高溫氣冷堆核電站示范工程主控室和備用停堆點設(shè)計分析

馮靜閣

（華能山東石島灣核電有限公司，山東 榮成 264312）

高溫氣冷堆核電站是列入國家“十二五”科技發(fā)展中長期規(guī)劃重大專項的自主研發(fā)項目，高溫氣冷堆核電站示范工程（HTR-PM）設(shè)計有兩座250 MW熱功率的球床模塊化高溫氣冷反應堆，帶一臺200 MW汽輪發(fā)電機組，為“兩堆帶一機”的設(shè)計，是一種全新的核電站模式。HTR-PM球床模塊化高溫氣冷堆采用球形燃料元件，連續(xù)循環(huán)不停堆換料。一回路采用氦氣為冷卻劑，一回路壓力為7 MPa，氦氣熱端溫度為750 ℃，冷端溫度為250 ℃。二回路采用過熱蒸汽（566 ℃，13.24 MPa）作為介質(zhì)，驅(qū)動機組汽輪發(fā)電機發(fā)電。由于高溫氣冷堆具有良好的固有安全性，只有一回路隔離和蒸汽發(fā)生器事故排放兩個專設(shè)動作，專設(shè)投入動作（關(guān)閉隔離閥或打開排放閥）一旦完成，專設(shè)執(zhí)行過程為非能動工作，不需要控制。高溫氣冷堆的余熱排出系統(tǒng)與屏蔽冷卻系統(tǒng)共用，采用非能動原理工作，而且一直在線運行，不需要投入，也不需要控制。這些都決定了HTR-PM主控室是一個全新的設(shè)計，從功能、臺盤設(shè)備，乃至信息顯示和操作界面與一般核電站都有很大不同。

HTR-PM全廠設(shè)一個主控室和一個備用停堆點，實現(xiàn)對1號反應堆、2號反應堆、常規(guī)島和輔助系統(tǒng)（BOP）的監(jiān)測控制。主控室（Main Control Room，MCR）是機組值長和操縱員日常工作的區(qū)域，在核電站的安全可靠運行中起著非常重要的作用[1]。主控室為核電站運行人員提供適宜的人機接口，使運行人員獲取有關(guān)HTRPM安全狀態(tài)和運行狀態(tài)的信息，并對HTR-PM的運行施加控制和保護作用，實現(xiàn)HTR-PM安全、高效地運行；在出現(xiàn)預計運行事件或設(shè)計基準事故時，采取有效措施，使HTR-PM保持在安全狀態(tài)或使之返回安全狀態(tài)。主控室為運行人員提供適宜的工作環(huán)境，并保證事故工況下主控室的可居留性，以保持在主控室采取必要行動的能力。在主控室外設(shè)置了一個備用停堆點，為兩座反應堆共用，當主控室喪失執(zhí)行重要安全功能的能力時，運行人員可以進入備用停堆點，執(zhí)行相關(guān)操作使反應堆進入并維持在安全停堆狀態(tài)。

1 主控室設(shè)計

1.1 功能設(shè)計與分配原則

（1）兩座反應堆共用一個主控室和一個備用停堆點，兩堆在主控室和備用停堆點均分別設(shè)置獨立的監(jiān)測和控制區(qū)域。

（2）集中監(jiān)控為主。主控室是HTR-PM的監(jiān)測控制中心，對全廠（1號反應堆、2號反應堆、常規(guī)島和輔助系統(tǒng)）的安全和運行進行全面監(jiān)測控制。除啟動過程需要少量現(xiàn)場操作配合外，正常運行和事故處理操作基本上集中在主控室進行。為便于運行和管理，盡可能減少啟動和運行過程中需要的就地操作，就地控制點主要用于系統(tǒng)調(diào)試、維護和特殊工況下的操作。取樣分析操作集中在取樣分析操作室進行。

（3）高度自動化。盡可能提高HTR-PM全廠自動化水平，使各種操作盡量簡化。除啟動過程在手動控制下進行外，功率運行過程中的主要操作，如功率控制及主要工藝參數(shù)的維持都盡可能自動執(zhí)行。所有保護動作均自動觸發(fā)且自動完成，以便在預計運行事件或設(shè)計基準事故后一段時間內(nèi)（30min），不需要操縱員的干預，把對操縱員在短時間內(nèi)進行干預的要求降至最低。對某些可能會導致不安全后果的干預動作（如終止安全動作），應設(shè)置必要的安全聯(lián)鎖加以限制。

