核電廠BOP 集控系統(tǒng)研究

聶洪權(quán) ,鹿書恩 ,汪 勇

(1.中國核電工程有限公司,北京 100840;2.中國核電工程有限公司鄭州分公司,河南 鄭州 450052)

0 引言

目前,國內(nèi)運行的壓水堆核電站大部分采用M310堆型。M310 堆型是20 世紀(jì)70 年代的產(chǎn)物。在電廠自動化、智能化程度不高的情況下,該堆型存在現(xiàn)場值班室眾多、分散管理的情況,需要大量的現(xiàn)場巡檢人員。AP1000 堆型是來自美國的三代堆型。其設(shè)計之初并未考慮電廠配套設(shè)施(balance of plant,BOP)集控。目前,某核電廠正在進(jìn)行BOP 集控改造。CAP1400 是基于AP1000 的國產(chǎn)化堆型,在設(shè)計之初就考慮了BOP 集控,采用了非安全級DCS 平臺實現(xiàn)集控功能。華龍一號堆型為我國的國產(chǎn)堆型,BOP 部分基本沿用了M310 的設(shè)計,并未考慮集控問題。水-水高能反應(yīng)堆(vodo-vodyanoi energetichesky reactor,VVER)堆型設(shè)置有總值長室,將原本沒有送入主控的BOP 信號送入總值長室,以監(jiān)控BOP 子項的運行狀況,但不包括操作功能。據(jù)現(xiàn)場反饋,目前VVER 的總值長室基本處于空置狀態(tài),并無人值守。

在火電領(lǐng)域,設(shè)計規(guī)范《小型火力發(fā)電廠設(shè)計規(guī)范》16.2.4 明確規(guī)定了“輔助車間應(yīng)根據(jù)車間相臨或性質(zhì)相近、本著減少控制點的原則,進(jìn)行合并控制室,以便按區(qū)域集中控制”;《大中型火力發(fā)電廠設(shè)計規(guī)范》15.3.4 部分也有類似的規(guī)定。此外,在近年建成的大型火電站中,均設(shè)置有集控室,從設(shè)計到施工到運行均非常成熟[1-2]。

1 BOP 集控的優(yōu)勢

1.1 先進(jìn)性和成熟性

采用BOP 集控對各子項集中監(jiān)控,可大量減少現(xiàn)場操作人員及巡檢人員,實現(xiàn)現(xiàn)場無人值守,使自動化水平大幅提高。BOP 集控可靈活結(jié)合遠(yuǎn)程I/O 及現(xiàn)場總線技術(shù),并可結(jié)合視頻識別方案,進(jìn)一步提高監(jiān)控、巡檢的智能化水平。優(yōu)化后BOP 控制系統(tǒng)的先進(jìn)性大幅提高[3]。

根據(jù)在役核電站運行情況,采用現(xiàn)場人員集中值班的模式,不影響現(xiàn)場人員對現(xiàn)場操作的響應(yīng)。“分散控制,集中管理”是控制系統(tǒng)的基本設(shè)計理念。“減少控制點,合并控制室,按區(qū)域集中管理”是控制系統(tǒng)的通用設(shè)計要求,在火電行業(yè)有成熟的應(yīng)用,并已寫入設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。所采用的先進(jìn)技術(shù)在其他行業(yè)也有應(yīng)用先例,可靠性有充分保障,能滿足核電廠的安全性要求[4]。

1.2 經(jīng)濟(jì)性

設(shè)置BOP 綜合控制室,將制氯站、放射性機(jī)修及去污車間、核島/常規(guī)島廢液排放廠房、公用氣體貯存區(qū)、氫氣站、空壓站、聯(lián)合泵房(廠區(qū)消防泵房區(qū)域)、含油生產(chǎn)廢水油水分離池以及全廠污水排放系統(tǒng)的就地控制系統(tǒng)全部取消,納入BOP 集控平臺。雙機(jī)組每年可減少運行2 人。人力成本合48 萬元/年。按BOP控制系統(tǒng)設(shè)計壽命10 年考慮,共可節(jié)省成本480萬元。

