新建核電站模擬機建造風(fēng)險分析及對策

魏來，胡松，曲偉

（三門核電有限公司，浙江 三門 317112）

核電站全范圍模擬機是核電站正常運營和培訓(xùn)的必備設(shè)施，開發(fā)周期一般在3～4年左右[1]。隨著新建核電站全面采用數(shù)字化儀控系統(tǒng)，以及電站對于模擬機仿真范圍和精度要求的提高，全范圍模擬機開發(fā)難度進一步加大，建造周期顯著延長，因此如何控制全范圍模擬機建設(shè)過程中的風(fēng)險保證開發(fā)進度和質(zhì)量就成為一個業(yè)主方必須面對的課題[2]。

1 新建機組模擬機的建造模式和各方責任

1.1 核島供貨方總包模式及各方責任

由核島設(shè)計方（供貨方）總體負責模擬機設(shè)計、制造、供貨。

如三門核電1號全范圍模擬機，根據(jù)核島供貨合同，該模擬機由三門核電核島供貨方美國西屋公司總包，西屋公司總體負責模擬機項目協(xié)調(diào)，儀控系統(tǒng)仿真，模擬機硬件設(shè)備供貨，以及模擬機測試、驗收。西屋公司將電站工藝系統(tǒng)模型開發(fā)分包給美國捷仕公司和中核武漢核動力運行研究所。業(yè)主方（三門核電）負責協(xié)調(diào)常規(guī)島設(shè)計方（三菱重工、三菱電機、華東電力設(shè)計院、哈電集團等）在合同規(guī)定的時間內(nèi)向西屋公司提交常規(guī)島及公用系統(tǒng)設(shè)計資料，再由西屋公司向其分包商釋放。核島的設(shè)計資料由 西屋公司負責向其分包商釋放。

業(yè)主方必須在模擬機運抵現(xiàn)場前1個月完成模擬機廠房的裝修和電氣、儀控、暖通、消防等相應(yīng)系統(tǒng)準備，控制室環(huán)境必須滿足中華人民共和國能源行業(yè)標準NB-20015-2010《核電廠操縱人員培訓(xùn)及考試用模擬機》[3]3.3.1.1和4.3.1.3關(guān)于控制室環(huán)境的相應(yīng)規(guī)定。

1.2 核島、常規(guī)島供貨方之外的第三方仿真公司總包

由核島設(shè)計方，常規(guī)島設(shè)計方之外的第三方仿真公司總包，全面負責模擬機的開發(fā)、測試并確保通過驗收評審可用于培訓(xùn)。

如三門核電2號模擬機就采用由中核武漢核動力運行研究所作為總包方的開發(fā)模式。業(yè)主方根據(jù)單獨簽訂的模擬機供貨合同在規(guī)定的時間內(nèi)協(xié)調(diào)電站各設(shè)計方向仿真公司提供核島、常規(guī)島、儀控、電站運行規(guī)程設(shè)計資料以便仿真公司完成模擬機開發(fā)。

仿真公司則必須在規(guī)定的時間內(nèi)向業(yè)主公司交付滿足合同技術(shù)要求指標和供貨時間要求的全范圍模擬機。

模擬機廠房的準備同1.1要求。

2 全范圍模擬機開發(fā)過程和主要任務(wù)分析

2.1 模擬機開發(fā)過程

模擬機開發(fā)過程一般劃分為初步設(shè)計，詳細設(shè)計，單系統(tǒng)測試，集成測試，預(yù)出廠測試，出廠測試，現(xiàn)場測試以及驗收評審[4,5]，圖1為三門核電1號模擬機主要時間節(jié)點圖。

圖1 三門核電1號模擬機主要時間節(jié)點圖Fig.1 3 Nuclear power simulators, 1th main timing diagram

● 初步設(shè)計 PDS( Preliminary Design Phase)

● 詳細設(shè)計 IDS (Interim Design Phase)

● 單系統(tǒng)測試 SUT (System Unit Test)

● 集成測試 Integration Testing

·模型間集成測試

·模型與儀控集成測試

● 預(yù)出廠測試Pre-FAT

● 出廠測試 FAT (Factory Acceptance Test)

● 現(xiàn)場測試SAT（Site Acceptance Test)

● 驗收評審（Acceptance Expert Review）

2.2 模擬機開發(fā)主要階段任務(wù)分析

2.2.1 初步設(shè)計

此階段主要工作是確定電站各工藝系統(tǒng)的模擬范圍、具體設(shè)備，故障種類、數(shù)量，確定就地操縱員動作范圍和類型。主要使用的資料是電站各工藝系統(tǒng)P&ID（儀表管道圖），one line diagram（電氣系統(tǒng)單線圖）。其中模擬范圍必須滿足NB-20015-2010核電廠操縱人員培訓(xùn)及考試用模擬機 4.3模擬范圍的要求。