（4）操縱員的監(jiān)督和干預。操縱員應能夠獲取適當?shù)男畔?，以監(jiān)視自動動作的執(zhí)行效果。所有自動觸發(fā)的安全保護動作（緊急停堆、專設(shè)安全設(shè)施動作）及自動控制動作均有手動操作作為后備。必要時操縱員隨時可以進行手動干預[1]（某些安全聯(lián)鎖限制的干預動作除外）。

1.2 整體布置

（1）HTR-PM的主控室在電氣廠房（UCB）＋7.5 m層處。

（2）主控室前后居中位置為主控制臺，由左到右依次分為1號反應堆控制臺、常規(guī)島控制臺、2號反應堆控制臺，各控制臺的功能相對獨立，各由一個操縱員運行值班。主控制臺前方為模擬盤，由左到右布置有大屏幕液晶顯示器、1號反應堆模擬圖顯示屏、常規(guī)島模擬圖顯示屏、2號反應堆模擬圖顯示屏、大屏幕液晶顯示器。在模擬盤上方為光字牌報警屏。主控制臺后為機組值長的工作臺。

在整體上，操作臺、模擬盤按照一定弧度來布置，以操縱員采用坐姿可以看到模擬盤上所有信息為原則，滿足人因工程學的要求[2]。

（3）在主控室內(nèi)值班長左側(cè)布置有應急電力系統(tǒng)監(jiān)控盤，用于應急柴油發(fā)電機的信息監(jiān)視和操作?？梢赃h程操作應急柴油機的啟停，進行應急柴油發(fā)電機的定期試驗操作和在事故情況下當柴油發(fā)電機未能自動啟動時進行手動的啟動，以保證安全級母線上用戶用電。

（4）在靠近正門右側(cè)靠墻布置有消防系統(tǒng)機柜（火災報警屏），實現(xiàn)消防系統(tǒng)的監(jiān)控和必要的手動啟動消防設(shè)備。

（5）模擬盤后面左右靠近墻體的兩側(cè)布置有文件柜，放置運行規(guī)程和圖紙文件。

模擬盤上的模擬圖顯示屏是一種不會被切換的常顯示手段，且設(shè)備狀態(tài)在圖面上顯示位置固定，可以綜觀了解反應堆、汽輪發(fā)電機組的主要工藝系統(tǒng)的基本運行狀態(tài)和報警信息。其中模擬盤上顯示反應堆和常規(guī)島的主要系統(tǒng)狀態(tài)和報警信息，大屏幕作為操縱員終端可以顯示操縱員站的所有畫面，但一般只顯示機組的概貌圖等宏觀信息。模擬圖顯示屏由底層的電氣、控制設(shè)備直接控制，是運行監(jiān)控屏幕顯示的多樣性冗余，即使在基于DCS系統(tǒng)的人機界面失效的情況下，仍然能維持基本的顯示功能。HTR-PM取消了后備盤設(shè)計。目前，在我國采用數(shù)字化儀控技術(shù)的壓水堆核電站中，其后備盤設(shè)計是基于當正常操作系統(tǒng)因故障失效（系統(tǒng)故障、地震等）的情況下，后備盤依然可以保持正常的工作，操縱員利用后備盤上的信息指示和操作一系列的設(shè)備（按鈕、開關(guān)、把手等）可以將反應堆安全地導入到安全停堆狀態(tài)，因此壓水堆的后備盤是核安全1E級和安全相關(guān)級SR設(shè)備，設(shè)備造價很高，并且設(shè)備鑒定和分析需要設(shè)計單位和制造廠家付出大量的時間來執(zhí)行。在核電站投運以后，后備盤上的設(shè)備必須進行日常檢查和定期試驗以保證其功能的完整性。高溫氣冷堆因其固有的反應堆安全特性，其主控室設(shè)計與投資方面體現(xiàn)了與壓水堆相比的較為優(yōu)越的一面。

1.3 信息顯示功能

主控室在正常運行、預計運行事件、事故及事故后工況下，為運行人員全面監(jiān)測反應堆的安全運行狀態(tài)，并據(jù)以執(zhí)行必要的手動觸發(fā)或控制動作，提供充分而可靠的信息[3]。

