基于模塊化的華龍一號核取樣系統設計方法的研究

文/房麗萍 陳彥霖（中國核電工程有限公司）

“華龍一號”核取樣系統用于集中抽取反應堆冷卻劑系統、專設安全系統、核輔助系統、三廢系統和蒸汽發生器二次側系統，具有代表性的氣體、液體樣品，供化學分析和放射性化學分析用，以獲取樣品中的重要參數，為核電廠運行和水化學管理提供支持。該系統還具有重要的事故后功能，可以在事故后對反應堆冷卻劑系統、安全殼噴淋系統、蒸汽發生器排污系統取樣，有助于事故的診斷和控制。目前，華龍一號迎來批量化生產，核取樣系統設計技術成熟，總體滿足任務需求。但該系統設計又面臨如下課題：（1）如何提高系統設計效率，提高資源重用率；（2）針對通用的、具有共性的設計，如何提高標準化；（3）面向業主，如何快速響應業主個性化和更高質量需求；（4）面向市場，如何將市場中的高、精、尖產品，更新到系統設計中，為系統設計增值。

模塊化設計方法為解決上述問題提供了新思路。模塊化設計方法是將模塊化和模塊組合相統一的過程[1]。通過在產品的整個研制過程中實施模塊化設計先進技術，使得產品快速化、標準化設計，在減少產品內部多樣化的同時靈活增加產品外部多樣化，快速響應業主和市場需求。并因為通用模塊的設計，制造廠家以接近大批量生產的成本和速度提供產品和服務，有效解決了業主個性化需求和大批量生產之間的矛盾[2]。模塊庫和標準化接口維護易于產品在全生命周期中的升級和管理。

一、核取樣系統模塊化設計流程

核取樣系統模塊化設計是將核取樣系統模塊化和模塊組合的統一過程，包括模塊化準備、模塊化規劃、模塊化劃分和模塊化配置設計階段。設計基本流程如圖1所示。

圖1 核取樣系統模塊化設計基本流程

（1）核取樣系統模塊化準備階段，主要工作包括物項分類和建立適合模塊化設計的編碼體系。首先根據功能、品種、規格以及層次等特性對模塊建立分類結構，定義分類屬性。在此基礎上，建立統一、簡潔、完善的編碼體系，從而便于模塊的管理和資源檢索。

（2）核取樣系統模塊化規劃階段，對系統設計任務進行詳細的分析，構建產品功能結構以及產品關聯分析，從而為產品的模塊化劃分做好準備。對系統分析內容主要包括：1）業主需求分析，包括業主的約束性需求和個性化需求；2）核取樣系統功能和結構分析；3）核取樣系統主要設備參數的標準化分析。

（3）核取樣系統模塊化劃分階段，在系統工程和標準化的思想指導下，將核取樣系統分解成通用化、具有獨立功能和結構、接口標準的模塊。由這些模塊組成完整的模塊庫。模塊劃分質量對模塊化設計質量起著非常關鍵的作用。模塊劃分一般性原則如下：1）模塊功能和結構有一定獨立性和完整性；2）模塊接口便于連接和分離；3）模塊內部零部件強耦合，模塊之間為弱耦合；4）分解的粒度要合適，盡可能少的模塊組成盡可能多的產品，從而滿足客戶的個性化需求[3]。

（4）核取樣系統模塊化配置階段，是從業主的需求出發，參照系統設計準則和安全準則，在滿足相互約束關系的配置規則下，從預定義的模塊庫中快速配置出模塊化產品，最后對配置結果進行檢查和校審，完成核取樣系統設計。產品配置過程中，綜合業主需求、系統設計準則和規則多層次進行選配組合。

二、核取樣系統模塊化設計平臺總體方案

在模塊化相關工作的基礎上，需開發一個面向核取樣系統模塊化設計平臺?；谀K化設計流程的分析和模塊化管理的需要，該平臺包括以下幾個系統：編碼管理系統、業主需求管理系統、模塊管理系統、配置設計系統、設計成品系統。

（一）編碼管理系統

編碼管理系統，是為了滿足平臺開發、產品數據管理和快速檢索的需求。編碼系統物項分類編碼和功能標識，整體遵循華龍一號核電項目設備類型編碼規則、《華龍一號設備的功能標識》程序文件和標準程序文件。

（二）業主需求管理系統

在核取樣系統設計中，業主的需求處于“源頭”地位。業主需求管理系統中，業主的需求分為約束性需求和個性化需求[4]，約束性需求是對于核取樣系統交付必須滿足業主的要求，個性化需求是指業主通過設計優化建議、良好實踐、經驗反饋、聯合科研等途徑提出核取樣系統的靈活性需求。每個項目業主的需求將成為重要的設計輸入，業主需求表如表1所示。

