全數(shù)字化儀控系統(tǒng)在方家山核電廠中的應(yīng)用

熊之光，胡 勁

（中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 海鹽 314300）

核電站數(shù)字化儀控系統(tǒng)控制著整個核電站從常規(guī)島到核島幾乎所有的閥門、開關(guān)、繼電器等，數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中進(jìn)行集中顯示、計算處理并自動驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，具有高可靠性、開放性、靈活性、協(xié)調(diào)性、易于維護(hù)、控制功能齊全等特點(diǎn)。它是核電站的大腦、神經(jīng)中樞、運(yùn)行中心和安全屏障，是整個核電站最關(guān)鍵、最核心技術(shù)的集中體現(xiàn)[1]。目前，國內(nèi)新建核電站都將采用全廠數(shù)字化控制系統(tǒng)。

1 方家山全數(shù)字化儀控系統(tǒng)介紹

方家山核電廠是百萬千瓦級壓水堆核電機(jī)組，儀控

系統(tǒng)在系統(tǒng)功能、控制邏輯及功能分配上基本與參考電站保持不變，在硬件和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上有很大的改進(jìn)，采用了國際上成熟先進(jìn)的全數(shù)字化系統(tǒng)，其中反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)（RPR）基于Invensys 公司的安全級Triconex 平臺，全廠過程控制系統(tǒng)基于Invensys 公司非安全級I/A Series 平臺。以Triconex+I/A Series 構(gòu)成電廠數(shù)字化儀控系統(tǒng)的主體結(jié)構(gòu)，配以部分第三方專控系統(tǒng)，如汽輪機(jī)控制系統(tǒng)、堆外核測系統(tǒng)、棒控棒位系統(tǒng)，構(gòu)成了方家山核電廠全數(shù)字化儀控系統(tǒng)。

1.1 全數(shù)字化儀控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

方家山核電廠DCS 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。整個系統(tǒng)以全數(shù)字化（DCS）儀控系統(tǒng)為核心，由DCS 完成主要儀控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和處理、過程控制、信息顯示及操作，并結(jié)合應(yīng)急停堆盤（ECP）和后備盤（BUP），保證機(jī)組維持在安全狀態(tài)。

1.2 儀控系統(tǒng)功能分層

儀控系統(tǒng)根據(jù)不同功能一共分為4 層，分別為：0 層（現(xiàn)場層）、1 層（自動化層）、2 層（顯示操作層）、3 層（全廠技術(shù)管理層）[2]。

◇ 0 層 本級為與工藝設(shè)備接口，主要設(shè)備為：傳感器、執(zhí)行器，主要功能為：檢測工藝參數(shù)和執(zhí)行控制過程。

◇ 1 層 本級主要由安全級控制系統(tǒng)（反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)）、非安全級的控制系統(tǒng)（蒸發(fā)器水位控制、穩(wěn)壓器壓力控制等）、專控系統(tǒng)（汽輪機(jī)控制和保護(hù)系統(tǒng)、輻射監(jiān)測系統(tǒng)等）以及它們各自的通訊與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組成。主要功能為：數(shù)據(jù)采集、處理、邏輯處理、控制算法運(yùn)算和產(chǎn)生自動控制指令。

◇ 2 層 本級是人機(jī)接口層，由主控室（包括電站計算機(jī)信息和控制系統(tǒng)、后備盤）、應(yīng)急停堆盤等設(shè)施組成。主要功能為：處理機(jī)組數(shù)據(jù)，執(zhí)行機(jī)組的監(jiān)測、控制和信息顯示。

◇ 3 層 更高級的電廠管理層，通過網(wǎng)絡(luò)與2 層連接，以獲取電廠的實(shí)時數(shù)據(jù)，把核電廠運(yùn)行的主要信息提供給廠內(nèi)或者廠外有關(guān)單位或部門。

1.3 儀控系統(tǒng)安全分級

方家山儀控系統(tǒng)分級主要參考“法國900MWe 壓水堆核電站設(shè)計和建造規(guī)則”（RCC-P， 1995）進(jìn)行，分為安全級（1E）和非安全級（NC）兩大部分，具體分級見表1。

1.4 納入DCS系統(tǒng)控制的原則

全數(shù)字化儀控系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)全面，可靠性高、控制算法全面，診斷功能強(qiáng)大以及開放靈活的特點(diǎn)，為了發(fā)揮DCS 的優(yōu)點(diǎn)，在設(shè)計中盡可能將核島和常規(guī)島控制系統(tǒng)納入全數(shù)字化一體式設(shè)計，少量采用功能獨(dú)立的專控設(shè)備。