（1）顯示內(nèi)容

至少包含下列顯示內(nèi)容：

a.反應堆核功率（中子注量率）水平和周期（中子注量率的變化率）。

b.控制棒連續(xù)位置和上、下限行程開關(guān)狀態(tài)，儲球罐硼吸收球位置。

c.一回路冷卻劑系統(tǒng)運行參數(shù)，主氦風機等一回路主要設(shè)備狀態(tài)。

d.堆內(nèi)構(gòu)件、反應堆壓力容器、蒸汽發(fā)生器客體和熱氣導管殼體等的工作溫度。

e.燃料元件裝載情況和燃料元件裝卸系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

f.主要輔助系統(tǒng)，如氦凈化與氦輔助系統(tǒng)、吸收球輸送系統(tǒng)、設(shè)備冷卻水系統(tǒng)、廠用水系統(tǒng)等的主要參數(shù)和設(shè)備狀態(tài)。

g.重要安全系統(tǒng)，如余熱排除系統(tǒng)、一回路壓力泄放系統(tǒng)、蒸汽發(fā)生器事故排放系統(tǒng)的運行參數(shù)及工作狀態(tài)，一回路隔離閥的狀態(tài)。

h.包容體（包括反應堆和蒸汽發(fā)生器艙室、燃料元件裝卸系統(tǒng)艙室、氦凈化系統(tǒng)艙室）的運行參數(shù)；反應堆廠房通風空調(diào)系統(tǒng)的運行狀態(tài)。

i.二回路系統(tǒng)，包括主給水系統(tǒng)及蒸汽發(fā)生器的重要參數(shù)和設(shè)備狀態(tài)。

j.常規(guī)島熱力系統(tǒng)，包括汽輪機旁路系統(tǒng)、主凝結(jié)水系統(tǒng)、循環(huán)冷卻水系統(tǒng)等的重要參數(shù)和設(shè)備狀態(tài)。

k.汽輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)及汽輪機轉(zhuǎn)速、機組發(fā)電功率等參數(shù)。

l.電力系統(tǒng)的重要參數(shù)和斷路器的狀態(tài)。

m.輻射監(jiān)測（包括工藝輻射監(jiān)測、區(qū)域輻射監(jiān)測、流出物輻射監(jiān)測和環(huán)境輻射監(jiān)測）的放射性水平。

n.儀表控制系統(tǒng)重要設(shè)備（包括反應堆保護系統(tǒng)）的工作狀態(tài)。

（2）主控制臺上設(shè)置運行監(jiān)控屏幕顯示（非安全級，簡稱監(jiān)控屏幕顯示）和安全屏幕顯示（1E級）兩種顯示系統(tǒng)，兩者完全獨立。前者基于DCS系統(tǒng)，主要執(zhí)行運行監(jiān)測和控制操作功能；后者基于保護系統(tǒng)和事故后監(jiān)測系統(tǒng)，執(zhí)行保護系統(tǒng)狀態(tài)（包括保護監(jiān)測變量及保護系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)）顯示和事故后監(jiān)測顯示功能。主控制臺上對于重要的參數(shù)或設(shè)備狀態(tài)還設(shè)置少量常規(guī)顯示手段。

（3）在控制室正前方設(shè)置模擬盤，綜合顯示反應堆、汽輪發(fā)電機及主要工藝系統(tǒng)的基本運行狀態(tài)，是核島操縱員、常規(guī)島操縱員和運行值長的公共參照物。

（4）在操縱員身后設(shè)置值班長工作臺，臺上設(shè)置監(jiān)控屏幕顯示器，提供全廠的參數(shù)及狀態(tài)顯示。

（5）監(jiān)控屏幕顯示器還提供安全參數(shù)顯示系統(tǒng)（SPDS）的功能。以集中和簡明的方式提供反應堆安全重要監(jiān)測變量和重要安全功能完整性的顯示，用來幫助運行人員迅速、準確地判斷反應堆的基本安全狀態(tài)。

（6）充分利用數(shù)字技術(shù)和屏幕顯示技術(shù)，提高集中監(jiān)測能力，改善人機界面，更好貫徹人因工程原則。屏幕顯示畫面設(shè)計應直接明確；數(shù)據(jù)采集處理的速度、數(shù)據(jù)顯示的刷新頻率、顯示參數(shù)的量程、精度和響應時間應與執(zhí)行預定任務對監(jiān)測功能的需要相適應。

1.4 運行控制功能

（1）盡可能提高HTR-PM全廠運行自動化水平，除啟動和正常停堆過程在手動控制下進行外，功率發(fā)電運行過程中的主要操作（如功率控制及主要工藝參數(shù)的維持）都盡可能自動執(zhí)行。