業(yè)主方需要在此階段提交高優(yōu)先級P&ID（儀表管道圖），one line diagram（電氣系統(tǒng)單線圖）數(shù)據(jù)的提交。

2.2.2 詳細設(shè)計

此階段主要完成電站工藝系統(tǒng)模型的輸入計算，包括流體流導(dǎo)計算、結(jié)點壓降分配，各結(jié)點水力直徑、體積、表面積、換熱面積等計算，泵、閥門等的特性曲線，熱交換器的換熱面積等。

業(yè)主方需要提交大量的作為中優(yōu)先級設(shè)計資料，包括：電站工藝系統(tǒng)管道軸測圖，各類系統(tǒng)、主要設(shè)備計算說明書，閥門開度曲線，泵特性曲線，工藝系統(tǒng)設(shè)計說明書，電氣負荷分布圖，電氣系統(tǒng)同期圖、邏輯等，所有的設(shè)計輸入數(shù)據(jù)均作為模型設(shè)計基線設(shè)計采用配置管理系統(tǒng)進行統(tǒng)一管理進行版本控制。

2.2.3 集成

此階段將獨立的工藝系統(tǒng)模型完成集成并實現(xiàn)穩(wěn)定運行。工藝系統(tǒng)完成集成后再與儀控系統(tǒng)進行集成，滿足控制、通訊、響應(yīng)要求。

2.2.4 測試

工廠測試又分為預(yù)出廠測試、工廠測試和現(xiàn)場接收測試。測試階段需完成合同及NB-20015-2010核電廠操縱人員培訓(xùn)及考試用模擬機所規(guī)定的穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)及故障測試內(nèi)容，并對測試不符合項進行統(tǒng)一記錄、分類、修改、復(fù)測、關(guān)閉。

業(yè)主方需要在測試開始前提交作為低優(yōu)先級的電站運行規(guī)程、事故規(guī)程等用于開發(fā)模擬機測試規(guī)程，且需要派出具有操縱員執(zhí)照的運行人員參與測試的各個階段，盡可能多的發(fā)現(xiàn)問題并修改，使模擬機達到合同和法規(guī)規(guī)定的要求。

3 模擬機建造各階段存在的風(fēng)險分析和對策

3.1 設(shè)計資料提交滯后存在的風(fēng)險及對策

設(shè)計資料提交風(fēng)險：業(yè)主方需要在模擬機建造各階段及時遞交大量的模擬機設(shè)計輸入資料，若不能按期遞交模擬機各設(shè)計階段所需的設(shè)計輸入數(shù)據(jù)，將直接導(dǎo)致模擬機開發(fā)進度滯后從而形成進度風(fēng)險。以三門核電1號全范圍模擬機為例，全部使用的電站設(shè)計資料2841份，其中常規(guī)島及公用系統(tǒng)資料1317份。

對于采用模擬機由核島供貨方總包的合同模式，如三門核電1號模擬機的核島數(shù)據(jù)由西屋公司負責遞交，常規(guī)島及公用系統(tǒng)數(shù)據(jù)由業(yè)主方負責遞交，核島合同及進度計劃中規(guī)定業(yè)主方在ATP+5、ATP+14、ATP+24分別完成提交高、中、低優(yōu)先級數(shù)據(jù)，但是實際上三門核電1號機常規(guī)島及公用系統(tǒng)合同實際簽訂時間比核島合同晚半年，模擬機的項目啟動時間與核島項目啟動時間一致，因此理論上完全無法按照核島合同規(guī)定的日期向西屋公司提供常規(guī)島及共用系統(tǒng)資料；此外常規(guī)島及公用系統(tǒng)合同中未明確規(guī)定各參建方在數(shù)據(jù)提交方面的責任和時間要求，常規(guī)島及公用系統(tǒng)合同子承包商數(shù)量眾多，業(yè)主方面直接協(xié)調(diào)難度較大，進一步導(dǎo)致常規(guī)島及公用系統(tǒng)數(shù)據(jù)提交進度較為緩慢，無法按時完成規(guī)定的數(shù)據(jù)提交。至此，2009年西屋公司以三門核電未能在規(guī)定時間內(nèi)完成數(shù)據(jù)遞交為由提出將三門核電1號模擬機供貨合同延期18個月，直接對模擬機按期交付及機組后續(xù)裝料等節(jié)點形成了開口風(fēng)險。后三門核電經(jīng)過大量的多方協(xié)調(diào)、溝通，通過召開各設(shè)計方參與的模擬機數(shù)據(jù)專項協(xié)調(diào)會等確定數(shù)據(jù)遞交時間，盡最大努力完成了模擬機開發(fā)數(shù)據(jù)的遞交。并從項目執(zhí)行的角度說服西屋公司合作趕工，最終實現(xiàn)模擬機按期交付使用。