擬優(yōu)化各BOP 子項I/O 點數(shù)如表1 所示,合計3 234 點。該I/O 點數(shù)統(tǒng)計是基于國內(nèi)某核電站擴(kuò)建項目統(tǒng)計的。對于新建核電站,子項數(shù)量會更多。優(yōu)化后,此部分經(jīng)濟(jì)效益將會更高[5]

表1 各BOP 子項I/O 點數(shù)Tab.1 I/O amount of each BOP item

。

結(jié)合總線儀表及總線控制系統(tǒng),還可節(jié)約大約三分之一的電纜采購及敷設(shè)成本。原設(shè)計方案采用硬接線方式,按每個信號平均25 m 電纜估算,共需電纜約7.5 km,采用現(xiàn)場總線后可節(jié)省25 km。

1.3 減輕主控室操縱員工作量

BOP 中原本在主控室報警的信號,或來自主控室的遠(yuǎn)程操作信號大部分移到BOP 綜合控制室,減輕了操縱員的工作負(fù)擔(dān)。主控操縱員可以將更多精力放在核島、常規(guī)島等主工藝系統(tǒng)的監(jiān)控上,有助于提高核電廠運行的整體安全性[6-7]。

2 BOP 集控范圍選取原則

BOP 集控范圍選取原則如下。

①BOP 各子項原就地控制系統(tǒng)融入BOP 集控平臺。

②原送入主控的報警信號根據(jù)重要性確定是否改送BOP 綜合控制室。

③原隨工藝設(shè)備成套供貨的控制系統(tǒng)融入BOP集控平臺。

結(jié)合以上幾條原則,初步考慮將YA 廠房、制氯站、放射性機(jī)修及去污車間、核島/常規(guī)島廢液排放廠房、公用氣體貯存區(qū)、氫氣站、空壓站、廠區(qū)消防泵房、含油生產(chǎn)廢水油水分離池以及全廠污水排放系統(tǒng)的就地控制系統(tǒng)全部取消,通過BOP 集控系統(tǒng)實現(xiàn)集中管理。機(jī)組現(xiàn)場人員在BOP 綜合控制室現(xiàn)操值班室值班,不在控制區(qū)留人,只在需要時進(jìn)入廠房。

3 總體方案

BOP 集控的目的是通過BOP 綜合控制室實現(xiàn)對各子項的遠(yuǎn)程監(jiān)視及操作,實現(xiàn)現(xiàn)場無人值守。運行人員在BOP 綜合控制室,以操作員站為監(jiān)控中心,在少量就地巡檢人員的檢查和配合下,實現(xiàn)對各子項工藝設(shè)備的控制、對工藝過程狀態(tài)的監(jiān)視,以及異常狀態(tài)的處理。為方便安裝調(diào)試、運行維護(hù),BOP 仍保留少量必要的就地控制和顯示功能。就地控制和顯示一般采用常規(guī)的按鈕和指示燈實現(xiàn)[6]。

圖1 BOP 集控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of BOP centralized control system

電站污水排放系統(tǒng)(系統(tǒng)代碼WSS)在各子項內(nèi)的部分(PM、AC),信號進(jìn)入所在子項的遠(yuǎn)程I/O 柜。GB 溝內(nèi)只有WSS 系統(tǒng),且地坑較多,設(shè)置3 臺遠(yuǎn)程I/O 柜。GH、00 子項也只有WSS 系統(tǒng),但地坑較少,信號送入就近子項的遠(yuǎn)程I/O 柜內(nèi)。各子項需送主控室的信號在就地箱內(nèi)通過繼電器或隔離分配器拆分后,以硬接線形式送BOP 控制系統(tǒng)和兩臺機(jī)組的主控室。ZB、ZC 子項的控制系統(tǒng)隨工藝設(shè)備供貨。控制系統(tǒng)應(yīng)預(yù)留接口和BOP 集控系統(tǒng)通信[7]。