（2）設(shè)置必要的手動操作手段，以便操縱員執(zhí)行啟動和正常停堆過程中的操作、正常運行過程中的必要干預和作為自動操作的手動備份。

在控制室設(shè)置的手動操作功能有：

a.控制棒的選擇和手動操作。

b.吸收球回路的選擇和吹球操作。

c.自動控制方式（包括反應堆功率自動調(diào)節(jié)和一回路、二回路、輔助工藝系統(tǒng)的自動控制與調(diào)節(jié)）的投入/切除操作和運行參數(shù)的給定。

d.工藝設(shè)備（泵、閥、風機等）或工藝參數(shù)的手動控制。

e.正常通風系統(tǒng)的設(shè)備操作。

f.安全級電力系統(tǒng)的母線切換控制操作。

這些手動操作以監(jiān)控屏幕顯示器上進行的軟操作為主，但對少量重要的或頻繁的操作（如控制棒手動操作）設(shè)置開關(guān)或按鈕等要以硬操作手段為主。

1.5 保護觸發(fā)功能

（1）HTR-PM反應堆保護系統(tǒng)連續(xù)監(jiān)視預定的保護監(jiān)測變量，當達到或超過保護整定值時，自動給出保護觸發(fā)信號，停閉反應堆或啟動專設(shè)安全設(shè)施。

（2）在控制室中還設(shè)置手動操作開關(guān)，作為自動保護觸發(fā)的備份，必要時可以手動觸發(fā)下列保護功能：

a.緊急停堆：使全部控制棒緊急下落到最低位置實現(xiàn)停堆。

b.落球停堆：使硼吸收球下落至相應的反射層孔道實現(xiàn)停堆。

c.一回路隔離：關(guān)閉與一回路系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的氦凈化管路和燃料球裝卸管路上的電動隔離閥。

d.蒸汽發(fā)生器事故排放。

e.正常通風和事故排風的切換控制。

（3）保護動作的手動觸發(fā)以開關(guān)或按鈕作為操作手段。

1.6 報警功能

（1）HTR-PM控制室設(shè)置報警系統(tǒng)，在反應堆及其重要系統(tǒng)異?；虺霈F(xiàn)事故時，在主控室產(chǎn)生聲光報警信號，引起運行人因?qū)Ξ惓９r或事故工況的及時關(guān)注，在必要時采取措施使系統(tǒng)恢復到正常狀態(tài)或進行事故后處理。

（2）報警信號采用光字牌報警與屏幕報警相結(jié)合的方式，在模擬屏上部設(shè)置光字牌報警屏。重要報警信號（如保護變量）或綜合報警信號（通常是系統(tǒng)級）設(shè)置光字牌報警，詳細報警信息由監(jiān)控屏幕顯示提供。

（3）報警信號的記錄功能由DCS系統(tǒng)實現(xiàn)（存盤記錄和打印分析）。

1.7 通信功能

通信系統(tǒng)要滿足HTR-PM在調(diào)試、維護、正常運行和事故工況下廠內(nèi)和對外通信要求。主控室是調(diào)試、維護、正常運行和事故初期的通信中心。

通信系統(tǒng)包括廠區(qū)自動電話系統(tǒng)、調(diào)度電話系統(tǒng)、應急電話、直通電話、警報和廣播系統(tǒng)等部分。

1.8 多樣性設(shè)計

主控室設(shè)計考慮了必要的顯示和操作手段的多樣性。但在多樣性功能主控室臺盤設(shè)計中，不設(shè)專門的后備盤。

（1）顯示功能的多樣性

a.主控制臺上基于DCS的監(jiān)控屏幕顯示器提供全廠所有的信息，除運行監(jiān)控參數(shù)和工藝設(shè)備狀態(tài)外，也包括保護監(jiān)測參數(shù)、事故后監(jiān)測參數(shù)和儀控設(shè)備狀態(tài)。

b.主控制臺上的安全屏幕顯示器提供保護監(jiān)測參數(shù)、事故后監(jiān)測參數(shù)和安全儀控設(shè)備狀態(tài)。安全屏幕顯示器由安全級數(shù)字化儀控系統(tǒng)驅(qū)動，與運行DCS系統(tǒng)完全獨立。

c.模擬盤提供主要工藝系統(tǒng)的基本運行狀態(tài)（包括主要設(shè)備和重要參數(shù)）顯示。模擬圖顯示屏是一種不會被切換的常顯示手段，且設(shè)備狀態(tài)在圖面上顯示位置固定，可以綜觀了解反應堆、汽輪發(fā)電機組的主要工藝系統(tǒng)的基本運行狀態(tài)。模擬圖顯示屏由底層的電氣、控制設(shè)備直接控制，即使在基于DCS系統(tǒng)的人機界面失效的情況下，仍然能維持基本的顯示功能。

