數(shù)字化儀控系統(tǒng)EUR-URD 需求分析對(duì)比探討

孫 偉 張龍強(qiáng) 江 輝 鄭 添

(深圳中廣核工程設(shè)計(jì)有限公司，廣東 深圳 518172)

0 引言

20 世紀(jì)末的美國，核電用戶倡議由美國電力研究院(EPRI)管理核電廠主要技術(shù)要求，即美國先進(jìn)輕水反應(yīng)堆計(jì)劃(advanced light water reactor，ALWR)。美國所有的商業(yè)反應(yīng)堆和世界上超過70%的核電廠均使用輕水反應(yīng)堆技術(shù)。ALWR 計(jì)劃的主要目的是制定一個(gè)全面的先進(jìn)輕水反應(yīng)堆設(shè)計(jì)要求，這些設(shè)計(jì)要求以需求文檔的形式提出未來輕水反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)要求。ALWR搜集了廣泛的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，包括美國正在運(yùn)行的超過100家輕水反應(yīng)堆發(fā)電廠和海外核電廠40 年基礎(chǔ)運(yùn)行數(shù)據(jù)和信息。該計(jì)劃提供了用戶指導(dǎo)委員會(huì)，該委員會(huì)由來自約20 個(gè)美國和國外用戶的高級(jí)執(zhí)行人員組成，ALWR 計(jì)劃辦公室擔(dān)任本委員會(huì)的人員，計(jì)劃辦公室負(fù)責(zé)與美國核蒸汽供應(yīng)商、工程服務(wù)、咨詢、結(jié)構(gòu)和建筑公司建立合同。因此，ALWR 要求是由用戶驅(qū)動(dòng)的，該要求基本上是一個(gè)行業(yè)對(duì)下一代發(fā)電廠的共識(shí)要求。

20 世紀(jì)末的歐洲，各個(gè)國家獨(dú)立的管理機(jī)構(gòu)頒發(fā)了針對(duì)核電廠的安全準(zhǔn)則和導(dǎo)則，并且根據(jù)各自國家的情況進(jìn)行開發(fā)及建設(shè)。這導(dǎo)致了歐洲核能的分裂。另一方面，隨著歐洲市場規(guī)則的強(qiáng)制執(zhí)行，市場壁壘逐漸取消，引發(fā)了更為廣泛的競爭。鑒于此，隨著歐洲一體化的建立，國家間關(guān)系密切，有必要制定出一個(gè)大家認(rèn)可的核電廠建造要求，增強(qiáng)歐洲核電競爭力，為此歐洲用戶要求(European user requirements，EUR)文檔應(yīng)運(yùn)而生。該要求由歐洲10 個(gè)國家的核電設(shè)備生產(chǎn)商和電力部門在1991 年底共同制定，采用共同的安全和環(huán)保目標(biāo)，得到了歐洲主要國家的認(rèn)可。

1 URD 技術(shù)特點(diǎn)分析

ALWR 需求文檔針對(duì)整個(gè)電廠，包括核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)、BOP、開關(guān)站等。需求文檔包括兩個(gè)類型:改進(jìn)型ALWR 和非能動(dòng)ALWR。改進(jìn)型ALWR 是一個(gè)簡單的、改進(jìn)現(xiàn)有輕水反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)方案，它采用能動(dòng)安全系統(tǒng)，并采用40 年的設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)，與現(xiàn)有的法規(guī)框架一致。

非能動(dòng)ALWR 是輕水反應(yīng)堆技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，雖然沒有改進(jìn)型ALWR 成熟，但這些概念的建立依賴于現(xiàn)有的輕水反應(yīng)堆經(jīng)驗(yàn)，并且改進(jìn)型ALWR 設(shè)計(jì)要求為這些非能動(dòng)設(shè)計(jì)提供技術(shù)基礎(chǔ)。電廠使用非能動(dòng)安全系統(tǒng)為堆芯和安全殼冷卻，依靠如重力排水和自然循環(huán)等現(xiàn)象。非能動(dòng)系統(tǒng)的活動(dòng)部件和支持系統(tǒng)較少，這些系統(tǒng)的運(yùn)行和維護(hù)比能動(dòng)系統(tǒng)更簡單。

如上所述，URD 是一個(gè)頂層的設(shè)計(jì)要求，在需求的開發(fā)和組織過程中采用了系統(tǒng)級(jí)方法。URD 結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 URD 用戶需求文件結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of URD

