核電站通風系統數字化研究與建設

中國核電工程有限公司 李百利 張麗麗 康 健

0 引言

隨著信息化的發展，為適應數字化核電站的需求，通風系統設計從傳統的簡單編碼、三維建模形式逐步走向對象數字化、運行數字化、過程數字化和生產管理數字化。通風系統的數字化設計與交付走上了快車道。

伴隨著華龍一號核電站的數字化建設，對設計、施工、項目管理與推進、設備采購、運行維護等方面提出了更高的智能化要求，通風系統也必定經歷從智慧的虛體向智能實體的轉換。

通風系統完成全周期的數字化變革是第三代核電站對通風系統的要求，也是最大限度實現安全、高效、環保運行，實現電廠信息化和智能化的要求。

1 通風系統數字化研究

1.1 通風系統數字化應用的發展

通風系統的數字化應用始于上世紀90年代，主要是應用軟件建立通風系統三維模型、統計圖表信息等，利用直觀的可視化模型代替平面圖形，提高了繪圖工作的準確性，進而提升了繪圖效率，完成了數字化核電站的基礎應用階段。

在三維模型應用階段，通過PDMS等軟件的開發和拓展逐步實現了出圖、報表的自動化，使通風系統的設計更加快捷和便利；同時可以提取數據用于仿真、計算，提高了結構計算和水力計算的準確度，提升了計算效率。

現階段，隨著數字化核電站的提出，通風系統的數據化建設進入了高速發展階段。隨著核電站實現通過統一的平臺搭建虛擬電站，把數據應用從直觀的布置參數延伸到設計的全過程，覆蓋系統設計、設備采購、運維、系統安裝施工的完整鏈條，并與電廠運行數字化系統聯網，把通風系統各個環節串聯起來，由設計院和產品供應商輸入系統和設備參數，采購、安裝人員從中取得數據信息，運營方根據系統設定操作系統并反饋運行參數，通過集中在平臺周邊的應用產品軟件進行各種計算和驗證，最終實現了虛擬的數據核電站。

未來隨著5G技術和VR技術的發展，以及智能芯片的應用越來越廣泛，可實現設計與安裝同步，即所想即所見，打破虛擬和現實的界限，實現所見即所得的高度智能核電站。

1.2 通風系統數字化的基本架構

目前正處于數字化的高速發展階段，現階段電廠的系統架構基本分為3層，即數據和信息網絡構架層、數字化信息集成平臺層、數字化電廠應用層[1]。與之對應，通風系統的架構也是如此，如圖1所示。

圖1 通風系統數字化架構

第1層為數據層，該層是整個數據化的核心和基礎，與核電站所有系統一起構成一個完整的、開放的SQL SERVER數據庫，數據來源包括AUTOCAD P&ID、PDMS、SolidWorks、EB、Civil3D等基礎設計軟件，其他專業設計平臺接口輸入和一些運行反饋數據。這一層主要由設計部門完成。

第2層為通風數據的信息化集成平臺，這一層包括一些常用的計算軟件，如負荷計算軟件，水力計算軟件，ANSYS應力分析軟件，Fluent數值仿真軟件，PDMS軟件的圖紙、清單開發模塊，以及一些管理平臺軟件，如工程總承包管理平臺，采購、施工建設管理系統，工藝系統管理平臺等。各系統平臺間以數字化通風模型為核心，建立相互間的關聯，實現數據互通，完成不同的設計、采購和安裝需求，這一層級覆蓋了工程總承包的各個環節。

第3層為應用層。通過數字化信息的集成和互通，虛擬的核電通風系統已經建立，通過數字化交付，業主用戶通過門戶系統，完成生產、維護、決策等工作，主要體現在生產控制系統、生產(基建)管理系統、ERP經營管理系統、可視化三維虛擬系統、數字化檔案系統、數字化巡檢系統等[1]。

1.3 通風系統數字化的基本配置

通風系統的數字化需要完備的編碼系統。目前核電廠常用的編碼系統有KKS編碼規則和ECS編碼規則。華龍一號機組的編碼規則更接近于ECS編碼規則，其對通風系統的部件根據電廠的實際情況進行了優化，形成了自有的編碼程序。編碼體系是數據庫建立的基礎，完備的編碼體系是建立核電數據大廈的基石。

建立數字核電離不開硬件系統的支持，硬件系統包括網絡及網絡設備、數據的存儲及備份系統、為應對大量數據文件而建立的數據中心和相關配套設施(如大冷量、大風量的通風系統)、現場無線通訊網絡等。硬件系統構成了數字通風系統的骨骼和肌肉。

配套的軟件和應用系統，包括成型的商業軟件和為適應核電站需求而開發的配套軟件，如Fluent、AUTOCAD P&ID、PDMS、風管水力/應力計算平臺等，通過軟件的交互和調用基礎數據，完成通風系統負荷設計、流程設計、布置安裝全過程的所有工作，最終實現整個數字通風系統的運轉與交付。