表1 業主需求分析

（三）模塊管理系統

模塊管理系統包括了模塊庫、模塊接口、模塊編輯?；趯巳酉到y的功能分析、結構分析和模塊劃分原則，對核取樣系統進行模塊劃分，所有的模塊便組成了模塊庫。模塊庫中模塊分為一級模塊和二級模塊，一級模塊有取樣冷卻模塊、減壓閥模塊、過濾器模塊、手套箱模塊、通風柜模塊、在線分析儀模塊、閥門模塊、管道模塊、儀表模塊等，核取樣系統模塊庫基本構成如表2所示。

表2 核取樣系統模塊庫

核取樣系統設計成熟，從自主研發到批量化生產，設計整體復用性強。設備經過設計、制造、實踐，已經具有成熟的產品型號，因此可以標準化設計。模塊接口標準設計也是模塊化設計的關鍵技術之一，具有不同功能屬性的模塊實體通過接口實現物質、信息、能量的交換，從而協同完成產品的整體功能。

核取樣系統取樣冷卻器根據管道內介質的帶放性、設計溫度和設計壓力分為：一回路高溫取樣冷卻器、一回路低溫取樣冷卻器、一回路一體化取樣冷卻器、二回路高溫取樣冷卻器、二回路低溫取樣冷卻器、二回路一體化取樣冷卻器六種。每一種取樣冷卻器采用標準的數據表，規定了該管殼式換熱器的主參數、安裝條件和機械接口。以一回路高溫取樣冷卻器數據表為例，說明模塊接口內容，見表3。

表3 一回路高溫取樣冷卻器模塊數據表

模塊編輯則可以對模塊接口數據進行升級，對模塊刪除、新增和替代。模塊的編輯可以根據業主需要和市場發展等因素并結合設計自身情況進行調整，是實現產品更新換代的重要途徑。

（四）配置設計系統

配置設計系統是從模塊庫中選配出滿足系統設計的模塊，并組合得到最終的模塊化產品的設計平臺。在該系統中，模塊的配置受到業主需求和系統配置規則的約束，采用有向圖從左到右來構造定制模塊的配置關系模型；配置過程中先后按照主工藝配置、儀控儀表配置、次工藝配置、業主的個性化需求多層次的配置順序完成模塊化產品的配置工作。基于模塊化設計的核取樣系統設計流程圖完成，校對、審核、審定依次對該流程圖進行設計審查，填寫設計質量評定卡和設計校審記錄卡。

高效的配置離不開符合系統設計原則的配置規則。采用基于規則的選配方法，更接近于系統設計人員的思維方式，表達過程直觀、自然。為高效地完成配置效果，應避免配置環的存在。下面以一回路樣品為例，說明核取樣系統的配置規則。

（1）判斷一回路樣品設計溫度是否超過35℃，如超過，必須配置一回路取樣冷卻器，在模型庫中對一回路取樣冷卻器進行選型；（2）判斷一回路樣品設計壓力是否超過0.7MPa，如超過，必須配置一回路減壓閥，在模型庫中對一回路減壓閥進行選型；（3）樣品需要在封閉的柜體中進行測量和取樣，在模型庫中對手套箱、通風柜進行選型；（4）根據需要測量的化學參數測點，在模型庫中對在線分析儀表進行選型；（5）根據樣品的種類，對樣品回收路徑進行選擇；（6）根據儀控需求，在模型庫中對儀表進行選型配置，并設置控制邏輯；（7）根據疏水需求、布置要求等完善次工藝流程；（8）結合業主的個性化需求，優化核取樣系統流程圖；（9）對配置結果進行審查，完成兩卡評定。

三、結語

系統設計是實現產品創新的核心和基礎，從根本上決定著產品的功能、性能、質量和成本。系統設計方法則影響著系統設計的效率和最終成品文件的呈現。

本文基于模塊化先進設計方法，對華龍一號核取樣系統進行應用研究。從模塊化準備、模塊化規劃、模塊化劃分、模塊化配置四個階段入手，總結了如何高效完成核取樣系統模塊化設計，提出了模塊設計平臺必備的要素。

模塊化技術是機械裝備的發展趨勢之一，實施模塊化設計技術，將有利于降低設計制造成本，兼顧業主個性化需求，快速響應市場，是幫助企業提升產品競爭力、適應復雜多變市場環境的重要途徑[5]。