為降低電纜敷設(shè)成本、提高數(shù)據(jù)傳輸效率、降低維護(hù)成本,BOP 集控針對所涉及子項,采用總線型儀表代替部分常規(guī)儀表。總線儀表可為儀控系統(tǒng)的智能化發(fā)展奠定基礎(chǔ)[8]。

除此之外,QA/QB 廠房試行采用視頻/圖像識別和智能巡檢系統(tǒng),進(jìn)一步降低現(xiàn)場巡檢工作量、減少巡檢人員配置。

4 綜合控制室方案

4.1 控制室環(huán)境需求

BOP 綜合控制室的方案除應(yīng)根據(jù)相關(guān)控制室設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)考慮空調(diào)通風(fēng)、照明、消防、通信以及人因等通用解決方案之外,還需重點考慮以下內(nèi)容。

①計算機(jī)化工作站:為電廠運行人員提供電廠狀態(tài)的信息及操作指導(dǎo)。同時,作為電廠重要的操作手段之一,它接收操作員的命令,并把命令傳遞到過程控制網(wǎng)絡(luò),從而實現(xiàn)對電廠的操作。

②大屏幕:主要用于顯示機(jī)組BOP 集成各系統(tǒng)與設(shè)備的關(guān)鍵狀態(tài)和參數(shù),以及團(tuán)隊成員之間的信息共享與協(xié)調(diào)。特別在交接班或事件/事故情況下,是迅速掌握重要參數(shù)的一種極為有效的手段。

4.2 工作站需求

BOP 綜合控制室計算機(jī)工作站是運行人員對BOP 區(qū)域監(jiān)控的主要手段,可提供運行所需的所有監(jiān)視信息、所需設(shè)備級手動控制功能。

考慮上述各子項的功能分配,需配置3 臺BOP 綜合控制室內(nèi)的工作站。

②測PH值法：取等濃度的二種溶液各少許，分別測其PH值，PH值大者N a2CO3，PH值小者 N aH CO3；

①YA 子項長期監(jiān)視與運行,需1 臺工作站。

②正常運行期間其他子項監(jiān)視和操作需1 臺工作站。

③設(shè)置1 臺備用工作站,以滿足工作負(fù)荷高峰或其他工作站出現(xiàn)問題時的人機(jī)接口需求。

4.3 大屏幕需求

大屏幕主要用于顯示機(jī)組BOP 子項系統(tǒng)與設(shè)備的狀態(tài)和參數(shù),以及團(tuán)隊成員之間的信息共享與協(xié)調(diào)。特別在交接班或事件、事故情況下,大屏幕是迅速掌握重要參數(shù)的有效手段。

大屏幕的選用主要受到大屏幕尺寸、大屏幕技術(shù)及結(jié)構(gòu)、大屏幕與人眼間距(大屏幕與操縱員工作站的布置間距)這三大條件的影響。

根據(jù)集控范圍內(nèi)各系統(tǒng)總體情況,設(shè)置1～2 塊大屏幕。

5 報警信號分析

原來送主控室的報警和顯示信號改送BOP 綜合控制室的可行性,分析總原則如下。

(1)紅色報警不能從主控室移出。

(2)報警操作中是否有需主控室完成的操作。如有,該報警不能從主控移出。

(3)報警導(dǎo)致的后果分析如下。

①后果是否會導(dǎo)致本系統(tǒng)功能喪失。如果會導(dǎo)致系統(tǒng)功能喪失,則不能移出。

②后果是否會導(dǎo)致其他系統(tǒng)功能喪失。如果會導(dǎo)致其他系統(tǒng)功能喪失,則不能移出。

③后果是否會導(dǎo)致電廠后撤。如果會導(dǎo)致電廠后撤,則不能移出。

④查詢運行技術(shù)規(guī)范(operation technical specification,OTS),判斷報警導(dǎo)致的后果是否會導(dǎo)致機(jī)組后撤。如果會導(dǎo)致機(jī)組后撤,則不能移出。