該文件第1 卷定義計(jì)劃的政策，并總結(jié)了頂層的設(shè)計(jì)要求。第1 卷以描述性格式進(jìn)行說明，旨在以一個(gè)更簡潔的方式說明政策和頂層需求。需求文檔的第2 卷和第3 卷包含改進(jìn)型和非能動(dòng)型ALWR 各自的全部設(shè)計(jì)需求，每冊包含13 個(gè)章節(jié)，每卷第1 章定義適用于多數(shù)電廠系統(tǒng)的共同要求。第2、3 卷的第2 ～13章以系統(tǒng)組形式覆蓋整個(gè)核電廠，包括總體需求、發(fā)電系統(tǒng)、反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)、反應(yīng)堆輔助系統(tǒng)、反應(yīng)堆系統(tǒng)、專設(shè)安全設(shè)施系統(tǒng)、廠房設(shè)計(jì)和布置、燃料和換料、電廠冷卻水系統(tǒng)、全廠支持系統(tǒng)、人機(jī)接口系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、放射性廢物處理系統(tǒng)、汽輪機(jī)系統(tǒng)。第10 章節(jié)重點(diǎn)描述與儀控相關(guān)的內(nèi)容。

儀控系統(tǒng)作為ALWR 電廠的一部分，被用來執(zhí)行與電廠正常運(yùn)行(即啟動(dòng)、停閉、備用、功率運(yùn)行和換料)、異常工況、應(yīng)急工況和事故工況有關(guān)的必要監(jiān)測、控制和保護(hù)功能［1］。第10 章主要內(nèi)容如下。

(1)電廠所有安全與非安全系統(tǒng)的儀表，包括敏感元件和就地儀表;

(2)所有安全與非安全系統(tǒng)的自動(dòng)與手動(dòng)控制裝置;

(3)保護(hù)功能，包括安全與非安全系統(tǒng);

(4)診斷系統(tǒng)，包括松脫部件監(jiān)測系統(tǒng)，旋轉(zhuǎn)機(jī)械診斷;

(5)電廠系統(tǒng)的監(jiān)測與控制站，包括主控制室(MCR)、遠(yuǎn)程停堆控制站、技術(shù)支持中心、應(yīng)急指揮中心和就地控制站;

(6)儀表與控制的供電、接地以及環(huán)境;

(7)控制、數(shù)據(jù)采集、顯示、存取、監(jiān)測與報(bào)警、技術(shù)支持和運(yùn)行支持的計(jì)算機(jī)系統(tǒng);

(8)電廠通信系統(tǒng)，包括和電廠運(yùn)行與維護(hù)有關(guān)的可視與可聽的廠內(nèi)通信。

第10 章的內(nèi)容及結(jié)構(gòu)如圖2 所示［1］。

圖2 第3 卷第10 章章節(jié)結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of the chapter 10 of volume 3

2 EUR 技術(shù)特點(diǎn)分析

EUR 文件分為4 卷。

第1 卷，主要政策和頂層要求:該卷描述了主要設(shè)計(jì)目標(biāo)、EUR 文件中執(zhí)行的現(xiàn)有主要政策。

第2 卷，核島一般要求:該卷包括所有的一般要求和EUR 用戶對(duì)核島參數(shù)的選擇。

第3 卷，核島特殊要求:該卷劃分成許多部分。每個(gè)部分代表參與用戶利益的特定設(shè)計(jì)。它包括設(shè)計(jì)相關(guān)要求和與特定設(shè)計(jì)有關(guān)的參數(shù)選擇。

第4 卷，發(fā)電廠要求:該卷包括了與發(fā)電廠相關(guān)的一般要求。

2.1 第2 卷核島一般技術(shù)要求

第2 卷提供了核島所有需求和EUR 用戶的要求，與特殊的設(shè)計(jì)無關(guān)，覆蓋了電廠業(yè)主對(duì)供應(yīng)商提出的評(píng)價(jià)、取證、設(shè)計(jì)、建造、測試和運(yùn)行的大多數(shù)需求。第2 卷包括19 個(gè)章節(jié):前言、安全要求、性能要求、電網(wǎng)要求、設(shè)計(jì)基準(zhǔn)、規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)、材料相關(guān)要求、設(shè)備功能要求、系統(tǒng)和工藝功能要求、安全殼系統(tǒng)、儀表和控制、布置原則、設(shè)計(jì)過程和文件、可建造性、運(yùn)行、維護(hù)和程序、質(zhì)量保證、退役、概率安全評(píng)價(jià)方法、性能評(píng)價(jià)方法、成本評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)。

