作和運維人員了解相關設備狀態以及對系統功能的評價。從而一方面分析系統正常運行所需控制功能，進行相關的升級改造風險評價和模塊劃分；另一方面針對核電生產的需要規劃新系統的功能升級，讓改造后的數字化儀控系統功能更加完善。

(二)基于核電機組的運行分析設計和優化新系統的軟硬件。

1.分析儀控系統中各子系統功能并設計數字化軟硬件系統。在完成儀控系統改造的模塊劃分和流程規劃之后，要依次對待升級模塊相對應的生產設備進行分析，針對機組的運行原理、設備狀態以及既往維修改造記錄，規劃設計其儀控子系統的功能。第一，根據分析評價結果設計硬件系統，對系統的硬件進行選型和電力、網絡聯接方案設計。第二，基于對儀控子系統功能的分析，初步設計其軟件系統的邏輯組態[4]。根據國外核電站儀控系統數字化改造的經驗，這一環節對改造項目的成敗具有決定性作用，只有確保對系統功能需求的分析沒有疏漏，才能使其在改造實施的過程中和正式投入運行后完全滿足設備的儀控需要，而不會因細節的疏忽導致系統更替出現問題。

2.對數字化儀控系統的軟硬件系統進行優化。為確保項目實施的過程順利和數字化儀控系統的質量，應對系統的軟硬件系統設計方案進行優化。第一，基于確保系統運行可靠性，要對相應模塊的系統邊界接口信息進行匯總，分析在模擬與數字化儀控系統并存的情況下，信號流的合理性和安全性。第二，在硬件系統的設計方面，設備的選型需要針對整體儀控系統進行統籌規劃，確保所有設備在數字化系統全面投入運行后具有良好的兼容性和可維護性[5]。此外借鑒已有的相關項目實施經驗，掌握系統和設備易發故障信息。

三、核電站儀控系統數字化改造的實施與臨時管理策略分析

(一)對操作與運維人員進行新系統的技術培訓。由于核電站的儀控系統改造需要持續相當長一段時間，而項目實施階段兩個儀控系統會出現并存的狀態，在此期間核電站需要維持正常運轉，因此需要操作、運維以及相關技術部門人員參加相應的技術培訓，使其了解數字化儀控系統的原理和特點，確保其做好本職工作。第一，對系統操作人員的培訓要重點使其掌握數字化儀控系統的操作規程，理解新系統所應用的技術特點。第二，要充分發揮運維及技術部門人員的經驗優勢，讓其參與到數字化系統的功能設計與調試過程中[6]。一方面讓相關人員有充足時間掌握新的運維和管理技術，深刻理解新系統的運行原理和特點，為修訂操作和運維規程做好技術準備；另一方面在參與項目的規劃與實施過程中，基于對相關機組設備運行原理的了解和工作經驗，可以給數字化儀控系統的軟硬件設計提供有價值的建議，避免因專業差異導致相關功能出現設計缺陷。

(二)編制實施臨時管理規定并適時更新系統維修規程與運行程序。對核電站的儀控系統全數字化改造項目而言，需要規劃設計的不僅是新系統的軟硬件，還包括項目實施階段的臨時管理規定以及系統運維規程等文件，以便指導改造期間核電站正常運維并有效控制改造帶來的風險。此外針對數字化系統的技術特點，還要在兩個系統并存期間適時更新相關維修規程和運行程序，保障系統得到科學的使用和維護。

四、結語

由于核電站儀控系統自身的邏輯結構比較復雜，加之核設施獨特的安全技術規范，因此核電站儀控系統全數字化改造項目的成敗，取決于其規劃工作是否足夠周密。所以需要對實施數字化改造持保守和謹慎的態度，對項目的前期規劃給予足夠的重視，經過充分的分析論證再進入實施階段。