在方家山項目中，核島儀表控制系統(tǒng)主要由DCS 完成，核島的專用儀控系統(tǒng)，如核儀表系統(tǒng)（R&R）、堆芯儀表系統(tǒng)（AREVA）、棒控棒位系統(tǒng)（R&R）等由于功能獨(dú)立，又由專業(yè)工廠生產(chǎn)，故作為獨(dú)立系統(tǒng)供貨，預(yù)留與DCS 的接口。常規(guī)島儀控系統(tǒng)中，汽輪機(jī)控制系統(tǒng)（Alstom）由汽輪機(jī)廠商供貨，其他控制系統(tǒng)全部納入DCS 系統(tǒng)。

圖1 全數(shù)字化儀控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of the fulldigital instrument control system

表1 儀控系統(tǒng)功能分級表Table 1 Instrument control system function grading table

2 方家山全數(shù)字化儀控系統(tǒng)的組成

2.1 Triconex平臺

方家山安全級DCS（反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)）基于TriconexV10 實(shí)現(xiàn)。安全級DCS 是核電廠最重要的安全電氣設(shè)備，主要功能是自動維持核電廠反應(yīng)性控制、余熱排除和包容放射性物質(zhì)。安全級DCS 的可靠性和可利用率的要求為：1）由DCS 設(shè)備故障引起的強(qiáng)迫性停堆之間的平均無故障時間應(yīng)大于10 堆年；2）安全系統(tǒng)可靠性：誤停堆概率≤0.1 次/年；失效概率 ＜10-7/次。安全級DCS 系統(tǒng)在設(shè)計中必須滿足單一故障和故障安全原則。Triconex 主要特點(diǎn)是具備三重冗余功能，如圖2 所示，采用TMR 將3 個獨(dú)立、并聯(lián)的控制系統(tǒng)和廣量的在線診斷功能集成于一個系統(tǒng)中，該系統(tǒng)采用了3 取2 的表決方式，來提供高完整性、無誤差、無單一故障的連續(xù)過程處理[3]。

圖2 Triconex三重冗余Fig.2 Triconex triple redundancy

Triconex 內(nèi)部通訊通過TCM（Tricon Communication Module）實(shí)現(xiàn)，與I/A Seris 的通訊通過ACM（Advanced Communication Module） 模 塊 實(shí) 現(xiàn)， 支 持TS/TSAA、Nodebus、Modbus 等協(xié)議。

2.2 I/A Seris平臺

方家山非安全級DCS 基于I/A Seris 8.x 平臺實(shí)現(xiàn)。I/A主要由FCP270、數(shù)字量/模擬量輸出輸入模塊、通訊模塊構(gòu)成。核電廠DCS 控制系統(tǒng)接收來自工藝系統(tǒng)的模擬量、數(shù)字量信號，對信號進(jìn)行邏輯處理和控制算法，給出相應(yīng)的輸出信號以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)的連續(xù)條件自動調(diào)節(jié)，保證工藝系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。在過程控制系統(tǒng)引入DCS，是提高核電廠經(jīng)濟(jì)性和可利用率的重要手段。核電廠主要控制系統(tǒng)有：反應(yīng)堆功率控制、蒸發(fā)器水位控制、穩(wěn)壓器壓力控制、穩(wěn)壓器水位控制。I/A 平臺通過I/O 卡接收來自Triconex 的硬接線信號。I/A 使用FBM233 模塊與Triconex 的ACM 模塊鏈接，單向接受Triconex 發(fā)送的網(wǎng)絡(luò)軟信號。

2.3 P320平臺

方家山汽輪機(jī)控制系統(tǒng)采用Alstom P320 V2 控制平臺。因為汽輪機(jī)控制系統(tǒng)比較獨(dú)立，各類參數(shù)調(diào)校DCS 總供貨商沒有辦法完美理解，為了保持汽輪機(jī)控制的穩(wěn)定性與可靠性，方家山選擇了由汽輪機(jī)制造商供貨控制系統(tǒng)，規(guī)定汽輪機(jī)控制系統(tǒng)的輸出接口，方便在DCS 進(jìn)行全局監(jiān)控。

3 結(jié)論

數(shù)字化系統(tǒng)的使用，對機(jī)組的可靠性與安全性帶來巨大的提升。目前，國內(nèi)核電廠全廠DCS 控制系統(tǒng)基本由DCS 供貨商提供安全級加非安全級產(chǎn)品，輔以部分專用控制系統(tǒng)組成。為了便于未來，應(yīng)該逐步考慮將第三方供貨的小型控制系統(tǒng)并入DCS，例如火災(zāi)、輻射監(jiān)測等系統(tǒng)。