（2）操作功能的多樣性

a.一般運行操作通過在監(jiān)控屏幕顯示器上的軟操作進行。

b.控制棒手動操作通過主控臺上的操作開關(guān)進行。

c.安全動作的手動后備操作通過操作開關(guān)進行。反應堆控制臺上安裝有緊急停堆、啟動專設(shè)安全設(shè)施的手動操作按鈕；常規(guī)島控制臺上安裝有緊急停機等按鈕。

這樣的設(shè)計使主控室設(shè)備緊湊，整體協(xié)調(diào)一致，避免了主控制臺與后備盤之間的切換和操縱員的崗位轉(zhuǎn)移?；诟邷貧饫涠训墓逃邪踩匦?，可以保證即使在基于DCS的人機界面功能失效的情況下，仍然可以在一段時間內(nèi)維持HTRPM基本運行（假定單個過程控制站不同時失效），可以監(jiān)測HTR-PM的基本安全狀態(tài)（通過安全顯示器和模擬盤），在不能維持運行時可以自動或手動停堆（保護系統(tǒng)仍在運行，還有手動觸發(fā)作為后備）。根據(jù)充分的分析和論證，這種不設(shè)專門的后備盤的設(shè)計是滿足要求的[4]。

2 備用停堆點

備用停堆點布置在電氣廠房（UCB）0m層處，與主控室在一個廠房但不在一個防火區(qū)系列，保證了與主控室最大限度的實體隔離，當主控室因火災或其他原因喪失功能后，備用停堆點的功能依然可以保證。

備用停堆點布置有1號反應堆控制臺兩臺，2號反應堆控制臺兩臺，每座控制臺配置相同。由于HTR-PM的固有安全特性，除余熱排出系統(tǒng)外沒有其他安全停堆所需系統(tǒng)。余熱排出系統(tǒng)一直在線運行，且采用非能動方式工作，因此，HTR-PM備用停堆點不需要執(zhí)行余熱冷卻系統(tǒng)投入和運行控制等功能，只需要執(zhí)行落球停堆和安全停堆狀況監(jiān)測功能。

每個備用停堆控制臺上設(shè)備：

（1）一個切換開關(guān)，用于將操作從主控室切換到備用停堆點，同時切斷控制棒驅(qū)動設(shè)備和落球停堆裝置的電源，以保證備用停堆點啟用后主控室內(nèi)因任何人為或設(shè)備故障等原因發(fā)出的錯誤指令不會引起向堆內(nèi)引入反應性的操作。

（2）一個停堆按鈕，用于手動觸發(fā)注入硼球，使反應堆轉(zhuǎn)入安全停堆狀態(tài)。

（3）一個安全級屏幕顯示器，監(jiān)視反應堆的安全停閉狀態(tài)。

3 結(jié)束語

HTR-PM主控室和備用停堆點設(shè)計根據(jù)高溫氣冷堆的固有安全性特點和運行要求，進行了全新的設(shè)計，改善了主控室布局和人機界面，適宜地降低了控制室設(shè)備的造價，將來也減少了運行、維修人員的工作量，具有一定的先進性。目前，正在高溫氣冷堆核電站重大專項的框架下，進行1∶1規(guī)模的主控室驗證，隨著工程的有序推進，具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的HTR-PM控制室設(shè)計必將得到很好的工程實際驗證。

致謝

主控室的整體設(shè)計是由清華核研院承擔的，國核電力規(guī)劃設(shè)計研究院提供常規(guī)島的設(shè)計接口支持。本文是在清華核研院完成的主控室和備用停堆點設(shè)計文件的基礎(chǔ)上撰寫的，清華核研院相關(guān)專家對本文提供了有益的幫助和修改意見，在此對清華核研院相關(guān)專家為HTR-PM所做的辛勤工作和對本文的幫助一并感謝。

[1]GB/T 13630—1992 核電廠控制室的設(shè)計[S].（GB/T 13630—1992 Design of Nuclear Power Plant Control Room[S].）

[2]HAF J0055—1995 核電廠控制室設(shè)計的人因工程原則[S].（HAF J0055—1995 Human Factor Engineering Principles for Design of Nuclear Power Plant Control Room[S].）

[3]高溫氣冷堆核電站示范工程初步設(shè)計[R].（Preliminary Design of the HTGR NPP Demonstration Project[R].）

[4]高溫氣冷堆核電站示范工程初步安全分析報告[R].（Preliminary Safety Analysis Report of the HTGR NPP Demonstration Project[R].）