2 通風系統數字化建設

當前在建數字化核電廠以數據為核心，以高精度三維模型為載體，以全專業結構化數據為支撐，包含全領域、全壽命期核電工程數據，可用于核電站運行模擬、關鍵系統的仿真驗證[2]。通風系統數字化建設應該以實現數字化核電交付為當前階段的目標。

2.1 通風系統數字化設計體系建設

設計體系建設是通風系統數字化的現實載體，也是通風系統數字化實現的目標。在華龍一號的數字化體系中，通風系統設計體系主要包括工藝系統設計平臺和三維布置設計平臺兩大塊，另外還有消防、儀控、一體化工程經濟設計等平臺的接口設計。

工藝設計平臺主要以基于AUTOCAD P&ID的系統流程圖為基礎參數，通過拓展完善數據平臺，實現從集成設計環境下進行核電工藝設計數據的提取和發布，以及多版本工藝數據在工程數據中心的解析、存儲與初步整合；對工程數據中心中通風系統數據有效性進行管理，擴展工藝數據中心數據采集接口，綜合分析校驗系統數據，根據需要輸出相應的數據和文件，如系統流程圖、材料清單、設備采購數據表等。

三維布置設計平臺主要以PDMS中通風系統模型數據為基礎，通過拓展實現施工圖文件的發布，設備、管道相關結構信息的發布，實現工藝設計平臺的流程驗證，可以調用工藝設計平臺的數據，建立與采購、施工部門的直接數據接口。

此外還需通過三維布置平臺的接口拓展功能建立平臺與應用軟件的數據接口，例如建立與ANSYS的數據接口，實現工具軟件的快速計算，接受自不同軟件的數據信息，并將結果發布到工藝數據中心。PDMS軟件與ANSYS數據接口示意見圖2。

圖2 PDMS軟件與ANSYS數據接口示意

2.2 通風系統數字化工程體系建設

通風系統的工程體系建設主要體現在采購、安裝施工和調試過程中，通過三維布置平臺輸出設備采購信息，通過采購信息平臺進行采購活動，同時反饋供應商設備信息，把供應商提供的模型資料信息補充進工藝數據中心，完善數據信息。

通過解析數據平臺中的管道部件數據，結合通風管道的制作說明文件，可以實現部件詳圖的自動出圖，還可以根據三維布置平臺的數據進行大設備安裝。引入仿真模擬，合理安排施工順序，節省時間，實現高效安裝。

華龍一號的施工管理系統實現了覆蓋工程建設全過程的信息化管理，可較好地支持以施工作業為依托的計劃、費用、質量、安全、變更、文檔、風險及經驗反饋等一體化管理?，F階段已實現在移動端，能夠對接采購和工藝設計平臺。

通風系統調試多作為上述體系中的輸出應用，根據工藝數字平臺給出的信息和文件，結合現場調試文件，落實系統功能，做到調試過程的信息化，并將數據反饋回工藝數字平臺。

數字化工程體系在目前階段由于質保、硬件等條件限制，通風系統的數據交互多以文件傳輸形式進行，仍有進一步提升的可能。

2.3 通風系統運營體系建設

通風系統的運行多依靠分散式控制系統(DCS)等儀控系統自動實現，在設計管理體系中建立工藝設計平臺與儀控系統、通信系統的接口，完成控制資料的輸出和運行狀態的反饋。后續發展的目標為完整移交數字化通風系統，并實現虛擬系統與實際系統的對照和驗證。

3 結語

本文結合華龍一號數字化核電站的建設，通過對通風系統數字化的研究和分析，得出如下結論。

數字化進程分為4個發展階段，目前正處于數字化的快速發展階段，該階段需要根據職能的不同將通風系統的數字化建設劃分為基礎數據層、數據軟件集成層和應用層3個層級，通過基礎的數據編碼，使軟件和硬件綜合在一起，形成完整的虛擬數字化通風系統數據架構。

當前階段的數字化建設主要體現在設計體系、工程管理體系和運營體系3個方面。通風數字化已經涉及核電站的全過程、全壽命期，以工藝系統平臺和三維布置平臺等設計平臺建設為支撐，集成采購、安裝、調試、運行管理系統。各個領域數據的交互和引用是目前通風系統數字化建設的重中之重，也是實現通風系統數字化交付的基本要求。

隨著通風系統數字化建設的深入研究與應用，結合新技術的應用，通過數字化信息資源實時共享和深度融合、加工，為核電廠各級管理者提供及時、有效的生產經營決策信息，實現核電廠全壽命周期量化、分析、控制和決策[3]是下一階段數字化發展的方向。