對于采用由核島設(shè)計方，常規(guī)島設(shè)計方之外的第三方

圖2 三門核電1號模擬機開發(fā)流程圖Fig.2 3 1th simulator in nuclear power development flow chart

仿真公司總包模式，業(yè)主要全面負責核島、常規(guī)島及公用系統(tǒng)數(shù)據(jù)的提交，業(yè)主方按期遞交數(shù)據(jù)的壓力和難度更大，存在進度滯后風(fēng)險。

對策：源頭上在核島、常規(guī)島簽訂合同時就要著重考慮并評估考慮到模擬機合同里面的數(shù)據(jù)提交的問題，在同一數(shù)據(jù)提交內(nèi)容涉及到多個合同時要保證不同合同之間的時間和內(nèi)容互不沖突，對數(shù)據(jù)提交工作進行一致、明晰地規(guī)定，使數(shù)據(jù)范圍和截止時間一致。合同中要明確規(guī)定各參建方的設(shè)計資料提交責任、明確數(shù)據(jù)提交內(nèi)容以及設(shè)計資料提交的凍結(jié)時間，將數(shù)據(jù)提交工作規(guī)范化。如果承建方中子承包商過多，作為業(yè)主協(xié)調(diào)難度較大，建議將此類問題規(guī)定為由主承包商統(tǒng)一協(xié)調(diào)，由其完成相應(yīng)資料收集后統(tǒng)一提交業(yè)主。

同時業(yè)主方必須做好數(shù)據(jù)提交記錄，記錄中要包含提交的文件編碼、文件名、版本、提交日期、提交的信函編號等內(nèi)容，以作為模擬機設(shè)計基線數(shù)據(jù)管理的設(shè)計輸入。

3.2 數(shù)據(jù)缺失存在的風(fēng)險和對策

風(fēng)險：對于新建機組，工程設(shè)計、設(shè)備選型采購進度隨時間深入，不可避免的存在模擬機相應(yīng)設(shè)計資料缺失風(fēng)險，比如某類閥門、泵等設(shè)備選型未定，相應(yīng)的閥門開度曲線，泵特性曲線就只能由設(shè)計方根據(jù)系統(tǒng)流量和管徑給出假設(shè)數(shù)據(jù)。

對策：在合同簽訂前進行分析、比對，并在合同中規(guī)定對于無法提交的數(shù)據(jù)可以使用假設(shè)數(shù)據(jù)替代，同時確定數(shù)據(jù)更新時間，后續(xù)使用實際數(shù)據(jù)對假設(shè)數(shù)據(jù)進行替代，保證模擬機輸入數(shù)據(jù)的準確性。

3.3 儀控系統(tǒng)仿真存在的風(fēng)險和對策

新建核電全部采用數(shù)字化儀控技術(shù)，對于核電站儀控系統(tǒng)組態(tài)的仿真一般采用純模擬（simulation）或者虛擬實物模擬（Emulation）的方式[6,7]。對于主控室盤臺、開關(guān)等硬件則采用與主控室盤臺、儀表、開關(guān)相同供貨廠家的原廠供貨或者仿制，需滿足NB-20015-2010核電廠操縱人員培訓(xùn)及考試用模擬機3.3.1實體逼真度和人因的要求。

純模擬，使用模擬機開發(fā)環(huán)境下的建模技術(shù)來復(fù)現(xiàn)參考機組的系統(tǒng)或子系統(tǒng)。由DCS仿真供貨商直接根據(jù)DCS的I/O清單、控制邏輯圖以及DCS圖形化控制界面進行仿真。

采用純模擬的風(fēng)險：此種方式組態(tài)工作量很大，仿真公司人力、研發(fā)投入較大，直接導(dǎo)致模擬機建造成本較高。由于電站控制系統(tǒng)供貨方在保密等方面的考慮，業(yè)主在規(guī)定時間內(nèi)獲取全部組態(tài)設(shè)計輸入文件存在風(fēng)險。且仿真公司對于控制策略和組態(tài)的理解不可避免的會和電站控制系統(tǒng)組態(tài)存在差異甚至錯誤，后續(xù)需花大量的時間參考實際機組控制系統(tǒng)進行評估并修改。

此種模式優(yōu)勢在于不受新建電站儀控系統(tǒng)組態(tài)進度影響，相對獨立，在電站儀控系統(tǒng)開發(fā)嚴重滯后的情況下采用此種模式作為替代方案，確保模擬機建造進度。