下面重點(diǎn)介紹與儀控相關(guān)的第2 卷第10 章節(jié)的主要結(jié)構(gòu)［2］。

2.2 第2 卷第10 章主要內(nèi)容及結(jié)構(gòu)

本節(jié)說明了儀控和人機(jī)接口相關(guān)的需求和一般設(shè)計(jì)原則，所有需求與儀控產(chǎn)品和方案無關(guān)。該節(jié)與其他章節(jié)內(nèi)容一起構(gòu)成全部的設(shè)計(jì)要求，主要包括儀控設(shè)計(jì)一般原則、關(guān)聯(lián)者及附屬需求、功能分析與分配、儀控設(shè)計(jì)功能需求、儀控設(shè)計(jì)技術(shù)要求、項(xiàng)目實(shí)施等。各部分內(nèi)容基本符合設(shè)計(jì)過程，其結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖3 所示［2］。

圖3 EUR 第10 章結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure of the chapter 10 of EUR

各部分內(nèi)容說明如下。

(1)儀控設(shè)計(jì)一般原則，說明了儀控的主要目標(biāo)和與其他章節(jié)的關(guān)系。

(2)關(guān)聯(lián)者和附屬需求，包含與電廠工藝和外圍通信的主要接口方式，定義了關(guān)聯(lián)者并提供分析和設(shè)計(jì)的輸入。

(3)功能分析和分配，為了使儀控系統(tǒng)滿足電廠電站安全穩(wěn)定運(yùn)行要求，必須執(zhí)行功能分析與分配。

(4)儀控設(shè)計(jì)功能需求，說明了EUR 的基本方針，及適用于儀控設(shè)計(jì)和期望達(dá)到的安全、可用率和性能指標(biāo)，此外，還包含了一些特定的儀控功能需求。

(5)儀控設(shè)計(jì)技術(shù)需求，用于經(jīng)驗(yàn)反饋和設(shè)備規(guī)范要求等，主要內(nèi)容包括技術(shù)選擇、標(biāo)準(zhǔn)化、人因工程、儀表、電磁兼容、供電、布置和電纜。

(6)項(xiàng)目實(shí)施，該節(jié)審查了儀控生命周期每個(gè)階段的內(nèi)容，包括工程管理、安保、質(zhì)量保證、設(shè)計(jì)、驗(yàn)證、安裝、調(diào)試和運(yùn)行等內(nèi)容。

3 URD/EUR 主要差異分析

如上兩個(gè)章節(jié)描述了URD 和EUR 的主要結(jié)構(gòu)及與儀控、人機(jī)接口相關(guān)的設(shè)計(jì)要求，表1 列舉出了兩個(gè)要求的差異分析。

表1 URD、EUR 技術(shù)差異分析Tab.1 Analysis of the difference between URD and EUD

續(xù)表1

4 結(jié)束語

本文結(jié)合實(shí)際工程項(xiàng)目，對(duì)URD、EUR 的主要章節(jié)及技術(shù)內(nèi)容進(jìn)行介紹，重點(diǎn)描述了其中涉及核電廠儀控系統(tǒng)和人機(jī)接口方面的內(nèi)容，對(duì)其中主要技術(shù)要求進(jìn)行了對(duì)比分析并得出了初步的結(jié)論。

通過上述分析可以看出，對(duì)于具體的技術(shù)點(diǎn)，整體上看兩者均有相同的技術(shù)要求，但落實(shí)具體的技術(shù)規(guī)范的詳盡程度或側(cè)重點(diǎn)可能有所不同?；诖?，本文給出了初步的分析和結(jié)論。

上述結(jié)論對(duì)于核電廠數(shù)字化儀控系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有現(xiàn)實(shí)的參考意義，為后續(xù)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)提供了重要的借鑒，具有普遍性。

［1］ Electric Power Research Institute. Utility Requirements Document Chapter 10［M］.2000.

［2］ European Utility Requirements Chapter 10 Volume 3［M］.1998.

［3］International Electrotechnical Commission. IEC 61772-2009 Application of visual display units(VDUs)［S］.2009:11-17.

［4］ International Electrotechnical Commission. IEC 61227-2008 Nuclear power plants-control rooms-operator controls［S］.2008:9-12.

［5］ Institute of Electrical and Electronics Engineers. IEEE 1050 -2004 Instrumentation and Control Equipment Grounding in Generating Stations［S］.2004:31 -35.