⑤報警是否會產(chǎn)生放射性影響。如有核安全/人身安全風(fēng)險,則報警信號不能移出主控室。

(4)送主控室的報警、顯示信號同時在BOP 綜合控制室進(jìn)行報警和顯示;但同一控制信號只能由主控室或BOP 綜合控制室一方發(fā)出。

6 視頻/圖像識別與智能巡檢方案

視頻識別系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示[9-10]。

圖2 視頻識別系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of video recognition system

視頻/圖像識別系統(tǒng)主要完成對某廠房儀表及設(shè)備的實時視頻監(jiān)控,實時了解各儀表及設(shè)備的運行工況,并對視頻圖像進(jìn)行智能分析、向運行人員展現(xiàn)需要關(guān)注的工況,從而減少運行人員日常運行及巡檢的勞動強(qiáng)度。其主要功能如下。

①實時監(jiān)視某廠房儀表及設(shè)備的運行情況。如有異常情況,系統(tǒng)可以及時發(fā)現(xiàn)并了解現(xiàn)場的情況。

②對視頻進(jìn)行圖像及音頻分析,自動識別現(xiàn)場儀表及設(shè)備的運行工況,如設(shè)備的故障信息、就地儀表的參數(shù)指示、地坑的液位高低等。

③根據(jù)視頻信息,識別現(xiàn)場輻射控制區(qū)的人員及物品的進(jìn)出情況,以及輻射控制區(qū)人員的輻射防護(hù)用品的穿戴情況。

④識別廠房的人員進(jìn)出情況,如人進(jìn)入或離開某廠房、人員徘徊、人員聚焦、人員快速移動、物品遺留、物品拿取等。

⑤識別危險品、化學(xué)物品存放情況,如房間是否干凈、整齊,以及是否有液體流動等。

⑥系統(tǒng)能夠?qū)σ曨l圖像及聲音進(jìn)行智能分析,并對異常情況發(fā)出報警。

⑦支持智能搜索、回放及備份功能,有效提高錄像檢索與回放效率。

⑧支持路徑巡航功能,可以根據(jù)運行巡檢的要求,配置相應(yīng)的巡航路徑;能夠根據(jù)巡航路徑自動的展現(xiàn)巡檢點的情況,實現(xiàn)智能巡檢,降低運行人員的工作強(qiáng)度。

⑨支持人機(jī)對話功能,主控室人員與現(xiàn)場人員可以通過攝像機(jī)進(jìn)行溝通對話,實時解決現(xiàn)場出現(xiàn)的問題。

視頻識別系統(tǒng)由關(guān)鍵區(qū)域布置的網(wǎng)絡(luò)高清攝像機(jī)(采集層)和遠(yuǎn)端的交換機(jī)(網(wǎng)絡(luò)接入層)、網(wǎng)線(網(wǎng)絡(luò)傳輸層)、服務(wù)器、客戶終端(存儲和處理層)組成。

7 結(jié)論

核電廠BOP 的集控運行有助于提高核電廠的運行效率、降低建設(shè)成本,目前已在新建核電廠進(jìn)行推廣。同時,集控運行方案也存在如下難點。

①工藝設(shè)備成套供貨控制系統(tǒng)的拆分。

隨工藝設(shè)備成套供貨控制系統(tǒng)的拆分是BOP 集控的最大難點。控制系統(tǒng)的拆分意味著設(shè)計人員需要從工藝控制層面了解上游的知識體系,此外還將帶來合同執(zhí)行過程中的各種配合難題和風(fēng)險。因此,在BOP 集控實施過程中,需要將此問題列在首位。

②報警轉(zhuǎn)移分析。

報警轉(zhuǎn)移的難點主要是來自于各方的需求沖突。作為電站運行人員,希望既能夠降低巡檢頻度,又不能帶來巡檢死角,更不能降低安全性。因此,在分析報警轉(zhuǎn)移過程中,需要對每個報警信號進(jìn)行徹底的分析。此部分工作量非常大。

③綜合控制室定位問題。

BOP 綜合控制室定位要低于主控室,但是又高于目前核電BOP 中的值班室。這主要給業(yè)主運行人員帶來困擾,需要進(jìn)一步探索,給BOP 綜合控制室及綜合控制室中的值班人員以明確的定位[11]。