采用虛擬實物模擬的風(fēng)險：由核島設(shè)計方（供貨方）總包一般采用此種模式。采用虛擬實物模擬在控制邏輯的正確性和時間響應(yīng)上與實際機組沒有差異，但與實際電站的儀控系統(tǒng)開發(fā)進度緊密相關(guān)，根據(jù)目前國內(nèi)在建二代加和三代核電建設(shè)進度來看，儀控系統(tǒng)施工進度 已成為影響電站建設(shè)進度的重要因素，成為必須考慮的風(fēng)險項。

對策：對于采用第三方仿真公司總包的合同模式，考慮到設(shè)計文件輸入按期獲取存在風(fēng)險，且開發(fā)成本較高。因此不建議單獨由模擬機仿真供貨商采用純模擬的方式單獨進行開發(fā)，而是建議采用控制系統(tǒng)供貨商與模擬機供貨商共同合作開發(fā)的方式進行模擬機控制系統(tǒng)仿真，從而達到共享部分組態(tài)技術(shù)成果從而達到化解開發(fā)風(fēng)險和降低建造成的目的。同時考慮到供貨方和分包商之間的協(xié)調(diào)、管理問題，建議在可能的情況下盡可能減少分包商數(shù)量。

對于采用核島設(shè)計方（供貨方）總包的合同模式，建議在合同簽訂之初就考慮儀控系統(tǒng)進度風(fēng)險，明確將儀控系統(tǒng)進度滯后對模擬機建造進度滯后的責任、替代方案和賠償方式寫入合同相關(guān)條款。

3.4 測試階段不符合項處理存在風(fēng)險和對策

風(fēng)險：模擬機測試階段跨度較長，預(yù)出廠測試、出廠測試、現(xiàn)場接收測試累計時間通常在一年以上。測試期間產(chǎn)生大量不符合項，數(shù)量一般在幾千條。測試期間若無規(guī)范、科學(xué)、并嚴格遵守管理流程將造成不符合項處理無記錄、重復(fù)處理、處理后修改無記錄等風(fēng)險。

對策：采用配置管理系統(tǒng)對模擬機測試不符合項進行管理，要求做到所有的測試不符合項進入配置管理程序進行規(guī)范化管理。建立測試人員填寫不符合項，測試負責人對問題進行確認、分配任務(wù)流程，模型修改人員修改，測試人員復(fù)測并確認關(guān)閉的流程。并將測試不符合項處理記錄定期打印、紙質(zhì)版存檔保存。

3.5 模擬機房不可用存在的風(fēng)險及對策

風(fēng)險：模擬機運抵電站至少前1個月，需完成模擬機廠房的各項準備工作，完成模擬機廠房的裝修、電氣、暖通、消防、信息弱電等工程。由于新建機組電站主控室可用時間節(jié)點在模擬機可用之后，存在模擬機廠房開始裝修時無主控室設(shè)計資料的風(fēng)險，且在出圖后存在設(shè)計變更的風(fēng)險。

對策：預(yù)留至少10個月的模擬機廠房裝修，電氣、暖通、消防、信息弱電等工程施工時間。在模擬機廠房裝修開始前即聯(lián)系電站主控室設(shè)計方，催交主控室裝修的圖紙，并在模擬機廠房裝修開始后關(guān)注主控室設(shè)計變更，以便及時跟進主控室裝修，滿足模擬機主控室與電站主控室一致性的要求。

4 小結(jié)

全范圍模擬機可用于培訓(xùn)作為新建電站重要二級里程碑進度節(jié)點的順利實現(xiàn)意義重大，其將直接決定首批操縱員培訓(xùn)和取照考試時間，進而影響到電站裝料等后續(xù)節(jié)點進度。隨著全范圍模擬機仿真范圍和精度的不斷提高，對于設(shè)計資料在廣度和深度方面的需求進一步加大，同時在引入數(shù)字化儀控后，更加大了模擬機建造進度控制方面的風(fēng)險。這就需要引起業(yè)主方足夠的重視，在合同談判期間就要充分考慮并全范圍模擬機建造各階段出現(xiàn)的各種問題，未雨綢繆，提前發(fā)現(xiàn)、解決問題，消除進度風(fēng)險，確保模擬機按期可用于培訓(xùn)。

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[3]NB-20015-2010,核電廠操縱人員培訓(xùn)及考試用模擬機[Z].

[4]毛偉.紅沿河一期全范圍模擬機的設(shè)計和開發(fā)[C].2011核能行業(yè)仿真技術(shù)及應(yīng)用研討會,2011.7:19-24.

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[6]魏來.核電站DCS仿真的三種實現(xiàn)形式探討[J].中國核電,2010, 3(2)：153-154 .

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