核電廠儀控系統數字化改造關鍵要素探究

李本榮 何忱 趙旺

福建福清核電有限公司 福建福清 350318

核電廠基于模擬技術的儀控系統在設備故障、設備老化、備件供應、維修成本等方面面臨越來越嚴峻的挑戰，甚至影響到電站的安全、穩定和經濟運行。基于核電廠儀控系統數字化改造的復雜性和核安全風險，對儀控數字化改造整個周期內的改造工作、主要技術問題開展研究是非常必要的，有利于降低核電廠儀控數字化改造風險，保證改造順利進行。

1 改造的實施策略

1.1 核電廠儀控系統生命周期管理

已有實踐表明基于 EPRI（Electric Power Research Instit ute）所提出的核電廠儀控系統改造生命周期管理的方法，建立整個運行壽期內的全面的管理計劃，再實施改造，可在維修、改造之間獲取平衡。應在改造的籌劃階段就立足全局，制定儀控系統的生命周期管理計劃。通過基于全局統籌的方法，不孤立地進行各子系統的改造，而對需要改造的每個子系統預先進行評估，在此基礎上再建立改造的最終目標。按IAEA相關報告，核電廠儀控系統改造的項目生命周期可劃分為11個階段：①戰略規劃；②可行性研究；③構建整體架構和基本需求；④編制子系統詳細需求和招標；⑤子系統施工設計；⑥系統實現；⑦工廠驗收測試；⑧培訓服務和文件移交；⑨子系統設備安裝；⑩現場驗收及調試；運行和維修。總體階段包含前3個階段，子系統改造實施階段覆蓋中間的7個階段，運行和維修則與核電廠生產工藝緊密聯系。按照活動階段以及責任的劃分,數字化改造項目起始和完工階段的任務應由核電廠業主負責，而數字化儀控系統的設計、開發、制造等工作應由設備供應商負責實施[1]。應根據運行目標及已有承諾、中長期運營計劃、中長期大修計劃以及財務情況，制定長期的整體改造規劃。因此，對現有系統實際情況，潛在需求進行全面調查和評估的工作非常重要。再通過系統改造的利益代價分析，確定改造的范圍以及各子儀控系統實施改造的時間表。在戰略規劃中應明確給出項目全部完工后儀控系統/設備的詳細藍圖，各儀控子系統和主控室改造的時間表以及初步預算等。

1.2 改造風險控制

雖然新建核電廠幾乎全部采用了數字化的儀控系統，相關設計、開發等標準體系也建立，但由于核電廠儀控系統全面改造的復雜性以及存在許多限制條件，升級改造時仍有很大的困難和風險。主要風險有：需求規范的正確性、系統的完整性；軟件的共因故障風險及其應對措施；配置管理；儀控平臺及軟件工具的成熟度及可靠性；軟件V&V的過程管理；數字/模擬混合運行期間各子系統間的接口、適用的臨時性運行規程、優良的人因工程設計；核電廠財務能力等。有目標電廠的、數字化儀控系統的改造本身在技術上不存在顛覆性風險，但由于核電廠本身的各種限制，有需要過多的停機時間來實施改造的風險[2]。這樣的改造是不成功的改造。在精心準備、實施的同時，和監管當局保持及時地溝通十分重要。

2 改造的關鍵因素

2.1 平臺的選擇

為了便于通過核安全監管當局的審查，核電廠通常采用經過核安全認證的DCS/PLC等產品作為儀控系統的實現平臺。可編程邏輯器件的解決方案，如現場可編程門陣列（FPGA）和專用的集成電路（ASIC）等也可作為備選項。這些通常被認為是“基于硬件的可編程設備”，在設計和實現方面比基于軟件的計算機系統更加簡單，更有利于進行安全性審評。它們也易于和其他的硬件平臺聯合并列使用，在對安全級儀控系統實施多批次改造時比較方便，可明顯降低改造的難度和風險。

2.2 核電廠儀控系統改造對儀控功能的考慮

核電廠儀控系統改造對其原有儀控功能可采取兩種方式：一種是所謂“Hkeforhke ”形式的替代，即采取新的儀控系統實現對原有儀控系統的替代，功能上與原有系統基本等同。另一種方式是功能增強型的改造，該種方式將充分利用新系統的技術特點，可滿足電廠對安全性、可用行、可靠性的提高或提升機組出力的要求。例如采用DCS技術對原有工藝系統的控制采用按工藝流程的方式進行功能分配，提高機組的自動化設計水平、增加先進報警管理功能和數字化運行支持系統功能等都屬于功能增強型改進[3]。

2.3 縱深防御的要求

儀控系統應根據電廠安全性目標設計，滿足電廠縱深防御的策略。在正常運行和運行瞬變時，核電廠的儀控系統進行調節和控制，保證電廠正常或恢復正常運行；對于預期設計瞬態事件，正常運行裝置和/或反應堆停堆系統來保證核電廠的安全性，維持屏障的有效性和人員的可居留性；當發生設計基準事故時，通過反應堆停堆系統、專設安全設施驅動系統等動作，實現緊急停堆，緩解事故后果。

3 結語

隨著運行時間的增長，以及基于模擬技術的儀控系統給核電廠運行和維護帶來的局限性，對核電廠儀控系統進行數字化改造已經成為必然選擇，核電廠采用數字化儀控系統已經成為核電發展的趨勢。鑒于核電廠儀控數字化改造的復雜性和高風險性，對儀控數字化改造涉及的組織管理以及各項技術開展研究，是保證改造工作成功的前提，將有力保證改造工作的順利推進，有利于核電廠安全、穩定和經濟運行。